（管理科学与工程专业论文）开放系统异质主体协作模型研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 对于主体之间协作行为的研究是开发智能协作信息系统的关键问题之一。协 作模型刻画了主体之间的交互空间，能够将主体的协作行为和内部计算过程进行 区分，能够专门对主体之间的协作行为进行描述，并有利于降低多主体系统的开 发复杂性。异质、开放系统主体协作模型则更进一步研究如何为开放环境中的异 质主体提供统一的协作媒介和灵活的协作方法。 本文首先回顾了关于主体之间协作行为研究的历史，并对两种主要观点之间 的区别进行了讨论。在此基础上，对协作模型的概念、研究内容和分类进行了介 绍。本文全面回顾了多种协作方法，并重点介绍了多种类l i n d a 协作模型。根据 分析，类l i n d a 协作模型具有较低的时、空间耦合特性，能够适用于异质、开放 系统主体之间的协作。 因此，本文根据类l i n d a 协作模型的思想，提出了基于w e bs e r v i c e a 的元组 中心组织( w e bs e r v i c e s b a s e dt u p l e c e n t e r so r g a n i z a t i o n ，w s t c o ) 协作模型。 本文详细了介绍该模型的体系结构、概念定义和计算过程。w s t c o 协作模型与 一般类l i n d a 模型的改进之处在于提出了将元组中心作为w e bs e r v i c e s 的思想、 面向主题协作的思想以及元组中心形成组织的思想。该模型具有良好的时、空间 非耦合性、开放性、可升级性、安全性以及异质系统集成能力。 最后考虑了一个旅行和旅游电子商务问题来说明w s t c o 协作模型的应用。 该模型能够为案例中开放系统的异质主体提供良好的协作支持。 关键词：主体协作模型智能文档主体w e bs e r v i c e s 元组中心组织 第1 页 ；：里堕墅兰垫垄奎耋塑鍪竺蹩兰堡垒塞 a b s t r a c t c o o r d i n a t i o na m o n ga g e m si so n eo ft h ek e yi s s u e si nd e v e l o p i n gi n t e l l i g e n t c o o p e r a t i v ei n f o r m a t i o ns y s t e m s c o o r d i n a t i o nm o d e l st h a td e s c r i b e st h ei n t e r a c t i o n s p a c ea m o n ga g e n t sc a nd i s t i n g u i s h t h ec o o r d i n a t i o nb e h a v i o ra n di m e r n a lc o m p u t i n g p r o c e s s e so fa g e n t s ，s ot h a tt h ec o m p l e x i t yi nd e v e l o p i n gm u l t i - a g e n ts y s t e m sc a n b er e d u c e da i d e d b y c o o r d i n a t i o nm o d e l s c o o r d i n a t i o nm o d e l sf o r a g e n t s i n h e t e r o g e n e o u sa n do p e ns y s t e m sm a yf l 】n l l e rp r o v i d et h o s ea g e n t s w i t hu n i f i e d c o o r d i n a t i o nm e d i aa n df l e x i b l ec o o r d i n a t i o nm e t h o d s t h et h e s i sf i r s tr e t r o s p e c t st h ea g e n tc o o r d i n a t i o nr c s e a r c hf i e l d sa n dm a k e sa c l e a r d i s t i n g u i s h i n gb e t w e e ns u b j e c t e d c o o r d i n a t i o na n do b j e c t e dc o o r d i n a t i o n ， w h i c hp r o v i d eab a s ef o rd i s c u s s i n gt h ec o n c e p t s ，r e s e a r c hc o n t e n t sa n dt a x o n o m yo f c o o r d i n a t i o nm o d e l s t h et h e s i si n t r o d u c e sm a n yc o o r d i n a t i o nm e t h o d sa n df o c u so n l i n d a - l i k ec o o r d i n a t i o n m o d e l s a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so fv a r i o u sc o o r d i n a t i o n m o d e l s ，l i n d a l i k em o d e l s a r es u p p o s e dt ob et e m p o r a l l ya n d s p a t i a l l yu n c o u p l e dt h a t h a s s p e c i a lf i t n e s sf o rc o o r d i n a t i o no f h e t e r o g e n e o u sa g e n t s i no p e n s y s t e m s t h e r e f o r e ，t h et h e s i sp r e s e n t saw e bs e r v i c e s - b a s e dt u p l e c e n t e r so r g a n i z a t i o n ( w s t c o ) c o o r d i n a t i o nm o d e la c c o r d i n gt ot h e l i n d a - l i k em o d e i s t 1 1 ew s t c oh a s b e e ni n t r o d u c e dd e t a i l e d l yi ni t sa r c h i t e c t u r e ，c o n c e p t sa n d c o m p u t i n gp r o c e s s e s t h e i n n o v a t i o ni d e a so fw s t c oa r e r e g a r d i n g t h e t u p l e c e n t e r s a sw e bs e r v i c e s ， s u b j e c t s - o r i e n t e d c o o r d i n a t i o na n d o r g a n i z a t i o n o f t u p l e c e n t e r s w s t c o c o o r d i n a t i o nm o d e li s t e m p o r a l l ya n ds p a t i a l l yu n c o u p l e dt h a t h a s a d v a n t a g e si n o p e n n e s s ，s c a l a b i l i t y , s e c u r i t y a n dt h e a b i l i t y f o r i n t e g r a t i o n o f h e t e r o g e n e o u s s y s t e m s f i n a l l yw s t c o h a sb e e n a p p l i e di nat r a v e la n dt o u r i s me l e c t r o n i cc o m m e r c e s c e n a r i o 1 1 1 ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tw s t c om o d e lc a np r o v i d eh e t e r o g e n e o u s a g e n t si no p e ns y s t e m s w i t hf a v o r a b l ec o o r d i n a t i o n s u p p o r t s k e yw o r d s ：a g e n t ，c o o r d i o n am o d e l ，s m a r td o c u m e n ta g e n t ，w e bs e r v i c e s ， t u p l e c e n t e r so r g a n i z a t i o n 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：五丝丞统显厦圭篮盐挂搓型丛究 学位论文作者签名：i 盘：盔 日期：立一。午午3 月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：五筮圣红是魔童签控经搓型盟盔 学位论文作者签名：2 圭! 磊日期：二。牛年j 月日 作者指导教师签名：垃! 茎i日期：a 叫年；月日 国防科学技术大学研究生院学位论文 图表清单 图2 1 根据作用、智能和移动性的三维空间描述智能主体 图2 _ 2 自治实体间的依赖关系 图2 3 协作模型的分类 图3 1w s t c o 协作模型体系结构 图3 2 元组中心组织 图3 3 智能文档主体的示意图 图3 4 用户的基本信息 图3 5 用户基本信息的d t d 文档 图3 6x m l 格式的用户信息转换为元组 图3 7 模板匹配读一个元组 图3 8 w s t c o 模型中的t c o 接口 图3 9 基本的共享数据空间协作模型 图3 1 0 主题类的定义 图3 1 l 元组中心里的r e a c t i o n t u p l e 图3 1 2 定义反应行为m o n i t o r 。 图3 1 3 元组中心发布为t c o s e r v i c e 图3 1 4 面向主题进行协作的过程 图3 1 5w e bs e r v i c e s 中的角色模型 图3 1 6 元组中心形成组织 图4 1 总体设计图 图4 2 用户信息本体的d t d 表示一 图4 3 用户信息的x m l 表示 图4 4 定义元组中心w e b s e r v i c e s 的服务接口 图4 5 元组中心w e bs e r v i c e s 的部署w s d d 文档 图4 6 自动生成的元组中心w e bs e r v i c e s 的w s d l 一 图4 7 用户输入界面 图4 8 定义访问远端元组中心的r e a c t i o n 元组 图4 9 存储订票信息 图4 1 0 订票过程p如孔”靳勰扣钒舵邪铂钉妈钳甜甜硒硒配傩凹为加 第一章绪论 1 1 引言 二十世纪末互联网的出现和飞速发展，给人类社会带来了翻天覆地般的变 化。互联网的作用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。 智能协作信息技术是二十世纪九十年代出现的个新的研究方向，主要由信 息系统、人工智能、数据库、软件工程、程序设计语言等多门学科相互渗透发展 而来，其目标在于集成人工智能( 包括分布式人工智能) 和信息系统技术，探讨 大型互联网络上智能协作信息系统( i n t e l l i g e n t a n dc o o p e r a t i v ei n f o r m a t i o n s y s t e m ，i c i s ) 的建造方法。 随着高性能计算机、快速信息交换网络、分布式人工智能、计算机支持的协 同工作、数据挖掘和数据仓库等高新技术的迅猛发展，协作信息系统越来越多地 出现在人类社会工作和管理的各个环节，帮助人们有效利用互联网信息进行学习 和工作。在这种协作信息系统中，相对被动的不同信息子系统或信息源被转换成 为智能主体( a g e n t ) 。基于主体的抽象方法为信息系统建模和具体软件设计提供 了一种新的范例，然而。主体所能掌握的信息资源和计算能力有限，因此在面对 大型复杂问题时，任务在时间或空间上的复杂性往往会超出单个主体的能力。随 着技术的成熟和日益复杂的应用问题，能够以对等方式进行通信的多主体系统 ( m u l t i a g e n ts y s t e m s ，m a s ) 逐渐成为新的研究热点。虽然每个主体获得的信 息可能是不完整的、不精确的或信息处理能力有限，但由于主体可以具有自主性 和社会性，所以主体之间能够相互作用，高效、透明地使用计算机网络上的所有 资源，协同解决由单l 主体无法解决的困难问题。近年来，对于主体和多主体系 统的研究不断深入，并广泛应用于商务、工业、军事、医疗、教育等领域。 多主体系统为解决大型复杂问题提供了模块化和抽象化的方法和工具。对于 一个复杂的问题域，可以开发大量具有特定功能的模块( 即主体) 来解决问题的 某个特定方面，并最终通过各个模块的协同工作来实现对问题整体的求解。因此， 对主体间协作行为的研究，成为建立复杂智能协作信息系统的基础。 关于协作理论的研究由来已久，而且涉及了多种不同学科，包括计算机科学、 人工智能、社会学、政治学、管理学、系统理论、经济学、语言学以及心理学等。 协作理论砑究了如何将总体目标分解为基本的求解行动? 如何将行动分派给团 队或个体? 如何在不同个体中分配资源? 如何在不同个体之间共享信息，以帮助 第1 页 国防科学技术火学研究生院学位论文 实现总体目标。协作即管理各种活动之间的依赖关系( i n t e r d e p e n d e n c i e s ) ，而协 作模型则是对相互依赖关系的总体进行的刻画。对于多主体系统而言，主体间的 协作模型则是指对于主体闯依赖关系的刻画，包括描述主体闯交互活动的空浏。 目前对主体之间的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 ec 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，认为协作是主体对自己和其它主体的行 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主体对待协作 的主观心智状态出发，研究各种协作方法并努力在主体内部实现这些方法。而客 观协作则主要根源于并行和分布式系统的研究工作，认为主体的协作行为应该和 主体的内部计算过程分开对待，即采用专门的模型来刻画主体的交互空间。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、黑板系统、市场机 制、功能精确的协同、多主体信念维护、多主体规划、多主体组织等。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。 此外，近年来互联网新技术的发展又给主体之间的协作模型提出了新的挑 战，使得主体之间的协作需要在一个异质、动态、开放的环境中进行。在众多的 协作模型中，由于类l i n d a 模型具有良好的时、空间非耦合特性，因此选择采用 类l i n d a 模型来支持互联网主体的协作行为。类l i n d a 模型能够为主体之间的交 互提供一个共享的数据空间，称为元组空间；主体可以将数据存放到元组空间中， 并利用模板查找、获取数据。由于主体可以使用元组空间存放数据，所以彼此之 间在交互时，可以不必将数据直接交给对方，因此主体之间的协作可以获得时间 上的非耦合性。此外，主体在从元组空间得到数据时，采用模板匹配机制，可以 减少对其它主体的认识，所以能够降低主体之间的空间耦合度。 虽然类l i n d a 模型能够降低主体之间的耦合度，但应用于互联网环境时，仍 然需要面对互联网上普遍存在的语言差异、平台差异、协议差异、数据差异等问 题。目前，为解决这些问题，产生了w e bs e r v i c e s 这种新的思路和各种相关技术， 并立即得到了迅猛的发展。w e bs e r v i c e s 的根本思想在于将各种软件组件看成是 一系列通过网络提供的服务，而把在互联网上的分布式计算，视为利用这些服务 构建的计算过程。 因此，考虑将类l i n d a 模型与w e bs e r v i c e s 思想相结合，将共享的数据空间 发布为一个w e bs e r v i c e s ，因此使得具有良好时、空间非耦合特性的协作媒介， 可以与任何其它w e bs e r v i c e s 一样，提供给主体使用。由于w e bs e r v i c e s 使用了 标准并通用的规范进行描述，所以无论是主体，还是其它组件、普通程序，都可 以用相同的方式访问类l i n d a 模型提供的共享数据空间。此外，w e bs e r v i c e s 中 采用了平台、语言无关的x m l 语言来描述数据，因此本文提出的模型中也提供 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 了对x m l 形式数据的支持。这样扩展而得到的模型，具有良好的平台和语言无 关特性，而其支持的数据、协议则符合规范、通用的互联网协议，因此可以作为 异质、开放、动态互联网环境中主体进行协作的良好媒介。 此外，由于类l i n d a 模型在交换数据时，仅仅采用模板匹配机制，无法进行 针对性的数据选择，纵然降低了主体之间的耦合度，却也使得主体之间无法进行 连续有针对性的数据交换，无疑限制了协作模型的适应性。因此，本文在协作模 型中引入了面向主题协作的思想，使得主体可以围绕某个主题进行数据交换。在 协作的过程中，主体仅仅利用以前通过模板匹配得到的数据来产生与其它数据的 关联性，因此不改变类l i n d a 模型的时、空间非耦合特性。 结合上述将元组空间发布为w e bs e r v i c e s 的思想，以及面向主题协作的思 想，可以将网络上分布的多个元组空间组织起来。本文正是通过这一思路提出了 w s t c o ( w e bs e r v i c e s - b a s e dt u p l e c e n t e r so r g a n i z a t i o n ) 模型。 w s t c o 模型能够适应于异质、开放、动态的互联网环境，并与主流的互联 网技术紧密结合，因此可以获得广泛的应用前景。 1 2 智能主体协作模型的概念及未来的发展趋势 本文将在第二章中详细论述智能主体协作模型的国内外研究现状。这里简要 介绍智能主体协作模型的概念及未来的发展趋势。 1 2 1 协作模型的概念 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。 在多主体系统研究领域主要探讨了多主体系统中主体在协作上的整体性质。 研究内容包括m a s 的结构和组织、主体间的协调、连贯行为、协同、协商、多 主体规划、相互作用与通信等。 对于主体之间协作行为的研究，主要从两个角度进行研究，即主观协作和客 观协作。主观协作从主体对于协作的主观认识出发，研究了各式各样的协作方法， 如合同网、黑板模型、市场机制、功能精确的协同、多主体信念维护、多主体规 划、多主体组织等。客观协作研究则力图将主体内部的计算过程和主体的协作行 为区分开来，建立起描述协作行为的协作模型。 g e l e m t e r 和c a r r i e r o ( 1 9 9 2 ) 在并行和分布式系统研究领域内提出：程序设 第3 页 国防科学技术大学研究生院学担论文 计= 计算+ 协作【l 】。w e g n e r ( 1 9 9 7 ) 则从更一般的角度，从概念上对于计算和协 作进行了区分，认为两者是编程语言的两个正交维度，并利用抽象机讨论了两者 的表达能力1 2 , l 。这些研究表明，主体的协作行为和其内部的讨算过程可以进行 区分。 协作模型的概念即来源于上述对于计算和协作的区分。综合许多研究工作 4 - 1 3 】( s a c ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ，2 0 0 0 ；c i a n c a r i n i & h a n k i n ，1 9 9 6 ；g a r l a n l em c t a y e r , 1 9 9 7 ；c i a n c a r i n i & w o l f1 9 9 9 ；o m i c i n i ，z a m b o n e l l i ，k l u z h ，& t o l k s d o 吒2 0 0 0 ) ，协 作模型主要指用于模型化( 主体) 交互空间的概念框架。更准确地说，一个协作 模型主要包含如下三个概念( c i a n c a r i n ie ta 1 ，2 0 0 0 ) ： 协作模型= 协作者+ 协作媒介+ 协作规则 1 2 2 发展趋势 1 _ 互联网主体的协作模型研究 协作模型主要为各季中自治实体之阅的协作服务，尤其为多主体系统中的主体 间协作提供支持。而目前多主体系统越来越受到互联网异质、开放、动态环境的 影响，因此，研究能够适应于互联网主体的协作模型，将一直伴随着互联网主体 的研究工作向前发展。 2 挤作模型与互联网技术的综合集成 研究适应于互联网主体的协作模型，自然需要与互联网上的各种技术进行综 合集成，因此，研究各种互联网技术对于协作模型的影响，也是未来的发展趋势。 目前，x m l 技术正影响着互联网发展的各个方面。也出现了x m l 文档主体的 研究工作，因此如何将x m l 技术深入应用到协作模型中，也是个值得研究的 问题。几乎所有现在的各种协作模型，对于x m l 形式数据的支持能力都不好。 3 协作模型的实际应用研究 目前。国内外对汝作模型研究大帮还鲑子开发原型系统阶段。虽然也有少量 协作模型在工业、商业领域内得到应用，然商木多数协作模型，仍停留在原型系 统阶段。此外目前大多数多主体系统的开发，缺乏对于协作模型的认识，因此需 要研究如何将协作模型和实际多主体系统的开发相结合。协作模型的实际应用研 究，还应该包括协作模型软件工程开发方法，只有与开发实际系统的软件工程方 法相融合，才能使协作模型应用于实际系统，并对多主体系统的开发产生影响。 1 3 本文的主要研究内容和组织结构 1 3 1 本文的主要研究内容 本文结合有关课题，对协作模型中的关键技术进行了研究和分析，并根据当 前互联网上对于分布式计算的研究趋势，主要进行了以下几方面的研究： 1 协作模型的概念和研究现状 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 本文深入探讨了协作模型概念上的来源，对协作理论、主观协作、客观协作 等方面的研究工作进行了介绍，并介绍了协作模型的定义和分类。在此基础上， 介绍了多种实用的协作方法，并着重对类l i n d a 协作模型进行了讨论，介绍了多 种类l i n d a 模型。 2 提出了w s t c o 协作模型 本文在对类l i n d a 模型分析的基础上，根据互联网异质、开放、动态环境的 需求，提出了w s t c o 协作模型，并从协作者、协作媒介和协作规则三个角度对 其进行了详细介绍。 3 w s t c o 协作模型的应用 本文讨论了旅行和旅游电子商务的领域特性，并提出了未来的发展方向。根 据需求，本文用一个实际的案例说明了协作模型的一种应用，研究了w s t c o 模 型在实际应用过程中的开发方法和技术。 1 3 2 本文的结构 f 本文共分为五章，具体结构如下： 第一章绪论首先描述了研究互联网主体协作模型的意义，并介绍了 w s t c o 模型的思想，然后简略回顾了协作模型相关的研究工作和发展趋势，最 后指出本文的主要研究内容和创新点。 第二章智能主体协作模型分析首先对主体技术和多主体系统进行了介 绍，然后介绍协作理论研究内容，并主观协作和客观协作进行了比较和区分。在 此基础上，研究了协作模型的概念和分类，并从主观协作和客观协作的角度，详 细介绍了协作模型的相关研究工作。最后分析了互联网给协作模型提出的挑战和 适应于互联网环境的协作模型特点 第三章 大型互联网络上的异质主体协作模型首先提出w s t c o 协作模型 的概念并从总体上介对该模型内容进行了介绍。然后分别从协作者、协作媒介和 协作规则的角度详细介绍了w s t c o 模型的各个方面。最后介绍了w s t c o 模型 的形式化表示，并对该模型的特性进行了分析。 第四章w s i c o 模型在旅行和旅游电子商务中的应用首先分析了旅行和 旅游电子商务的特点和未来发展趋势，然后通过一个具体的实例，来说明 w s t c o 模型在旅行和旅游电子商务中的应用，充分说明w s t c o 模型对于互联 网主体协作的作用。 第五章结束语总结全文，并提出今后工作的研究方向。 1 4 本文的创新点 本文主要的创新点： ( 1 ) 提出了w s t c o 协作模型，并提出将元组中心发布为w e bs e r v i c e s 的 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 思想。 ( 2 ) 对w s t c o 模型中的元组中心操作原语进行了扩展。引入的原语弥补 了元组匹配机制中的不确定性问题， ( 3 ) 将w s t c o 协作模型具体应用于电子商务领域，研究了旅行和旅游电 子商务的未来发展前景，并因此证明了w s t c o 协作模型的应用价值。 第6 页 第二章智能主体协作模型分析 本章首先介绍了主体和多主体的概念、研究内容。然后对协作模型的研究历 史进行了回顾，详细介绍了主观协作和客观协作之间的区别。在此基础上，本章 讨论了协作模型的概念、分类。本章随后全面介绍了多种协作方法，并重点介绍 了许多类l i n d a 模型。最后讨论了互联网给智能主体协作模型带来的挑战。 2 1 智能主体与多主体系统 2 1 1 主体的概念 主体技术是一个迅速发展的研究领域，专家们指出：在十年之内大部分信息 技术的发展都将受到主体技术的影响，并且许多消费产品将会含有嵌入式主体系 统1 1 5 1 。 主体的概念源自人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 学科。早期的人工智 能研究主要基于物理符号假设的思想，它的主题是智能任务可以通过对问题的符 号化内部表示进行操作的推理过程来实现，推理过程及内部表示构成了主体的最 初轮廓。随着硬件水平的提高和计算机科学理论的进一步完善，主体的能力不断 加强，能模拟人越来越多的思维和行为。七十年代末，人工智能研究者又开始了 合作、分布的多主体系统的研究工作。近年来，在软硬件领域，并行计算和分布 处理技术的研究都取得了很大进展，使得早期研究者探索的一些主体问题，已在 许多新领域广泛展开，如分布式人工智能、机器人学、人工生命、分布式对象计 算、人机交互、智能和适应性界面、智能搜索和筛选、信息检索、知识获取、终 端用户程序设计等。 随着各种各样“a g e n t ”的出现，在术语使用上却存在混乱，目前学术界仍 没有对“a g e n t ”的确切含义达成一致意见。例如：某些程序被称作主体仅仅是 因为它们能够被预先调度并能在远程机器上完成任务( 类似于早期一个主框架中 的批处理工作) ：某些程序是因为它们完成低级计算任务同时能够用高级程序设 计语言编程；某些程序是因为它们抽象或封装了信息源或计算服务之间不同的细 节；某些程序是因为它们实现了一个基本的或多个“认知功能”【1 q 某些程 序是因为它们显示了分布智能的特性【l 日；某些程序是因为它们在人和程序之间 起着中介职能；某些程序是因为它们完成“智能助手”的作用【18 】；某些程序是 因为它们能够以自引导的方式在计算机之间移动f 1 9 】；某些程序是因为它们作为 可信任的特点出现在用户面前；某些是因为它们“说”一种主体通信语言【2 0 】： 某些程序是因为它们具有意图、心智状态等性质【2 “。 关于主体的定义主要有三种定义：理想主体、智能主体和软件主体。理想主 体是一种能完全按照人的意识进行计算工作的主体。由于这一点还较难于实现， 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 我们把能在某一环境中运行，并能响应环境的变化，灵活、自主地采取行动，以 满足其设计目标的计算实体，称作智能主体。软件主体是从软件设计的角度研究 “a g e n t ”，它的一般定义是“主体是一种在特定环境中连续、自主地运行的软件 实体，通常与其他主体一起，联合求解问题【2 1 。 倡导研究软件主体的另一种观点，类似于早期对面向对象的研究，将其作为 设计和实现软件系统的新范例。正如一些算法用面向对象的表示形式比用过程的 形式更易于表达和理解，有时对开发者和用户来说根据主体来设计程序的行为 比各种对象更容易。 2 1 2 主体的性质 通常主体具有如下属性2 3 】： ( 1 ) 反应性( r e a c t i v i t y ) ：有选择地感知和行动的能力。 ( 2 ) 自主性( a u t o n o m y ) ：目标引导的、预动的( p r o a c t i v e ) 和自启动的行 为。 ( 3 ) 合作( c o l l a b o r a t i o n ) 行为：能与其他主体协调工作以完成共同的目标。 ( 4 ) “知识级”通信能力：能够与人或其他主体通信，并采用类似于人类 交流使用的基于s p e e c h - a c t 理论的通信语言，而非一般的符号级程序对程序的 协议。 ( 5 ) 推理( r a t i o n a l i t y ) 能力：能够使用预先了解的一般目标的知识，根据 抽象任务说明采取行动，并能选择方法以获得灵活性；除具有已知信息外，可能 还具有关于自己、用户、当前态势和其他主体的明确模型。 ( 6 ) 时态连续性( t e m p o r a lc o n t i n u i t y ) ：在较长时间区间内，身份与状态的 长期保留( 指一系列事件的存储) 。 ( 7 ) 个性：能够表现出“性格特征”，如感情、偏好等。 ( 8 ) 适应性( a d a p t i v i t y ) ：能够根据经验学习和改进。 ( 9 ) 移动性( m o b i l i t y ) ：能够以一种自引导的方式从一个主机平台移至另 一个主机平台。 2 1 3 主体的分类 主体研究学术界根据主体属性的各种组合形式，已提出各种分类的标准和分 类方法。例如：a i 研究者通常根据智力强弱来区分不同主体，智力较强的主体 通常被设计成具有明确的心智、情感等【20 1 ；在分布式人工智能( d i s t r i b u t e d a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，d a i ) 学术界，m o u l i n 和c h a i b d r a a 等人根据问题求解能 力来分类主体【1 7 】：n w a n a 等人则根据特性和功能分类主体2 4 1 。 i b m 公司的g i l b e r t 等人1 9 9 5 年根据作用( a g e n c y ) 、智能和移动性的三维 空间来描述智能主体，见图2 1 。作用是主体被赋予的自主性和权限的程度，并 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 至少能够根据主体与系统中其它实体之间交互的性质定性测度。在最基本的情况 下，主体必须能够异步运行，如果一个主体能以某种方式代表一个用户，则作用 度被增强，更为先进的主体能够与数据、应用、服务或其他主体交互作用。智能 是推理和学习行为的程度，指主体具有接收用户关于目标的表述并能完成委托给 它的任务。在最基本的情况下，能够有一些选择的描述；更高级的模型包括一个 用户模型和推理：更进一步的智能是系统对环境的学习和适应能力，学习和适应 是根据用户的目的和主体的可用资源来进行。移动性是主体本身在网络上移动的 程度，移动剧本是在一个机器上构成剧本，并运至另一台机器上执行，移动对象 则是在执行过程中能够从一台机器移至另一台机器，移动的同时携带所积累的状 态数据。 m 。b i l i t y 图2 根据作用、智能和移动性的三维空间描述智能主体 2 1 4 多主体j j 统的出现 随着技术的成熟和日益复杂应用问题的提出，对以对等方式进行通信的多主 体组成的系统的需求正变得日益突出。多主体系统( m u l t i - a g e n ts y s t e m s ，m a s ) 设计和有效实施的关键技术正是分布式人工智能领域已研究多年的问题。 研究人工智能技术的目的在于解决大型、复杂的现实问题，而解决这类问题 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 已超出了单主体系统的能力。一个智能主体的能力受其知识、计算资源及其与其 他主体相互关系的限制。这种受限推理是建立问题求解组织的基本原因之一。通 常，处理复杂事务最有力的工具是模块化和抽象化，多主体系统提供了模块化的 能力。如果一个问题域十分复杂、庞大或不可预测，那么解决该问题的唯一方法 是开发大量有特殊功能的模块化成份( 即主体) 专门用于解决问题的某个特定方 面。这种分解使每一主体都采用最恰当的范例解决相应的特殊问题，当出现相互 关联的问题时，系统中的各主体必须相互协调，以确保正确处理这种相关性。 2 1 5 多主体系统的研究内容 多主体系统定义为由分布在网络上的多个问题求解器松散耦合而成的大型 复杂系统，这些问题求解器相互作用以解决由单一个体的能力和知识所不能处理 的复杂问题。 1 多主体系统的典型特性 ( 1 ) 每一主体具有有限信息资源和问题求解能力，缺乏实现协作的全局观 点。 ( 2 ) 系统不存在全局控制，即控制是分布的。 ( 3 ) 知识与数据都是分散的。 ( 4 ) 计算是异步执行的。 2 多主体系统的研究内容 m a s 涉及到的研究范围比较广，可以从不同方面进行探索。以下主要从四 个方面进行说明： ( 1 ) 关于主体的研究：主要探讨多主体系统中各类主体的结构、知识、行 为等个体方面的性质。 ( 2 ) 关于多主体系统群体协作技术的研究：主要探讨多主体系统的整体性 质。研究内容包括m a s 的结构和组织、主体间的协调、连贯行为、协同、协商、 多主体规划、相互作用与通信等。 ( 3 ) 关于一些特定的系统组织方法的研究：如开放系统、多主体组织设计、 类市场机制、自主主体、智能协同的信息系统等。 ( 4 ) 关于设计与开发方法的研究：如建造m a s 、测试床、设计工具以及 m a s 应用的方法与实现技术等。 2 1 6 多主体系统的分类 根据不同的分类标准，可将多主体系统进行不同的分类，下面简要介绍按控 制结构的分类。 按多主体系统的控制结构可将多主体系统分为三类： ( 1 ) 集中控制：由一个中心主体负责整个系统的控制、协调工作。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 2 ) 层次控制：每个主体控制处于其下层的主体的行为，同时又受控于其 上层的其他主体。 ( 3 ) 网络控制：由信息传递构成的控制结构，且该控制结构是可以动态改 变的，可以实现灵活控制。 2 2 协作模型综述 资源共每夏磊- i 主三奚薹- 淞务 资源共享荧系生产者，消 i 旃j 曼堡罗任务芋任务 赞者关系 粟苯泰 荚添 个 先癸曼擀传趣 可赢性 图2 2 自治实体间的依赖关系 图2 , 2 中，m a l o n e 和c r o w s o n 对各种活动中的依赖关系进行了总结。这些 依赖关系主要包括：资源共享关系、生产者消费者关系、同时性约柬关系、任 务子任务关系等。其中，生产者消费者关系又可以细化为先决条件豹束、传递 和可用性等。 ( 1 ) 资源共享关系：当一些活动需要共享某些有限资源时，则需要制订特 定的资源分配策略来处理这种资源上的共享关系。这种资源共享关系以及资源分 配策略是很多学科中的重要研究问题。例如计算机科学中需要研究如何给各种计 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 算实体分配软、硬件资源。多线程操作系统中常常需要讨论计算单元( 如处理器、 输入输出设备等) 的分配策略和算法。网络带宽也是常见的有限共享资源，路 由器台句研究工作中，带宽的分配策略一直都是重点。 ( 2 ) 生产者消费者关系：对于两种活动而言，其中一种活动的结果作为产 品，被另一种活动所使用。这种生产者消费者关系，如果关注活动之间的顺序， 则可以体现为先决条件约束；如果关注活动之间对于产品的传递过程，则体现为 传递关系；如果关注生产和使用产品中，生产者和消费者关于产品使用上的共性 认识问题，则体现为产品可用性上的依赖关系。具体而言： 先决条件约束：即某些活动的先决条件是另一种活动的产物。这种 关系表达了某些活动在时序上的依赖关系。 传递：即某种活动作为生产者，其产品往往需要传递给另一种作为 消费者的活动。上述先决条件关系表达了活动之间的顺序问题，而这 里传递则关注活动之间在传递某些产品中的传送机制问题。例如采用 临界区处理进程之间的通讯问题；i 网络上传递某些特定的“产品”也 往往需要各种不同的网络协议，例如传送超文本文档的h t t p 协议、 传送各种文件的f t p 协议、用于流媒体播放的各种协议等。活动之间 若需要传递产品，往往不可避免的需要解决生产者或消费者的寻址、 定位以及收发协议等各种问题。 可用性：由于一种活动需要使用另一种活动的产品，则双方往往需 要对如何使用产品达成一定的共识。生产者需要保证其产品可以被消 费者使用。而消费者则需要能够正确使用产品。标准化方法常常用于 处理这种依赖关系，即生产者和消费者往往需要对产品达成一定的共 识，并把这种共识制订成特定的 萄；准。生产者需要保证其产品符合标 准，而消费者则可以根据标准对产- 品进行使用。这种标准化方法在计 算机学科中极为常见，例如各种消息的语法、语义等。 ( 3 ) 同时性约束关系：即某些活动需要在某个时间点上同时发生( 或者不 允许同时发生) 。程序设计中即常常需要处理这种同时性约束关系，例如进程之 间的同步阔题等。 ( 4 ) 任务子任务关系：这种关系表达r 某种任务的层次分解，即主要任务 依赖于子任务的完成。这种关系有些类似手上述的生产者消费者关系，然而这 里明确表达了多个任务之间的层次关系，而处理这种关系时往往需要考虑任务的 分解、子任务的分配等各种问题。其实在各神予任务之间，则可能涉及上述的各 种关系，如共享资源、先决条件、同时性约束等。 关于协作的含义分析，具体可以参见 2 5 】。以上分析了协作概念以及自治实 体各种活动之间的相互依赖关系，雨协作，则是对这些依赖关系的管理。这些自 第1 2 页 里堕型兰丝垄奎兰堑窒兰堕兰堡篁茎 治实体，可以是主体、进程：个人等，而我们将在智能主体和多主体系统的语境 中对协作问题进行讨论。 2 2 2 主观协作与客观协作 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 ) ：另一种则认为协作是 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 ) 【2 “。根据前一种观点，各种任务( 以 及相关实体，人、进程、智能主体等) 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、同步关系等。工作 流系统则是这种观点的典型例子。根据后一种观点，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【2 ”。 上述两种观点的对比可以体现为规划悖论( p l a n n i n gp a r a d o x ) ：一方面，由 于实际工作中可能出现各种意外情况，则情景行为是比较合适的观点计