（管理科学与工程专业论文）基于过程本体的异质agent协作模型的研究.pdf

国防科学技术大学研究牛院学位论文 摘要 开放环境下实现系统间的互操作和资源共享成为近年来众多领域研究的热 点，随着人工智能和多a g e n t 系统技术的发展，采用a g e n t 作为系统对外服务功能 的代理成为首先方案，因此，异质a g e n t 协作技术对实现系统互操作和资源共享 具有十分重要的意义。随着语义w e b 和本体技术的发展，过程本体为异质a g e n t 协作提供语义基础和协作规范，可以作为开放环境下异质a g e n t 协作发现和监控 管理的概念框架。 本文首先介绍了a g e n t 协作技术的研究现状和发展趋势，详细分析了本体技 术，尤其是描述逻辑和语义w e b 。在o w l s 过程语义描述基础上引入a g e n t 协作 的概念，提出了描述a g e n t 协作过程的过程本体d l o p ，在d l o p 中描述了协作的 基本概念、基本关系和关系的特性，进而给出了基于d l o p 知识库所具有的一般 特性。然后，参照a g e n t 协作的f i p a 规范提出了基于过程本体异质a g e n t 协作参 考模型h a c m 。该模型以过程本体为核心，分为存储层、语义层、服务层和应用 层，其中：语义层提供过程本体的推理引擎，服务层为a g n e t 协作提供各种服务， 而服务层和应用层则构成a g e n t 协作空间。最后，以战场油料后勤保障为应用背 景，开发实现了基于多a g e n t 的油料后勤保障系统。该系统分别从协作的发现与 建立、协作过程的运行与监测、异常的监控与处理等方面，验证了过程本体作为 开放环境下异质a g e n t 协作的语义基础和协作规范，在支持异质a g e n t 协作的发现、 建立、管理和监控方面的可行性和优越性。 主题词： 基于描述逻辑的过程本体规范异质a g e n t 协作o w l s 油料后 勤多a g e n t 系统 第i 页 ab s t r a c t i th a sb e e nt h eh o tr e s e a r c ht o p i ca b o u th o wt or e a l i z et h em a n i p u l a t i o nb e t w e e n t h es y s t e m sa n ds h a r i n gt h er e s o u r c e si nt h eo p e ne n v i r o n m e n ti nt h em a n yf i e l d si nt h e r e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n ta n dm u l t i a g e n ts y s t e m ，i t i sv e r yc o m m o nt ou s ea g e n t ，w h i c hp r o v i d e ss e r v i c e sa n df u n c t i o n sf o rt h eo u ta st h e r e p r e s e n t a t i v eo fm a n ys y s t e m s s ot h eh e t e r o g e n e o u sa g e n tc o o p e r a t i o nt e c h n o l o g y h a sv e r yi m p o r t a n te f f e c to nr e a l i z i n gt h em a n i p u l a t i o nb e t w e e nt h es y s t e m sa n ds h a r i n g t h er e s o u r c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es e m a n t i cw e ba n dt h eo n t o l o g y ，t h ep r o c e s s o n t o l o g y ，a st h es e m a n t i cb a s ea n dc o o p e r a t i o nc r i t e r i o no ft h eh e t e r o g e n e o u sa g e n t c o o p e r a t i o n ，c a nb e c o m et h ec o n c e p t u a lf r a m e w o r kf o r t h ef i n d i n g ，i n s p e c t i n ga n d m a n a g i n go f t h eh e t e r o g e n e o u sa g e n tc o o p e r a t i o ni nt h eo p e ne n v i r o n m e n t f i r s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n da b o u t t h ea g e n tc o o p e r a t i o n i ta l s o a n a l y s e st h eo n t o l o g yt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l y t h e d e s c r i p t i o nl o g i ca n ds e m a n t i cw e b ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o n so ft h ea g e n t c o o p e r a t i o no nt h eb a s eo ft h ep r o c e s ss e m a n t i cw h i c ht h eo w l sd e s c r i b e s i t d e s c r i b e st h ec o n c e p t i o n s ，t h er e l a t i o n s ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h er e l a t i o n si nt h e d l o p ，a n dt h e np r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i cw h i c hak n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o ns y s t e m b a s e do nd l o ph a s s e c o n d l y ，i tb r i n g sf o r w a r dt h eh e t e r o g e n e o u sa g e n tc o o p e r a t i o n r e f e r e n c em o d e l ( h a c m ) b a s e do nt h ep r o c e s so n t o l o g y t h eh a c mt a k e st h ep r o c e s s o n t o l o g ya si t sc e n t e ra n di s d i v i d e di n t ot h es t o r a g el a y e r ，t h es e m a n t i cl a y e r ，t h e s e r v i c el a y e ra n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e r t h es e m a n t i cl a y e rp r o v i d e st h er e a s o n i n g e n g i n eo ft h ep r o c e s so n t o l o g y t h es e r v i c el a y e rp r o v i d e st h ev a r i o u ss e r v i c e sf o rt h e a g e n tc o o p e r a t i o n t h es e r v i c el a y e ra n dt h ea p p l i c a t i o nl a y e rc o m p o s et h ec o o p e r a t i o n s p a c e f i n a l l y ，o nt h em i l i t a r ya p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do ft h eo i ll o g i s t i c s ，a na g e n t b a s e do i ll o g i s t i c sg u a r a n t e es y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dt o t e s ta n dv a l i d a t et h e f e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yi nt h ef i n d i n g ，s e a i n g ，m a n a g i n ga n di n s p e c t i n go ft h e h e t e r o g e n e o u sa g e n tc o o p e r a t i o nb a s e do nt h ep r o c e s so n t o l o g y ，r e s p e c t i v e l yf r o mt h e m a n ya s p e c t ss u c ha st h ec o o p e r a t i o nf i n d i n ga n ds e t t i n g ，t h ec o o p e r a t i o nr u n n i n ga n d i n s p e c t i o n g ，t h ee x p e c t a t i o nc o n t r o l l i n ga n dd i s p o s i n g ，a n ds oo n k e yw o r d s ：d l o p ( 旦e s c r i p t i o nl o g i cb a s e d p r o c e s so n t o l o g y ) ， h e t e r o g e n e o u sa g e n tc o o p e r a t i o n ，o w l s ( o n t o l o g yw e bl a n a g u a g ef o r s e r v i c e ) ，o i ll o g i s t i c s ，m a s ( 丛u l t i - a g e n ts y s t e m ) 第i j 页 一：；： ：；旦堕型童丝查奎堂堡塞竺堕兰丝堕塞 ；： 表目录 表2 1 儿c 的语法和语义18 表2 2d l o p 构造子的含义一2 4 表3 1a m s 提供的基本服务4 1 第1 i i 贝 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图2 1 基于描述逻辑的知识表示系统的体系结构1 4 图2 2t a b l e a u 可满足性算法15 图2 3 语义w e b 体系结构层次副48 1 2 0 图2 4o w l s 的顶层服务本体p 2 1 图2 5 过程本体d l o p 核心概念关系图2 3 图3 1a g e n t 协作模型3 3 图3 2a g e n t 生命周期图一3 4 图3 3h a c m 体系结构图3 7 图3 4j e n a 框架一3 9 图3 5o w l s 框架u m l 包图4 0 图3 6a g e n t 参考模型结构图4 3 图3 7a g e n t 参考模型的主控线程一4 5 图3 8 过程解析算法4 7 图3 9 潜在a g e n t 发现算法4 8 图3 1 0 协商范畴的结构4 9 图3 1 1协作发起方协作控制过程5 0 图3 1 2 协作执行过程一5l 图3 1 3c p m a 监控管理算法5 2 图4 1 油料后勤多a g e n t 系统系统架构5 8 图4 2 油料后勤多a g e n t 系统目标结构图5 9 图4 3r e 2 i s t r a t i o n p r o c e s s 过程图6 0 图4 4d e r e g i s t r a t i o n p r o c e s s 过程图6 0 图4 5d a y c o n s u m e s t a t i s t i c p r o c e s s 过程图6 1 图4 6n o r m a l u n i t s u p p r o c e s s 过程图一6 1 图4 7n o r m a l s u p e r i o r s u p p r o c e s s 过程图6 2 图4 8e m e r g e n c y s u p p r o c e s s 过程图6 2 图4 9e m e r g e n c y s u p e r i o r s u p p r o c e s s 过汞呈图6 3 图4 1 0e m e r g e n c y u n i t s u p p r o c e s s 过程图一6 3 图4 1 le m e r g e n c y n e t w o r k i n g s u p p r o c e s s 过程图6 4 图4 12 协调中心c p m a 初始化图6 8 图4 13 上级单位a g e n t 初始化图一6 8 图4 1 4 区域中心a g e n t 初始化图一6 9 第1 v 贞 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1 5a g e n t 注册系统后过程木体图6 9 图4 1 6 协调中心白页服务图7 0 图4 1 7 区域中心建立协作前界面图一7 0 图4 1 8 区域中心建立协作后示意图一7 1 图4 1 9 作战单位建立协作后示意图7 1 图4 2 0 作战单位油量达到警戒线界面一7 2 图4 2 l 作战单位接受区域中心油量后界面7 2 图4 2 2 区域中心供油后界面图一7 3 图4 2 3 区域中心油量达到警戒线界面7 3 图4 2 4 上级单位监测区域中心油量并供油界面一7 4 图4 2 5 区域中心接受上级单位油量后界图7 4 图4 2 6c p m a 监控图7 5 图4 2 7b a t t l e u n i t 3 显示区域中心图7 5 图4 2 8a r e a l 保障图7 6 图4 2 9a r e a l 建立新协作保障图7 6 第v 页 独创性声明 衣人声明所襞碳绚学传论芝丝礁木，；t 譬簿巧譬一一趣矿的研究f 弘投戢芎黜钏 究或慝。尽貔所知，缘耋，。：杠辱眚残加缓棒强和设稍蛾剪铃治i ：乒疋银争葵俄人e ：； 经发袭扫撰写迓约焉干究疵震。侥平龟，台彬魏謦翟黪昼誓短承先学或其一一教窗祝扮约：挚 位线证书面使用e 蜂牟? 料。j ，乒j 曩；。 i j 墨峨t x j ：删一：箩照t7 # ? i - ：。j 融r 曩，弘渺j t l ：伫7 眭确的填，明彘矿谚龟， 学住谵囊魇譬 ： 墓于麓苗手焦点童里i 曼竺璺三蔓照璺曼互兔筮一 学位论文作孝签名：土五一。煎 翟嬲：。酣1 每j 文箕与习 学位论文版权使用授权书 本人党奎了缪缮i 船料譬覆带：膏譬：行蔓儇蛹锣谓学。皇玲戈彰规虿，笨，。援磁嬲 防稃学按拳大学弓阻 戛留并商西未? 勺兴一或韧，杉。毫砭琵j ：趁爱印仆干钉l j 于又挡允 许论克被务阅和僧陶；印芸将：，仨诊，约分部黟彤，勺露编? 、订：* 锨钐峰理0 j 硷嚅 霹以采用影f 经i ：f 或j 谨等宦制j ：黟传膏，葺辩：? ：二，冷 ( 锞锈学位龠文寰辫密需：；瑚： 、移 ，砖。) 学位论文题目：+ 蒸i 疰霪。鍪终鲍：叠蕊量g 魍 怂篓堕篓丝强震 学位沦文体嚣笞字；? 盏艟一黛 作考指导教师签名：主鳖j ! g 娥：疵盯寸7 年t = | 均f 暮 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 本文主要针对开放环境动态性、不可预测性的特点研究了异质a g e n t 协作问 题，结合语义w e b 和本体技术提出了一种支持异质a g e n t 协作的过程本体 d l o p ( d e s c r i p t i o nl o g i cb a s e dp _ _ r o c e s so n t o l o g y ) ；然后提出了一种基于过程本体异 质a g e n t 协作的模型h a c m ( _ h e t e r o g e n e o u sa _ a g e n tc o o p e r a t i o nm o d e l ) ；最后以高技 术战争条件下油料后勤联合保障为背景，对上述模型h a c m 的可行性和优越性进 行了实验验证，实验结果表明：该模型能够很好地支持和管理开放环境下异质 a g e n t 的协作，以实现跨组织跨地域系统间的互操作和资源共享。 1 1 研究背景 互联网的出现和飞速发展，给人类社会带米了翻天覆地的变化。百联网作用 的范围和影响不断扩大，已经深入到人们的学习、生活、工作、娱乐等各方面。 互联网使人们之间的信息交流不断加速，在给人们带来信息便利的同时，也带来 了巨大的挑战。面对互联网上的海量信息，人们对于适用于互联网的信息系统不 断提出更高的要求，希望互联网上的信息系统不是孤立存在的，而是能够相互通 信、协作、互操作和共享资源。 分布式人工智能和m a s 系统发展至今，其中困挠着研究人员和系统开发人员 的最大问题就是如何设计出具有高智能性的软件实体( a g e n t ) 像人一样通过协作来 共同解决复杂的问题。随着i n t e m e t 技术的普及，相继出现了p 2 p 计算、普适计算、 网格计算、语义w e b 和w e b 服务等新技术。它们都是试图提供给用户一个开放统 一的平台使得不同的用户能够通过互联网络实现无缝隙地共享和操纵计算资源， 这其中无不面临着异质实体之间有效地交换信息和协作问题。冈此，它们的发展 既需要a g e n t 协作技术的支撑，同时也促进了a g e n t 协作的发展。如语义w e b 与 语义w e b 服务提供了丰富的资源和服务功能描述，这为a g e n t 提供了具有语义信 息的交换语言，有利于a g e n t 准确搜索和操纵资源；同时，w e b 服务为多a g e n t 系统中的a g e n t 交互提供了参考架构。p 2 p 计算是为了实现基于网络点对点对等的 应用，随着p 2 p 系统的发展，应用a g e n t 协作技术可以提高对等点的自治级别和 提高p 2 p 系统对等点间的信任，有助于社会规范、社会准则和社会结构在p 2 p 系 统的推广。网格提供了高端计算机、网络、数据库和科学设备之间集成和协同应 用的基础架构，网格计算为a g e n t 协作提供了更加宽广的网络平台。这些新技术 将分布在互联网上的系统提供的功能看成服务，代理人或这些系统的a g e n t 可以 第1 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 自主地提供和消费这些服务，由于互联网是动态开放的，新的a g e n t 随时可以加 入和已存在的a g e n t 随时可以退出，这就带来了不确定性。a g e n t 一方面常常被设 计成代表服务提供者的利益，管理服务的访问和确保协议的履行；另一方面也被 设计成代表服务消费者的利益，查找和定位服务、调用服务、接受并展现结果。 因此，面对这些功能，a g e n t 常常要求具有交互、协商、对环境的变化能够预动地 作出实时决策、分配和调用资源的能力，尤其要具有与异质a g e n t 形成团队进行 协作的能力。 目前，对a g e n t 之间协作行为的研究基本可分成两大类，即主观协作( s u b j e c t i v e c o o r d i n a t i o n ) 和客观协作( o b j e c t i v ec o o r d i n a t i o n ) 。其中，主观协作根源于分布 式人工智能中的研究工作，认为协作是a g e n t 对自己和其它a g e n t 的行动进行推理， 从而使团体的行为保持一致连贯状态；主观协作主要从a g e n t 对待协作的主观心 智状态出发，研究各种协作方法并努力在a g e n t 内部实现这些方法。而客观协作 则主要根源于并行和分布式系统的研究工作，认为a g e n t 的协作行为应该和a g e n t 的内部计算过程分开对待，即采用专门的模型来刻画a g e n t 的交互空间。主观协 作方面的研究工作带来了各式各样的协作方法，如合同网【】1 、黑板系统【2 。4 j 、市场 机制、结果共享模型 5 1 、功能精确的协同【刚、多a g e n t 信念维护、多a g e n t 规划【7 j 、 多a g e n t 组织【8 】等。客观协作方面的研究则力图建立起描述协作行为的协作模型， 并采用协作者、协作媒介和协作规则来刻画协作模型。 面对开放环境下a g e n t 协作面对着新的挑战，由于动态开放环境具有不确定 因素，a g e n t 可以随时动态加入和退出环境，a g e n t 之间彼此不相识，a g e n t 无法 直接得知其他a g e n t 内部结构、心智、通信语言和能力等要素，这增加了a g e n t 协作的难度和不确定性。因此，开放环境下异质a g e n t 协作不能完全按照主观协 作那样根据a g e n t 对自己和其他a g e n t 的行为进行推理建立协作从而保证协作的一 致连贯性，a g e n t 协作只能按照客观协作那样通过协作媒介建立协作关系，遵循协 作规范进行协作。 在未来十年里，开放环境下异质a g e n t 协作研究的另一重要的发展趋势是与 语义技术的结合，目前语义技术的核心就是使用本体对论域里的概念、概念的属 性、概念间的关系、个体和公理等给出一个机器可理解的明确的规范说明，从而 通过为a g e n t 团队的管理和协作求解提供共享的语义基础设施来促进和管理异质 a g e n t 的协作。 计算机软件程序能够读懂和处理网络上资源的含义，资源就必须不仅提供语 法上的标注而且还需要提供无二义性地理解资源含义的语义，这样就出现了本体 技术。本体原本来自于哲学，涵义是对世界本源的认识，现在引进到计算机领域 中，含义是提供组共享的概念、属性、概念问的关系来彤式化客观世界的事物 第2 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 和发展规律 9 】。综合分析文献 1 0 l l 】中对本体的定义，我们认为本体的概念有以下四 层含义： ( 1 ) 概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：概念化是从特定日的出发对所表达的世界 所进行的一种抽象的、简化的观察。可以通过对客观世界中一些现象( p h e n o m e n o n ) 的抽象而得到，其表示的含义独立于具体的环境状态； ( 2 ) 形式化( f o r m a l ) ：有精确的数学描述，是计算机可读的； ( 3 ) 明确( e x p l i c i t ) ：概念、概念之间的联系及使用这些概念的约束都被明 确定义； ( 4 ) 共享( s h a r e ) ：本体中体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中 公认的概念集，它所针对的是团体而不是个体。 考虑开放环境中的异质a g e n t 协作问题，如果能把原来隐含在a g e n t 系统中的 对计算任务的一致理解和共享的问题求解过程框架采用本体技术给出显式定义 我们称之为“过程本体”，并发布在服务器上，作为异质a g e n t 协作的共享语义 基础，成为异质a g e n t 协作的协作媒介和协作必须遵守的协作规范。a g e n t 加入开 澈环境中，首先需要向过程本体注册自己的标志符、交互协议和能力，协作发起 方通过查询过程本体得到潜在协作者；然后与潜在协作者协商建立协作。由于过 程本体存储了对计算任务的一致理解和共享问题求解过程，也就规范了协作过程 ；中参与协作各方的任务和依赖关系。因此，过程本体可以作为协作各方遵守的协 ：作规则，参与协作的各方遵循过程本体就能够理解彼此的行为，从而保证协作的 _ 致性和连贯性。 “ 由于异质a g e n t 面向的开放环境随时间变化而变得不可预测，所以异质a g e n t 协作管理过程的研究不仅涉及到a g e n t 如何建立协作问题，而且更重要的是能够 实时监控异质a g e n t 协作过程，并能够对协作中出现的异常进行实时处理。这就 需要存在类似交易市场和仲裁机构这样的公共可信赖的具有权威的机构管理协作 过程。 虚拟网络环境下，电子交易的掀起随之出现了交易的安全和公平问题，解决 这些问题就必须要对交易过程进行监控管理。南于i n t e m e t 是最大的开放环境，所 以本课题研究的开放环境下异质a g e n t 协作管理技术对解决这些问题具有实际意 义。 现代战争的模式往往是陆、海、空、天、电磁多维一体的诸军兵种联合作战， 因此参战的单位也是跨区域、分散地分布在各个区域。如何实现和保证这些系统 之间无缝、无间隔地通信和共享资源是保证战争胜负的关键因素。实现这样的目 标首先需要一个可靠安全的互联网络，其次这些参战的信息系统之问具有明确的 语义基础。由于我军在信息化建设过程- 一i l 不同军兵种各行其是，没有统的数据 第3 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 标准，因此，这些信息系统之间往往很难实现互操作。本文提出了一种基于过程 本体的a g e n t 协作模型，它的实用基础是针对互不兼容、互不相识的智能体如何 实现无缝地协作。因此，我们只要在当前我军信息系统外层封装一个智能实件就 可以实现这些系统的互操作。所以，本文研究的异质a g e n t 协作模型对我军信息 化建设过程中实现系统之间互联互操作的目标，并最终实现指挥自动化和一体化 具有重要的参考价值。 1 2a g e n t 协作技术概述 建立多a g e n t 系统的目的在于解决由单个a g e n t 难以处理的复杂问题，即任务 在时间或空间上的复杂性超越了个体的能力，仅依靠个体行为是不可能、不经济、 不完整或不精确的。因此，协作成为多a g e n t 系统必不可少的行为。 协作是管理活动之间的相互依赖关系。然而在处理各种依赖关系时，有两类 主要的观点：一种将协作视为对工作的规划( p l a n n i n g ) ；另种则认为协作是在 特定情景下而采取的行为( s i t u a t e da c t i o n ) 【j2 1 。根据前一种观点，各种任务( 以及 相关实体，人、进程、智能a g e n t 等) 之间的协作问题，常常采用计划、脚本以 及各种定义良好的过程来对彼此之间的依赖关系进行管理，需要直接定义、控制 和维护任务之间的交互行为，确定各种任务之间的执行顺序、i 司步关系等，工作 流系统则是这种观点的典型例子。根据后。利一观点，即认为协作是情景行为，往 往较少地考虑事先定义好的协作过程，认为协作行为是特定环境的产物，强调协 作的即时性。这种观点将计划视为仅仅是采取某种行为之前对未来的一种预期， 以及采取行为之后对行为结果的总结和调整【l3 | 。 在多a g e n t 系统中，a g e n t 群体协作行为的协调度、系统的全局连贯性以及多 a g e n t 组织是否具有适应性，是关系到整个系统性能和开放性的核心研究内容，同 时也是衡量系统智能水平的重要指标。根据a g e n t 之间目标的关系以及协同 ( c o o p e r a t i o n ) 的程度，可将协作分为如下五种类型4 j ： ( 1 ) 完全协同型：系统中的智能体都围绕一个共同的全局目标，各a g e n t 没 有自己的局部目标，所有a g e n t 全力以赴地协作： ( 2 ) 协同型：系统中的a g e n t 具有一个共同的全局目标，同时各a g e n t 还由 于全局目标一致的局部目标： ( 3 ) 自私型：系统中不存在共同的全局目标，各a g e n t 都为自己的局部目标 工作，且目标之间可能存在冲突； ( 4 ) 完全自私型：系统中不存在共同的全局目标，各a g e n t 都为自己的局部 目标工作，并且不考虑任何协作行为； 第4 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 ( 5 ) 协同与自私共存型：系统中既存在一些共同的拿局目标，某些a g e n t 也 可能还具有与全局目标无直接联系的局部目标。 由于a g e n t 目标之间存在复杂的关系，使a g e n t 之间的相互作用呈现各种不同 的性质。一般来说，针对某一目标，a g e n t 之间的相互作用可分为有益的相互作用 和有害的相互作用。有益的相互作用是指a g e n t 之间的交互有益于目标的完成； 有害的相互作用是指a g e n t 之间的交互有损于目标的完成【| 4 】。例如，在协同型多 a g e n t 系统中，某些相互作用可能会提高局部目标的求解效率，而导致系统整体性 能的下降。 在多a g e n t 系统中，协作行为还可分为有组织地协作和自发地协作【1 4 】。其中 有组织地协作是指组织中的成员依据组织结构和组织制度相互协作完成组织目 标，这类系统通常是协同型或完全协同型；自发地协作是指a g e n t 根据自己的目 标、当前状态和长远利益寻求协作者，形成协作关系，协作对参与者都有利，这 类系统是自私型的。 在没有集中控制的情况下，自发协作十分困难，其原因在于难以产生自发协 作，可从如下两个因素分析其原因【l 5 1 。 首先，只有当协作对所有参与者都有利( 即能带来群体优化) 时，协作关系 才能建立，但协作的形式往往会牺牲个体的最优利益( 至少在某些近期利益上) 。 在自主a g e n t 构成的多a g e n t 系统中，当a g e n t 能够根据当前状态和历史信息决定 自己所采取的行动，并能认识到当前或长远利益上合作比不合作要好时，协作才 能成为a g e n t 共同的行为，然而，要做到这一点还很困难； 其次，协作是要花费代价的，自主a g e n t 在对是否协作进行决策时必须要考 虑这些附加费用。例如m a s 中的每一a g e n t 可通过如下的附加费用公式对是否协 作做出效用分析： c o s t c o = c o s t c o 。m + c o s t d 。i + c o s t s v i l c 其中，c o s t c o 为协作的总附加费用，c o s t c o m m 为协作的通信费用，c o s t d a ：i 为决 策费用，c o s t s ，。为同步费用。 可用下列公式描述协作的效用u 。： u 。= p 幸u 。+ ( 1 一p ) 乖u f a j l = p 书( b 。一c o s t 。) + ( 1 一p ) 木( 一c o s t 。) = p = i ：b 。一c o s t 。 这里，u ；。为协作成功的效用，u f a i - 为协作失败的效用，b 。为协作成功的收 益，p 为协作成功的概率。从而，a g e n t 协作与不协作的效用差u 为： ku = u u = p 书b - c o s t - u 第5 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 其中，u 。吒。为a g e n t 采取不协作策略的效用。由此可见，一个a g e n t 参与协 作的条件是其u i 0 协作的形成与优化意味着系统整体性能的提高。m a s 研究中，促使a g e n t 形 成大规模和复杂协作行为的方法受到广泛关注，促进协作从而提高系统性能的方 法主要有以下三种1 1 4 】： ( 1 ) 减少u 枷屯。这与m a s 的应用背景密切相关，当a g e n t 无法完成一个 任务时，u 。m 。o = o ，协作成为a g e n t 追求利益的必须行为，但一般情况下，a g e n t 需要在协作与不协作之间进行选择； ( 2 ) 增大p 。协作成功概率p 不仅由自主a g e n t 多样性的行为所决定，从某 种意义上，它与共享资源的分配及其他外界环境因素有关，通过如社会法规和类 市场机制等使系统范围内共享资源的分配在a g e n t 间趋于平衡，可增大p ； ( 3 ) 减少c o s t 。频繁通信的结果不但会直接导致系统整体性能下降，甚至 导致协作失败，过大的通信延迟一方面导致c o s t 。增大，另一方面也是信息的有效 性下降，因为环境可能在通信时发生改变，复杂的决策算法也可能产生类似的后 果。 在多a g e n t 系统协作过程中，还要考虑到全局连贯性( g l o b a lc o h e r e n c e ) c 1 6 ， 它是m a s 的整体性质，指m a s 系统作为一个整体如何协调行动，是全局目标求 解过程中各项性能指标更合理。这些性能指标包括求解能力、效率、解质量、协 作行为的可描述性、性能平滑衰减等。完全连贯性的获得只有当每节点都是具 有关于所有节点求解活动和意图的完整而精确的观点才能保证【1 6 】。因此，在实际 m a s 系统中保证完全连贯性是无意义的，系统一i 可能在各项性能指标方面都达到 最优。与全局连贯性相关的另一个概念是协调性，协调性是指一组a g e n t 完成一 些集体活动时相互作用的性质，协调程度表明各a g e n t 在达到主要目标过程中避 免有害相互作用和无关活动的能力，有效地协调蕴含着a g e n t 之间在一定程度上 可相互预测、减少冲突。 解决多a g e n t 系统连贯性的基本方法之一是消解协作中的冲突，协商是消除 冲突的重要手段之一，除此之外还包括下述方法【1 4 j ： ( 1 ) 假设覆盖方法。该方法中不一致性依赖于相应的假设； ( 2 证明推理及辩论。通过建造论据或建造有说服力的证据以改变被说服者 的意图、信念、偏好以及行为，从而产生有效的规划和解决方案； ( 3 ) 放宽约束。对于某些由于约束条件而引起的冲突，可通过放宽约束条件 或重构问题来消除矛盾： ( 4 ) 社会规范。规范是指某种共同的行为标准，当坚持这种社会规范时能避 免冲突，社会准则和标准有助于避免冲突，但可能会妨碍适应性。 第6 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 由n 。r j e n n i n g s 1 7 j 提出的基于承诺和约定的协作方法采用分布目标搜索的形 式化方法模型化的多a g e n t 系统，承诺( c o m m i t m e n t ) 指a g e n t 对承担一个特定 的行为序列所做的保证；约定( c o n v e n t i o n s ) 是指在变化的环境中监控承诺进展 状态的手段。前者提供了一定程度的可预见性，使a g e n t 能够在处理a g e n t 间依赖 关系、全局约束和资源冲突时，能估计其他a g e n t 的活动；后者为多a g e n t 系统在 动态环境下的协作提供了灵活性。 1 3a g e n t 协作研究现状及未来发展趋势 1 3 1 国内外研究现状 对协作模型的研究，最初来自于对协作理论的研究工作。m a l o n e 和c r o w s o n 发现自治实体之间的协作是一个普遍存在的问题，许多独立的研究领域和学科体 系内都对其进行了研究，如计算机科学、社会学、政治学、管理学、系统学、经 济学、语言学以及心理学等。因此，他们建立起专门的研究框架“协作理论 来 对自治实体之间的协作问题进行研究。他们认为，协作即管理各种活动之间的相 互依赖关系，因而，自治实体管理各种活动之间的相互依赖关系，也就是在进行 协作。 在多a g e n t 系统研究领域主要探讨了多a g e n t 系统中a g e n t 在协作上的整体性 质。研究内容包括m a s 的结构和组织、a g e n t 间的协调、连贯行为、协同、协商、 多a g e n t 规划、相互作用与通信等。 近年来在研究a g e n t 协作过程中引入语义和语义w e b 技术，其中国外著名研 究项目有s r i ( s t a n f o r dr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 组织的a i 中心的o a a 系列【l8 】；卡耐 基梅隆大学机器人学会( r o b o t i c si n s t i t u t e ) 中由s y c a r a 领导的软件a g e n t 实验室 ( t h es o f t w a r ea g e n t sl a b ) 研制的r e t s i n a 项目及相关工作【1 9 2 0 1 ；爱丁堡大学 人工智能学会( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ea p p l i c a t i o n si n s t i t u t e ，a i a i ) 的t a t e 提出的 模型和领导o p 3 项目及相关应用【2 1 ，2 2 】，如c o s a r t s 项目等；d e r i ( d i g i t a le n t e r p r i s er e s e a r c hi n s t i t u t e ) 组织的s w f 项目【2 3 ，2 4 】等，这几个项目各具 特色，非常具有代表性，下面进行具体分析。 o a a ( t h eo p e na g e n ta r c h i t e c t u r e ，开放a g e n t 体系结构) 是s r i 的a i 中心 开发的一个构造多a g e n t 系统的框架，其最新版本是2 0 0 5 年11 月4 日发布的o a a 2 3 1 版。o a a 提供了开发新a g e n t 、包装异质遗留系统和重用已有a g e n t 的技术 和方法，能够灵活创建动态的a g e n t 团队进行协作。在o a a 体系中有几种不同类 型的a g e n t ，其中f a c i l i t a t o r 是o a a 结构中的核心，它负责协调系统中其它a g e n t 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的通信和协作问题求解。o a a 中最引人注目的一个特点就足它将语义技术引进到 a g e n t 协作技术中：每个a g e n t 向f a c i l i t a t o r s 注册自己的能力规范说明；服务请求 者构造目标，并将之传递给f a c i l i t a t o r s ；f a c i l i t a t o r s 根据目标的语义和a g e n t 的能 力规范说明的语义来进行协作管理，使得合适的服务提供者a g e n t 的行为来满足 请求者的目标。 r e t s i n a ( r e u s a b l ee n v i r o n m e n tf o rt a s k s t r u c t u r e d i n t e l l i g e n tn e t w o r k e d a g e n t s ) 是一个开放的支持异质a g e n t 通信的多a g e n t 系统。与o a a 类似，r e s t i n a 系统中也由几种不同类型的a g e n t 组成，其中中介a g e n t ( m i d d l ea g e n t s ) 负责提 供服务请求者和服务提供者之间的语义匹配服务。r e s