（测试计量技术及仪器专业论文）分布式测试系统协作理论及其通信平台实时性研究.pdf

电子科技大学博士论文 摘要 随着计算机技术和网络技术的不断发展，在自动测试领域，分布式测试 系统的研究成为倍受关注的热点问题之一。但是，现有的分布式测试系统解 决方案存在较大的局限性，其能力也有待于进一步提高。本论文以“九五” 国防科技预研项目“测试系统的分布式结构及网络化技术”以及中国航空一 集团涡轮燃气研究所重点项目“飞机发动机高空台分布式综合测试系统”为 背景，重点对分布式测试系统的协作机制以及通信平台实时性等问题进行了 深入、系统的理论研究和实践探索。 全文的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 研究了智能体理论、分布式测试系统以及已有分布式测试系统解 决方案，在此基础上，建立了一种基于智能体的分布式测试系统 结构模型，该结构模型包括智能体的分类和功能、测试软总线的 结构和功能以及对智能体之间动态通信的描述。 ( 2 ) 根据粒子群优化算法的基本原理，提出基于粒子群优化算法的智 能体测试系统联盟形成以及测试子任务优化分配算法。仿真实验 表明，该算法明显优于以前同类算法( 如遗传算法) 。此外，对常 用的两种结果合成算法进行了分析、比较和改进。改进的算法对 于结论合成问题，不仅可充分利用已有结果，而且在一定程度上 解决了肯定和否定失效问题。 ( 3 ) 针对智能体测试系统，首先从系统的角度，建立了系统的广义模 型，分析系统的稳定性；然后从协调控制的角度，利用f c m 建 立了系统支持度的模型，并在该模型的基础上，采用一种新颖的 协作决策策略，证明其协作控制稳定性；最后从联盟形成的角度 分析了联盟的稳定性，并进行了动态一致性论证。 ( 4 )研究了传统e t h e r n e t 原理和运行机制以及交换式e t h e r n e t 工作原 理，并对交换e t h e r n e t 的性能进行了分析。针对交换式e t h e r n e t 的不足，优化了一种基于反馈控制原理的实时调度算法。实验证 摘要 明，该算法能够有效地解决交换式e t h e r n e t 的实时性，满足分布 式测试系统实时通信的需要。 ( 5 ) 结合“飞机发动机高空台分布式综合测试系统”项目，基于上述 理论，设计并实现了一个基于智能体的飞机发动机分布式测试系 统。其运行的结果验证了解决分布式测试系统中协作机制和通信 平台实时性方法的有效性和合理性。 关键词：分布式测试系统，智能体技术，群集智能，粒子群优化算法， 协作模型，交换式e t h e r n e t ，实时调度，飞机发动机 电子科技大学博士论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e t e c h o l o g y o f c o m p u t e r a n d n e t w o r k ， r e s e a r c h i n go nd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ts y s t e mb e c o m e s o n eo ft h eh o tp r o b l e m s i nt h ef i e l do fa u t o m a t i ct e s t h o w e r v e r ，e x i s t i n gr e s o l u t i o n st od i s t r i b u t e d m e a s u r e m e n t s y s t e m s t i l lh a v e g r e a tl i m i t ，e gi n t e l l g e n c e ，s e l f - a d a p t i v i t y ， c o l l a b o r a t i o n ，s y s t e ml o a db a l a n c ea n di n t e g e rv i e w , a n d t h e i rc a p a b i l i t i e sn e e dt o b ee n h a n c e d b a s e do nt w ok e yp r o j e c t ，t h i s p a p e rs t u d y s o nc o l l a b o r a t i o n m e c h a n i ma n dr e a l t i m eo fc o m m u n i c a t i o n p l a t f o r mi nd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t s y s t e mc o m p r e h e n s i v e l ya n ds y s t e m a t i c a l l y t h ed e t a i ld i s c u s s i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a c r r o d i n g t ot h ea g e n t t h e o r nt h ef e a t u r eo f d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t s y s t e ma n de x i s t i n gr e s o l u t i o n st o d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ts y s t e m ， d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do na g e n ti se s t a b l i s h e d i nt h i s m o d e l 、c l a s s i f i c a t i o na n df u n c t i o no fa g e n t ，s t r u c t u r ea n df u n c t i o no f t e s ts o f l w a r e b u sa r e g i v e n o u t a tt h es a m e t i m e ，d y n a m i c c o m m u n i c a t i o na m o n ga g e n t si sd e s c r i p t e d ， ( 2 ) b a s i n g o np a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ，t h i sp a p e rg i v e s t h ea l g o r i t h m o uc o a l i t i o nf o r m a t i o na n dt h es u b t a s ka l l o c a t i o ni nt h ea g e n t b a s e d d i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ts y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a t i ti si na d v a n c eo f g e n e t i ca l g o r i t h m m e a n w h i l e ，f o rt h es y n t h e s i s o f b e l i e fd e g r e s si nt h es y s t e m ，ar e c u r r e n c ea l g o r i t h mi sg i v e n i tn o t o n l yt a k e s f u l l a d v a n t a g eo fe x i s t i n gr e s u l t s ，b u t a l s oo v e r c o m e s p r o b l e mo fp o s i t i v e a n dn e g a t i v ei n v a l i d a t i o n st h a te x i ti nc u r r e n t a l g o r i t h m ( 3 ) f o ra g e n t - b a s e dd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ts y s t e m ，f i r s l yf r o mt h e o v e r a l ls y s t e mp o i n to fv i e w , b r o a dm o d e lo fs y s t e mi se s t a b l i s h e d ， a n dt h e ns t a b i l i t yo fs y s t e mi sa n a l y z e d ，s e c o n d l y ，s u p p o r tm o d e lo f a b s t t a c t s y s t e mi s s e tu pb yf c ma n dan e wc o o b r a t i o ns t r a t e g yi sd e s c i b e d a n d p r o v e d f i n a l l y ，w ea n a l y z es t a b i l i t y o fc o a l i t i o nf o r m a t i o n s y s t e m a t i c a l l y ( 4 ) af e e d b a c kc o n t r o lr e a l t i m e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m f o rs w i t c h e d e t h e r n e ti s o p t i m i z e dt h r o u g ha n a l y s i s i n g r e a l - t i m eo ft r a d i t i o n a l e t h e r n e ta n ds w i t c h e de t h e r n e ta c c u r a t e l y t h et e s tr e s u l t si l l u s t r a t e t h a tt h i sa l g o r i t h mc a ns o l v er e a l - t i m eo fs w i t c h e de t h e r n e te f f e c t i v e a n ds a r i s f yt or e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n ( 5 ) c o m b i n e dw i t hap r o j e c to fd e v e l o p i n gt h ea e r o e n g i n es i m u l a t e d a l t i t u d ef a c i l i t yd i s t r i b u t e dt e s ts y s t e m ，a n db a s e do na b o v e t h et h e o r y i tv e r i f i e sc o l l a b o r a t i o nm e c h a n i s ma n dr e a l t i m eo fc o m m u n i c a t i o n p l a t f o m e f f e v t i v e k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e d m e a s u r e m e n ts y s t e m ，a g e n tt e c h n o l o g y s w a r m i n t e l l g e n c e ，p a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，c o l l a b o r a t i o nm o d e l ， s w i t c h e de t h e r n e t ，r e a l t i m es c h e d u l i n g ，a e r o e n g i n e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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。 签名：2 显塾 日期：二伽幸年6 月卑日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：氆地导师签名：垄壅查墅 日期：卯v 年由月辱日 电子科技人学博士论文 第一章绪论 测试系统的任务是测量、传输、存储管理、分析处理和显示客观世界中 待测信息或事件物理性能参数。随着现代科学技术的飞速发展，特别是二十 世纪九十年代以来，网络技术的快速发展，分布式测试应用日益增多，现代 测试系统的复杂度日益提高，而目前的网络化测试系统普遍缺乏协同工作能 力，且实时性能也不尽人意，严重影响了系统的性能。因此，研究分布式测 试系统的协作机制和通信平台的实时性对于发展现代测试技术具有重要的理 论价值和现实意义。 1 1 研究背景及意义 随着g p i b ( i e e e4 8 8 ) 、v x i 、p x i 、m x i 、i e e e1 3 9 4 、u s b 等仪器总 线以及以l a b v i e w c v i 为代表的各种虚拟仪器开发软件的问世，人们逐渐摆 脱由硬件构成仪器再构成系统的概念，进而转换为由计算机资源、硬件模板 ( 如a d 、d a 等) 和应用软件三部分组成的“虚拟仪器”2 1 。测试仪器 的功能不再由开关和按钮的数量来限定，而是由计算机存储器内所装的软件 求限定，用户根据需要可灵活定义测试系统。随着自动测试系统不断向模块 化、标准化以及智能化方向发展，计算机逐渐成为现代自动测试系统的核心， 这便是基于计算机的自动测试系统。 “计算机就是仪器”、“软件就是仪器” 3 “】，给测试系统带来了新的发 展思路，是测试领域的一次飞跃。但是，基于计算机的自动测试系统本质上 仍是计算机集中控制的测试系统，整个系统的计算能力集中在一个计算单元 中，其通信距离、可靠性、容错性以及扩展性等性能受到限制，测量过程之 m 缺乏合作。随着被测对象的日益复杂，特别是在航天航空、气象、环境监 测、制造等领域，其地域高度分散、信息量巨大，为完成实时测控和信息处 理，使得测试系统中各测试点之间以及测试点与中央管理计算机之间的信息 交换量越来越大，配合也愈来愈密切。另外，测试环境的多样化和复杂化， 如高温、低温、恶劣的电磁环境、强噪声环境及特种环境等，也使得集中测 试越来越不能满足复杂、远程( 异地) 和范围较大的测试任务的需求1 5 j 。因 第一章绪论 此，组建网络化的测试系统就显得非常必要。 j f 如计算机技术给测量自动化所带来的变革一样，网络技术为测量自动 化体系结构也带来了深刻的变革，提出“网络就是仪器”【”。通过网络技术， 原有的基于计算机平台测量体系中的基本组件，根据应用的需要分布到其各 自适应的地方，促使测试系统由功能单一、地域集中型向功能综合、地域分 仰型转变，逐步向分布式测试集成应用方向发展。如美国推出的基于分布式 环境的新一代计算机测试系统就具有如下的特点【7 8 】： ( 1 ) 采用积木式结构，各功能模块化、标准化，使系统具有很强的扩 展能力。 ( 2 ) 处理机内部以及各子系统的互连采用标准总线或通信网络构成 分布式系统，并实现测试数据的实时处理。 ( 3 ) 采用硬件预处理机，使大部分数据运算处理，如数据压缩、工程 单位转换等由预处理机来完成，从而减轻主机负担，提高系统的 实时性。 ( 4 )多数据流输入，可以满足不同类型数据接口，使分布式测试系统 可以为多种测试任务服务。 2 1 世纪的测试系统将是遵循开放体系标准，以软、硬件技术为基础，计 算机为核心网络通讯为支撑( 如图1 1 所示) ，同时，随着普适计算 ( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 和按需计算( o n d e m a n dc o m p u t i n g ) 等新的计算 模式的出现分布式测试系统必将成为测试系统的一个重要发展方向【9 _ 1 0 1 。 测量 智能仪 下一代传 图l - im c2 三维图 通信 电子科技大学博士论文 1 。2 分布式测试系统定义 定义1 1 ：分布式测试系统是指通过局域网和i n t e r n e t ，把分布于各测点、 独立完成特定功能的测量设备和测量用计算机连接起来，以达到测量资源共 享、分散操作、集中管理、协同工作、负载均衡、测量过程监控和设备诊断 等目的的计算机测量网络系统。 分布式测试系统是传统网络化测试系统的进一步发展( 其对比如表1 1 所示) ，具有以下主要特点： ( 1 )网络化。网络化的目的是实现多个测试节点间基本的互连、互通 功能，实现资源共享，是分布式测试系统的底层支撑结构。 ( 2 ) 分布性。分布式测试系统不仅在地域上分布，而且在计算上也应 是分布的。这对测试系统提出了一些更高的要求，如测试子系统 间协同工作、整体视图、负载均衡、具有可扩展性和高可用性 ( h i g h a v a i l a b i l i t y ) 等。同时，分布式测试系统对用户具有位置 透明性，测试信息“唾手可得”。 f3 ) 开放性。开放性包含四个方面的特征，即可移植性( p o r t a b i l i t y ) 、 可互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 、可伸缩性( s c a l a b i l i t y ) 、易获得性 ( a v a i l a b i l i t y ) 。分布式测试系统能够采用各种c o t s ( c o m m e r c i a l o f f - t h e s h e l f ，商业上现成的产品和技术) 软硬件 模块，给系统的构造带来诸多便利。 ( 4 )实时性。分布式测试系统本质上是一个实时系统，任务间协同工 作处理各种测试信息都必须是实时的，对过程之间的同步、操作 的时限有着严格要求。 ( 5 ) 动态性。测试系统可以动态地运行操作，支持测试过程中的所有 的管理和测试活动，能灵活地根据测试实施方案，进行测试过程 对象和活动的映射。 ( 6 ) 处理不确定性。分布式溅试环境的初始状态是确定的、已知的。 但随着系统的运行，各种动态实体在环境中变化，同时对环境产 生影响，使得环境也发生某些变化，这种动态变化带来了不确定 第一章绪论 性，分布式测试系统必须具有处理这种不确定性的能力。 ( 7 ) 容错能力强，可靠性高、安全性好。 传统1 碗| 络化测试系统分布式测试系统 系统功能相对同定系统具有智能性、自主性和适应性 共享测试资源，多为存储数据资源共享测试资源尤其是计算资源 测试设备功能扩展性较差，但缺乏协测试设备功能可灵活扩展，且相互协同工作 同工作能力 系统负载不均匀系统负载均衡，测试系统性能最优 位置分散，难集中管理系统具有整体视图，易实现集中管理 多为封闭的、集中的体系结构开放的、灵活的体系结构 表1 1 传统网络测试系统与分布式测试系统的比较 1 3 分布式测试系统研究现状 在计算机科学和工程领域，分布式系统的研究和开发一直是一个热点， 仍迄今仍有许多理论和实际难题没有得到妥善解决。因此，分布式测试系统 也是一个不断发展的过程。目前，构建分布式测试系统主要有以下几种方案 l i l i 8 】： ( 1 )基于c l i e n t s e r v e r 模式的分布式测试系统 基于c l i e n t s e r v e r 模式的分布式测试系统采用s o c k e t 编程技术，建立 测试客户端和测试服务器端。测试服务器通过监听并接收测试客户端的请求， 采集和分析现场被测对象的数据，测试客户端主要负责与测试服务器建立连 接t 如图1 2 所示) 。 c l i e n t s e r v e r 模式具有简单、直观的特点，但是该模式将自主行为实体 简单地划分为“测试客户端”和“测试服务器”两类，并且二者之间的交互 关系也仅限于测试客户主动请求阻塞和测试服务器被动响应的非对等关系。 因此，该技术存在以下不足： 电子科技大学博士论文 现场被测对象 现场被测对象 现场被测对象 图1 2 基于c s 模式的分布式测试系统结构图 测试客户与测试服务器直接连接，且测试服务器定位需要网络细节； 许多相同的功能块被多次重复开发，且代码复用困难。同时测试应用 接口的异构性严重影响测试系统之间的互操作； 协同工作较困难。经典的c l i e n t 7 ，s e r v e r 计算技术不支持服务器对客户 的直接控制，也不支持客户应用之间的直接群体感知，因而难以展开 客户应用之间高层次的协同工作； 每个测试客户端都必须安装一个严格依赖于测试服务器端数据存储 和组织方式的客户程序。当两者之间是一对多或多对一的关系时，容 易造成“肥客户端”或“肥服务器”的现象。 ( 2 ) 基于w e b 技术的分布式测试系统 w e b 技术是一种以h t t p 协议为基础，采用h t m l 语言实现的三层结构， 该结构使测试服务器与测试客户端间通过w e b 测试服务器建立联系。远程客 户要获取现场的测试数据，首先通过w e b 测试服务器，然后w e b 测试服务 器调用相应的c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ，通用网关接口) 或i s a p i ( i n t e r n e ts e r v e ra p p l i c a t i o ni n t e r f a c e ，因特网服务应用接口) 程序读取现场 测试数据，并进行相应的处理( 如图1 3 所示) 。 采用w e b 技术为测试客户端远程调用提供了个统一的平台，具有简 单、高效和跨平台的优点。但是也存在一定的不足： w e b 服务器和现场测试对象的交互主要通过c g i 或 s a p i 程序来实 现。当现场存在多个i p c 时，相互间的通信模式是基于c l i e n t ( s e r v e r 的，同样具有c l i e n t s e r v e r 编程模式的缺点： 第一章绪论 现场存在不具备网络传输能力的历史遗留系统，c g i 或i s a p i 程序无 法从这些系统中获取数据，也就无法和现有的应用系统兼容； c o i 或s a p 程序直接获取测试数据，必然会加重w e b 测试服务器的 负担，影响其性能。 现场被测试象 现场被测对象 现场被测对象 图1 3 基于w e b 模式的分布式测试系统结构图 ( 3 ) 基于中间件的分布式测试系统 中间件( m i d d l e w a r e ) 是指位于硬件、操作系统和应用程序之间的软件， 舆有标准的程序接口和协议。典型的中间件产品有c o r b a ( c o m m o no b j e c t r e q u e s tb r o k e r a r c h i t e c t u r e ) 、d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ) 、 j m i 等。 利用中间件技术可以避免了测试应用系统和具体计算机平台( 硬件和操 作系统) 之间的紧耦合，把网络范围内的测试应用对象无缝的集成在一起， 实现了测试信息共享，满足了分布式测试系统的灵活性、跨应用的集成性、 划象之间的互操作性等方面的技术要求。同时，该技术还具有将历史遗留测 试系统进行封装的能力，从而避免重新开发现场测试系统，提高劳动生产率， 节约生产成本( 如图1 4 所示) 。如1 9 9 9 年h p 公司提出了基于c o m d c o m 投术的i v i m s s ( 测量激励子系统) ，形成独立于仪器和应用的中间件，不仅 保证仪器互换后测试结果的一致性，还可实现相同能力不同种类仪器间的可 换。 同样，基于中间件的分布式测试系统存在以下不足： 中间件作为硬件、操作系统和测试应用程序之间的一层软件，增加了 测试系统的层次，在一定程度上降低了测试系统的性能。 电子科技大学博士论文 测试客户与测试服务器通过中间件互连，采用远程方法引用，协同工 作仍然较困难； 中间件提供了一套复杂的通信机制和众多基础服务，大大增加了测试 系统的复杂性和编程难度。 被测对象 被测对象 被测对象 图1 4 基于中间件的分布式测试系统结构图 综上所述，当前的这些研究，能够在一定程度上解决分布式测试存在的 问题以及所面临的挑战，实现了分布式测试系统的部分功能，但还不能视为 真f 的分布式测试系统，因为在现有的技术条件下，要实现地域上的分布并 不是一件困难的事，但要开发出各方面达到分布式要求的测试系统仍存在较 大的困难，其很多特性并没有完全解决。因此，本文着重解决实现分布式测 试系统所必需的两个特性一协作( c o l l a b o r a t i o n ) 机制及其底层通信平台的实 盯性，这对整个分布式测试系统性能的提升，起着重要的作用。 1 4 本文主要工作和结构安排 本论文是以“九五”国防科技预研项目“测试系统的分布式结构及网络 化技术”以及中国航空一集团涡轮燃气研究所重点项目“飞机发动机高空台 分向式综合测试系统”为背景开展的，重点研究分布式测试系统协作机制问 题以及通信平台实时性问题。 本文的结构安排如下： 第一章：绪论。概述了现代测试系统发展，介绍了分布式测试系统的基 本概念及特点，阐述了当前分布式测试系统研究状况以及所要解决的问题。 第一章绪论 第二章：基于智能体的分布式测试系统。通过研究智能体技术，建立了 一个基于智能体的分布式测试系统结构模型。该模型包括智能体的分类和功 能、测试软总线的结构和功能以及对智能体之间动态通信的描述。 第三章：基于p s o 的智能体测试系统协作机制研究。介绍粒子群优化 ( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 算法的基本原理，提出基于p s o 优化 算法的联盟形成算法和测试子任务优化分配算法，并给出仿真结果。针对可 信度合成问题，对常用的两种结果合成算法进行了分析、比较和改进。改进 的算法不仅可充分利用已有结果，而且在一定程度上解决了肯定和否定失效 问题。 第四章：智能体测试系统稳定性分析。该章从系统整体、协调控制、联 盟形成三个方面分析了智能体测试系统稳定性问题。 第五章：分布式测试系统实时通信机制研究。首先介绍e t h e r n e t 实时性 的研究现状，然后优化了基于反馈控制思想的实时调度算法，给出实验结果， 并与相关算法进行了比较。 第六章：一种基于智能体的飞机发动机分布式测试系统实现。结合“飞 机发动机高空台分布式综合测试系统”项目，基于上述理论，设计并实现了 一个基于智能体的飞机发动机分布式测试系统。其运行的结果验证了解决分 布式测试系统中协作机制和通信平台实时性方法的有效性和合理性。 第七章：全文总结。 电子科技大学博士论文 2 1 引言 第二章基于智能体的分布式测试系统 智能体技术是计算机和分布式人工智能( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，d a i ) 领域的最新研究成果，是面向构件技术的新发展，被誉 为是“软件开发的又一重大突破”、“软件界的革命”。智能体技术提供了一种 分如式智能程序设计的方法，放松了对集中式、规划、顺序控制的限制，提 供了分散控制、应急和并行处理功能，从而为解决复杂问题提供了一种新的 计算和问题求解框架，特别对于异质网络、操作系统、机器、不同软件之间 的任务协同、消息交换有着重要的意义，具有很强的实用价值。目前，智能 体技术在工作流管理、电信网络管理、信息搜索以及电子商务等领域得到广 泛应用。著名人工智能专家g u i l f c y l e 在1 9 9 5 年曾断言：1 0 年后，大多数新 兴信息技术的发展将受智能体技术发展的影响，而许多产品也将以基于智能 体的系统为基础 2 6 1 。 根据分布式测试系统特点，智能体所固有的智能性、适应性、社会性等 特性不仅与分布式测试系统的智能化、动态性以及协同性相适应，而且该技 术还提供了强有力的抽象模型，简化了分布计算的复杂度，因此，智能体的 理论和技术为分布式测试系统的分析、设计和实现提供了一个崭新的途径 f f9 1 ，为了较好地解决分布式测试系统的协作特性，本文根据已有分布式测试 系统解决方案，建立了一种基于智能体的分布式测试系统结构模型。 2 2 智能体技术 智能体是d a i 的一个术语，是指具有以下特征的硬件或软件实体1 2 0 - 2 1 】： ( 1 ) 自治性( a u t o n o m y ，又称自主性) 。智能体是一个独立自主的计 算实体，即智能体一旦被初始化后，其运行无需人和其他软件的 直接干涉，并能控制自己的外部行为和内部状态。自治性是智能 体最基本的特性，也是区别“对象”的一个重要特征。 ( 2 ) 反应性( r e a c t i v i t y ) 。智能体能感知其所处的环境( 环境可能是物 第二章基于智能体的分布式测试系统 理的世界、使用图形接口的客户、其它智能体集合或者所有这些 的组合) ，并能对环境的变化做出及时的反应。 ( 3 ) 能动性( p r o a c t i v e n e s s ，又称主动性) 。智能体不仅能对环境的变 化做出反应，还能遵循承诺采取主动行动，表现出目标驱动的行 为( g o a l - d i r e c t e d b e h a v i o r ) 。 ( 4 ) 社会性( s o c i a l i t y ，又称可通信性( c o m m u n i c a b i l i t y ) ) 。不同智能 体在系统中承担不同的功能和任务，智能体之间或智能体与用户 之间通过智能体通信语言和标准的外部接口，相互协作，共同完 成复杂的任务。 ( 5 ) 并行性( p a r a l l e l i s m ) 。 智能体本质上可看成一个信息加工系统，该系统是由感知器、效应器、 推理器组成的。其工作过程为：感知器接受外界信息。推理器进行相应的推 理，效应器做出反应。其基本体系结构如图2 - 1 所示。 也尹 r e a s o n i n g 曲 智能体 图2 t 智能体基本体系结构 智能体基本体系结构可用一个六元组表示，即： ：= ：= ：= ：= ：= 电子科技大学博士论文 ：= l l l l ：= ：= ( ) ：= b e g i n ；) e n d ：= ：= ) ：= ) c 类比匹配机制 ：= c 内部执行机制 ：= ) ：= b e g i n e n d ：= ) ：= ) c 领域知识 ：= ( 对象，属性，值) ) ：= ) ：= ：= ：= 当前，智能体技术的应用之所以十分广泛，是因为： ( 1 )问题领域有着广泛性、繁杂性和不可预测性的特点。智能体技术 第二章基于智能体的分布式测试系统 以其灵活的、上下文有关的方式( 如交互性、反应性、主动性) 与外界进行交互作用，从而将一个大而复杂的问题分解成许多小 而简单的问题，使问题得以简化。 ( 2 ) 当问题领域涉及大量不同的问题求解实体( 或数据资源) ，而这 些实体在物理或逻辑上又是分布的，并且需要相互协作以解决公 共问题时，智能体技术为此类问题提供了非常自然的建模方法： 现实世界的实体和它们之间的关系可以直接映射成具有问题求 解能力的智能体，它们拥有自己的资源以及协作求解问题的交互 能力。 ( 3 )智能体的表示方式简单明了，软件的功能可以从其名字的喻义上 推敲出来。智能体可以被人格化用以反映用户的偏好，并代表用 户与其它类似的智能体交互。 ( 4 ) 面向智能体的软件开发方法能更确切地描述复杂的并发系统的 行为。同时，智能体具有较强的自我控制的特点，比被动对象和 主动对象有更好的封装性和模块性。 2 3 基于智能体分布式测试系统结构模型 分布式测试系统本质上应是个体测试单元的“自主性”与系统整体的“自 组织能力”系统，应用智能体系统的理论与方法，提出一种基于智能体的分 仃式测试系统( 简称智能体测试系统) 的基本框架，一方面通过智能体赋予 笞测试单元以自主权，使其成为功能完善、自治独立的实体；另一方面，通 过智能体之间的协作，赋予测试系统自组织能力。 测试应用 软件层 系统 软件鹾 硬件崖 塑堂竺! i 型堕堡! ：l 型堡竺! 测试软总线 操作系统i 网络通信 ( 含文件系统、数据库等)l 软件 鬻嚣 。擀f 通信懒l 戆传感器i 硬件 il 系统 各类接口lil 图2 - 2 智能体测试系统结构模型 电子科技大学博士论文 智能体测试系统是由多个智能体为完成同一目标，通过适当的体系结构 组合而成的松散耦合分布式系统1 2 。从逻辑结构角度看，智能体测试系统形 成一个统一的计算机网络应用系统的框架结构模型如图2 - 2 所示【1 1 外，它可 以准确反映出智能体测试系统信息采集、处理、存储、传输和控制的结构 特征。 ( 1 ) 硬件层。硬件层由两部分组成：一部分是构成系统的各基本单元 ( 包括传感器、测试仪器、测试模块和p c 机等) ；另一部分是连 接各基本单元形成系统的传输介质一一通信网络。 ( 2 )系统软件层。该层包括操作系统和网络通信软件等系统软件。 ( 3 ) 测试应用软件层。该层由测试软总线( t e s t s o f t w a r e b u s ：t s b ) 和多个智能体构件构成，智能体之间通 过t s b 相互作用，用以完成各种测试任务。 该结构模型明确反映出系统中各重要子系统之间的基本接口关系不依 赖子系统内部的具体结构和特征，同时，整个系统完全建立在网络上，系统 的各种功能由各个组成部分通过一致的标准和协议共同完成，从而提高整个 系统的开放性。 用一个五元组描述多智能体测试系统，即： a d m s = ( e ，a ，t ，k b ，r ) 其中： e ：表示环境，即有一定容量的空间； a ：表示智能体集合，爿= 口1 ，一。 ，每个智能体具有一定解决 问题的能力； 丁：表示目标集，描述所需完成的共同任务； k b ：表示知识库，描述群体协作完成任务所需的知识； r ：关系集，r = 陋“】，r “表示a ，对4 的依赖关系。 智能体测试系统具有如下优点： 第二章基于智能体的分布式测试系统 ( 1 系统能根据测试任务的不同分解与分配以及其它不可预测因素 的出现，随时改变组织结构，实现动态重构。测试任务一旦结束， l 临时组建的系统则立即解散； ( 2 ) 处理的并行化，系统的运行速度将加快； ( 3 ) 系统不会因某一个智能体的出错，而影响整个系统的运行，具有 较高的可靠性； ( 4 ) 由于感知、处理和动作紧密相伴，系统具有较快的反应速度。 2 4 智能体分类 本文将智能体测试系统中的智能体按其能力，分为三种类型： ( 1 ) 管理智能体( 刎) m a 是一个综合状态识别系统，负责完成对系统总体运行状态的监控， 提供对各测试参数的实时监测、评价与决策功能。 m a 的主要功能可描述为： m a2 p ，j ，m ) 其中：，：实现系统的动态重构，促进智能体之间的协作： s ：在系统级运用相关技术进行知识提取： 厂分解、分配任务以及结论合成； m ：对各种监控变量、系统的运行状况进行监视，一旦有异常情 况发生，终止系统运行并发出警报。 ( 2 ) 用户智能体( u a ) 用户智能体为用户提供一个简单、自然、友好、一致的人机接口界面， 负责与用户交互，接收用户的请求。 u a 的主要功能可描述为： u a = ( s a ，d ，i ) 其中：蚴：接收用户的测试任务、建立用户模型、设定智能体的工作环 屯子科技大学博士论文 境、对测试工作进行初始化、完成测试参数设置； d ：将采样数据以及测量结果的变化过程展现出来，如变化曲线、 趋势图并记录、存储下来，供测试者直接观测和分析，也可 供后续仪器继续分析处理，或者在原始信号消失之后，重放 出来，供测试者反复观察和分析处理，同时，还可提供帮助 文件： i ：了解系统运行的状态和进行用户中断，适当地对系统进行干 预。 ( 3 ) 功能智能体( f a ) 面向任务领域，负责完成与具体应用相关的任务，多个尉承担任务的 不同部分，在m a 的管理和协调下共同完成用户提交的任务。 2 5 测试软总线模型 2 5 1t s b 定义和功雒描述 定义2 1 ：t s b 是指智能体之间进行交互的一组虚拟的数据信息传输线。 t s b 实际上是借用了硬件总线的概念，是硬件总线的虚拟和映射，是对 硬件总线的抽象。但是，t s b 和硬件总线存在本质区别： 硬件总线的主要功能是通信功能和i o 接口功能，是一组以铜铂线为载 体的、公共的、有形的、互连的信号传输线集合，每个信号线都有其特定的 功能和名称。t s b 并不存在真正的数据传输介质，它包含一个公共的数据传 输协议，该协议规定智能体之间命令和数据传输的格式，同时规定智能体之 恻统一规范的接口。从实现形式上看，t s b 是一组特定功能的构件集合，一 个构件接口或方法为一根t s b “信号线”，完成特定功能并定义名称。 t s b 作为一种公用的、中心化的模块集成设施，其基本功能可用一个三 兀组来描述1 2 2 】： 设t s b 的功能为t s b f ，则： t s b f = ( c 【，b ，7 ) 第二章基于智能体的分布式测试系统 式中： c c ：t s b 的管理。如对t s b 初始化、关闭等。 b ：智能体的管理。t s b 保存各个智能体相关信息，如名称、地址、类 型、功能、使用方法和生命周期等，进行安全性检查，完成智能体 的注册、装载和卸载，实现智能体的“即插即用”。 v ：完成智能体之间的通信和数据交换。各智能体通过t s b 提供的各种 数据接口，对数据进行读或写的操作，实现智能体之间的数据共享。 智能体利用t s b 提供的通信机制和接口，以“即插即用”的方式加入到 t s b 中，完成用户指定的测试任务，不仅简化了分布式测试系统的互连结构， 而且提高系统的集成性、开放性、适用性和灵活性。 2 5 2t s b 的结构模型 体 图2 - 3t s b 结构模型 t s b 作为智能体之间交互的中介者，由t s b 控制器、命令总线、标识总 线和数据总线的集合组成( 图2 3 所示) 。此外，t s b 还提供了用于智能体与 t s b 相连的接口。 电子科技大学博士论文 ( 1 ) t s b 控制器 它是t s b 的核心部分。方面完成t s b 的管理功能，另一方面负责侦 听请求，并进行安全性检查，然后将这个请求消息传递给消息过滤器，消息 过滤器负责消息的格式转换和分析，根据分析的结果，通常先启动标识总线， 指明消息的来源和去向，然后启动命令总线，将消息传递给正确的接收者， 数据总线则根据命令总线的需要决定是否启动。 计时器提供超时机制，如果因为某种原因无法将消息接收或发送，到 定时问，计时器将会终止相应的线程， 的系统资源。 ( 2 ) 标识总线 标识总线完成智能体的管理功能。 记录智能体注册信息，如名称、类型、 从而可避免出现过多线程而浪费大量 标识总线提供了c o n n e c t i o n t a b l e 表， 标识符、所在机器的i p 地址、所用端 u 号、接口描述库以及对哪类消息感兴趣等内容，同时标识总线还提供存储、 检索、更新等管理方法，支持跨平台的全局构件标识及接口空间，并负责处 理数据一致性问题。 ( 3 ) 命令总线 负责消息的传递，包括消息接收器、消息发送器和命令总线阃协议 ( i c b p ：i n t e r - c o m m a n d b u sp r o t o c 0 1 ) 。消息接收器有一个接收缓冲区，存放 所有客户方智能体发送的由t s b 控制器统一编码的消息，一方面传递给消息 发送器，消息发送器根据所接收到的消息判别是否是发往本地的消息。如果 是，则传递给本地的智能体适配器；如果不是，则将消息通过i c b p 协议实 体传递给网络上的目的t s b 的控制器。如果消息中包含有数据域，则启动数 据总线：否则不启动数据总线。 1 c b p 协议主要负责网际总线之间的消息和结果的传输。它包含公共数据 表示、i c b p 协议包格式以及i c b p 包的传送机制等内容，需要根据消息的低 层t c p i p 传递过程做相应的处理。i c b p 协议包格式如图2 - 4 所示： 第二章基了二智能体的分布式测试系统 图2 - 4 i c b p 协议包格式 ( 4 ) 数据总线集合 负责数据的交换和共享，包括本地数据的交换和远程数据的交换。 2 5 3 智能体间的动态通信描述 以兀演算模型1 2 8 】为描述工具，对智能体之间的动态通信过程进行刻画。 模型中使用的名集如下： s _ m s g ：表示一个智能体发送的一条消息： r：表示一个智能体接收的一条消息_msg c s ( c o m m u n i c a t i o ns t y l