（系统工程专业论文）基于JADE的复杂物流系统多代理仿真方法研究.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 随着商品经济的繁荣，大规模的流通带来了大规模的物流，由此产生了复杂物 流系统的概念，典型的复杂物流系统由若干个供应商、制造商、批发商和零售商实 体组成。复杂物流系统的一系列特性决定了传统解析法的局限性，多代理仿真方法 作为解决非线性和复杂性模型的有力工具，越来越受到重视。 本文在总结国内外多代理仿真系统开发和研究现状的基础上，研究了复杂物流 系统多代理仿真问题。在介绍多代理系统和多代理仿真基本概念的基础上，结合多 代理系统的组织结构，提出了基于联邦联邦成员代理三层结构的多代理仿真体 系结构以及具体的仿真系统开发步骤，并探讨了此建模仿真方法在仿真平台 jade 上的实现框架和关键技术。从库存管理中最佳订货点量决策问题入手，运用多代理 仿真建模方法，探讨了复杂物流系统在 jade 仿真平台中的多代理仿真开发方法， 包括代理的划分确定、体系结构和仿真数据库的构建。以超市连锁店多代理仿真系 统构造为例，在零售商环节上实现了多代理仿真系统，研究了多代理仿真系统中代 理之间交互决策过程。 本文研究的基于 jade 的复杂物流系统多代理仿真方法涉及多代理技术、仿真 技术、决策支持、软件工程等多个领域的内容，可以模拟物流过程和智能决策过程， 具有重要的理论研究价值和现实意义。 关键字：复杂物流系统；仿真体系结构；订货点量；多代理仿真；java 代理开发包 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract with the prosperity of the commodity economy, large-scale circulation yields large-scale logistics, when the concept of complex logistics (cl) is proposed. a typical cl is consisted of a number of entities such as suppliers, manufacturers, wholesales and retailers. the characteristics of cl are so complex that traditional analytic method cannot resolve it completely. people acquaint that multi-agent based simulation method is a powerful tool for solving the complex nonlinear model. based on the analysis of the development and research status of multi-agent based simulation system at home and abroad, multi-agent based simulation for cl is studied. the concepts of multi-agent system and multi-agent based simulation are introduced. after that, the multi-agent based simulation architecture based on federation-federate-agent and its development steps are proposed based on the structure of multi-agent system. then the realization framework and key technologies of multi-agent based simulation based on jade are discussed. starting from the order-up-to level decision in inventory management, the development approach of multi-agent based simulation based on jade for cl is analyzed, including the division of agents, architecture and simulation database construction. taking the multi-agent based simulation of a supermarket chain as an example, the multi-agent based simulation system is implemented in retailer aspect. the interaction and decision-making processes among the agents are also studied. in this thesis, the method of multi-agent based simulation for cl based on jade is analyzed. the method involves many technologies, including multi-agent technology, simulation technology, decision support, software engineering etc. this method can simulate the logistics process and intelligent decision-making process. thus the research has theoretical and practical value. keywords: complex logistics， simulation architecture， order-up-to level， multi-agent based simulation，java agent development kit (jade) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景与意义与意义 本学位论文来源于教育部科学技术研究重点项目：复杂物流系统分布式多代理 仿真的理论与方法研究。 随着科学技术的进步和商品经济的发展，生产规模不断扩大，社会需求日新月 异。大规模的生产要求大规模的流通相伴随，大规模的流通带来大规模的物流1。随 着生产技术的不断发展，作为与能流、信息流并列的物流已成为继劳动力、资源之 后的第三利润资源泉。这些都对传统物流单纯考虑从生产者到消费者的“货物配送” 模式提出了挑战。 物流系统是一个典型的复杂适应系统， 正如霍兰(holland,j.)复杂适应系统理论的 核心思想“适应性造就复杂性” 2。由于物流系统中存在大量的实体：多个供应 商、制造商和零售商实体，制造商和零售商实体之间存在较多的批发商实体（经销 商、配送中心等），各个实体能够根据环境做出一定的反应来适应环境的变化，同 时实体之间也不断相互作用，这些使得物流系统变得异常复杂。本文就是针对现代 物流系统的这些特点展开研究的。 1.1.1 物流的概念物流的概念 物流（logistics）一词的概念起始于二战，开始叫“实体流通”(physical distribution)3，上世纪七八十年代传入国内，总体来说，我国物流的研究发展落后 于欧美、日本等发达国家。 目前学术界对物流这个概念还没有严格统一的定义。物资的储存和运输是物流 活动的两大支柱，供应链是物流的延伸和扩展，是一条从供应商到顾客的物流链4。 通俗来说物流是指为了满足客户的需要，以最低的成本，通过运输、保管、配送等 方式，实现原材料、半成品、成品及相关信息由商品的产地到商品的消费地所进行 的计划、实施和管理的全过程。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.1.2 复杂性的概念复杂性的概念 复杂性的问题是由系统科学的先驱者贝塔朗菲于 40 年代首次提出的。复杂性是 建立在多样性和差异性之上，不同层次有不同的复杂性，其复杂性定义也不一样， 目前，还没有一个统一的定义。一般比较明确的说法是复杂性的系统是子系统种类 繁多，在层次结构上，子系统相互之间的关联关系杂多。 钱学森认为对于复杂性的研究不能从严格界定复杂性概念开始，与其空谈复杂 性的定义，不如从研究具体的复杂系统入手，主张把复杂性作为一类系统属性来对 待，寻找解决这些具体复杂系统问题的有效方法5。由此，将复杂性作为物流系统的 一类系统属性来对待，华中科技大学朱卫锋副教授等6（2002）提出了“复杂物流系 统”的概念。 1.1.3 复杂物流系统的概念复杂物流系统的概念 大规模物流系统通常由若干个相互依赖的供应链组成，每个供应链可能具有多 个制造商、批发商（经销商、配送中心等）和零售商实体，供应链之间、实体之间 都存在着动态变化的“供方”与“需方”关系，在这两个关系之间还经常包含着若 干运输车辆和多种运输路线，他们之间相互竞争或者合作，共同完成现实世界的物 流活动。同时物流活动总处在一个不确定的环境中，受到较多的不确定性因素影响， 如顾客需求、原材料外部供应、交纳周期等。因此，这类系统规模大，结构复杂， 属于复杂系统的范畴6。 对于上述此类系统， 我们称之为复杂物流系统(complex logistics， 简称 cl)67， “竞争” 、 “合作” 、以及“不确定性”一起构成了该类系统的复杂性，引用朱卫锋学 者对复杂物流系统定义： “在竞争、合作、动态、不确定的复杂市场环境中，由若干 供方、需方等实体（包括参与物流活动的企业、企业集团或联盟，以及企业内部业 务相对独立的部门） 构成的快速响应环境变化的供应链物流系统。 ” 上面提到的实体， 按照其在系统中所起的作用，可以分为自主实体、半自主实体和从属实体：具有自 主决策权的实体称之为自主实体；具有部分决策权的实体称之为半自主实体；没有 自主决策权的实体称之为从属实体。供方和需方可以是各类供应商、制造商、批发 商和零售商实体。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 weme 外部供应 中间产品 顾客需求 me re were pe pe 顾客需求 原材料 外部供应 原材料 产品 产品 中间产品 中间产品 产品 pe - 供应商实体me - 制造商实体we - 批发商实体 re - 零售商实体 核心企业 图 1-1 典型的复杂物流系统示意图 典型的复杂物流系统由若干个在地理上分散分布的供应商、制造商、批发商和 零售商类实体组成。主要研究原材料、中间产品和最终产品在供应商、制造商、批 发商和零售商之间的物理流动过程，属于网络流问题范畴1。其具体的物流方向及其 结构如图 1-1 所示。供应链通常由一个作为核心企业（也称主导企业）将其他企业吸 引在周围形成一个网链， 如图 1-1 虚线框所示。 它是整个供应链的信息交换中心和物 流集散的调度中心，以保证各个实体能在正确的时间点补充到正确数量的相应产品， 既不造成缺货，又不造成产品的库存积压，把整个供应链的总成本减至最低限度6。 众多的复杂性给物流系统研究带来了许多困难。物流系统研究常用的理论和方 法有数学规划法（运筹学）、统筹法（网络分析法）、系统优化法和系统仿真方法 68910。前面的三种方法属于传统的解析法，而系统仿真方法是一种非解析法，它 利用模型对实际系统进行实验研究。 复杂物流系统由大量的相互交互的实体组成，实体间的交互和实体的行为是系 统复杂产生的原因。基于多代理的建模与仿真方法学将复杂物流系统中的各个仿真 实体用代理的方法/思想进行建模化分，利用计算机的仿真平台进行行为和交互关系 的仿真，来描述复杂物流系统的行为。因此，对复杂物流系统多代理仿真的理论与 方法进行系统研究，对于我们理解物流系统的复杂性，提高物流管理水平，具有重 要的理论价值和现实意义。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 1.2 代理和代理和多代理系统多代理系统 1.2.1 代理的代理的概念概念和和特性特性 代理(agent)的概念出现于二十世纪七十年代的人工智能中，八十年代后期才成 长起来，来自于分布式人工智能(dai)领域。代理到目前为止还没有一个统一明确的 定义。一般来说可以将代理的定义归纳总结为两大类：弱定义和强定义11。大部分 研究者对代理的弱定义观点较为一致，弱定义总结了代理的四个主要也是最基本特 性，包括自主性、社交性、反应性和能动性。但在研究人工智能领域上，许多研究 者强调代理的更多人类属性，即人类的心智状态，其中信念(belief)、目标(desire)、 意图(intention)这三种主要的心智状态最受关注。代理的强定义则是在弱定义的基础 上添加了四个特性，包括移动性、诚实性、慈善性和理性。 尽管代理的定义还不能完全统一起来，但对这个概念细微的理解差别不是主要 问题，在满足代理的最基本特性的基础上，解决出实际有意义的代理系统问题才是 最重要的。所以不同的研究者都在自己的系统中赋予代理不同的结构、内容和能力， 以方便自己特定方向的深入研究。 代理由一些基本的模块构成1213，共同组成了一个具有信息感知、处理、决策、 执行和与其他代理进行通讯能力的实体。本论文所研究的代理指的是代理强定义概 念。 1.2.2 多代理系统概述多代理系统概述 多代理系统(multi-agent system，简称mas)是由多个相互作用、相互联系的代 理为完成特定的复杂任务或目标而组成的网络系统14。它是为解决单个代理不能完 成复杂性问题求解而提出的，通过由多代理的协调合作完成问题的解决。 系统内部的分工协作机制解决单个代理无法解决的问题或即使能解决但效率很 低的问题。mas可以将单独分散的代理成员信息和能力集中，通过他们之间的相互 作用，同时与其所处的环境相互作用，产生更高层次的智能。利用分布式处理技术 和模块化设计思想，处理系统内代理之间的动态交互，通过竞争和合作完成对复杂 系统的求解。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 多代理系统的智能特性主要通过其行为的决策来表现，实现了代理强定义里面 的心智状态的bdi推理15（信念(belief)、目标(desire)、意图(intention)）。通过建立 基于bdi决策树作为一个多代理系统的主要行为决策模型， 实现了代理的自主性和自 动性特点。bdi决策树模型如图1-2所示。 信念（belief） 意图（intention） 目标（desire）目标（desire） 意图（intention）意图（intention） 图1-2 bdi决策树模型 多代理系统的整体智能性是通过各个实体bdi决策树模型来实现的， 各代理的直 接行为表现由意图(intention)给出，间接决定由目标(desire)给出，而该代理所拥有的 任务或目标由信念(belief)决定。一个bdi决策树根节点为信念(belief)；对应多个目 标(desire)子节点；每一个目标(desire)有一个或者多个意图(intention)叶子节点。 1.2.3 多代理系统结构多代理系统结构 多代理系统是为了完成某个特定的复杂任务或者目标而构建的系统，所以将特 定系统相关的代理组织起来形成一个大规模的多代理系统，其组织结构应与系统实 际情况相关联，归纳起来一般有以下三种基本组织结构形式1617： （1）主从式 主从式组织结构，也称集中式组织结构，其结构如图1-3所示。研究者们认为群 体协作中一定程度的中心协调有助于提高整体性能和效率18。在这种群体协作组织 求解问题上，多代理组织结构中有一个主协同的代理，它是全系统的信息交互中心 和资源设备调度控制中心，协调其他代理完成某一既定目标任务。代理之间的信息 通讯必须通过主协同代理进行，代理之间不能直接进行通讯。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 但是这种组织结构形式多用于小范围的协同合作问题，它是一种刚性结构的集 中式控制，缺乏灵活性，难以应付大规模复杂性系统。主从式组织结构如图1-3所示。 主协同代理 代理2 代理1 代理4 代理3 代理5 . 图1-3 主从式组织结构 （2）分布式 分布式组织结构是一种点对点的结构，如图1-4所示，在此组织系统结构中各个 代理之间的关系是完全平等的，是一种水平对等结构，它们之间可以直接通讯交互， 拥有很强的独立性，可扩展性好。 但是整体系统缺乏全域的协同控制能力，松耦合结构，不适应大规模的复杂系 统协同作业。而且这种组织结构在遇到系统中的代理个数数目增加时，系统的通讯 压力也成倍上升。 代理1代理n代理3代理2 . 图1-4 分布式组织结构 （3）联邦式 这是美国斯坦福大学的pack项目提出的一种多代理组织结构， 一个系统被划分 为多个不同的联邦，每个联邦又由多个不同的代理组成，其结构如图1-5所示。系统 中的代理不能直接通讯，须借助于联邦中的中介代理进行，中介代理起着通讯桥梁 的作用。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 这种结构可以按照系统中各个实体行使的功能不同，将系统分成多个联邦，适 合于团体分工协同作业。而且结构的通讯模式通过增加一个特殊的中介代理，提供 给当地的多个代理和远程的多个代理通讯接口，有效减少系统内部的通讯开销。 代理1代理n. 中介代理中介代理 联邦1 代理1代理n. 中介代理中介代理 联邦n 代理1代理n. 中介代理中介代理 联邦2 图1-5 联邦式组织结构 在上述的三种组织结构中，主从式结构的优势在于利用系统中的主协同代理协 调其他代理完成特定任务或目标，系统整体协调性好；分布式结构的优势在于适合 系统中的组织的松耦合构成，彼此之间完全平等，结构灵活性强；联邦式的优势在 于大规模复杂系统，适合多个组织协同作业，且能有效优化通讯效率。我们所要研 究的复杂物流系统涉及的企业或企业内部部门多，组织结构复杂，属于大规模复杂 系统，系统常常需要为完成特定任务，进行多个企业或部门协同作业，且系统处于 一个动态变化的环境中，系统内部信息交互量大。因此本文结合物流系统的特点， 采用主从结构加联邦结构来组织多代理系统。 1.3 多代理仿真多代理仿真基本概念基本概念 仿真技术是通过运行具体仿真模型和对计算机输出信息的分析，实现对实际系 统运行状态和变化规律的综合评估与预测，进而实现对真实系统设计与结构的改善 或优化。 将多代理技术与仿真技术相结合，即基于多代理的建模与仿真1920，就形成了 多代理仿真mabs(multi-agent based simulation)的概念， 它是一种以代理技术为基础 的、自下而上的仿真建模方法，相对于传统的基于事件、活动和过程的建模仿真方 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 法，以及面向对象oos(object oriented simulation)的仿真技术，建模更容易，效率更 高，十分适用于建立非线性和复杂的系统模型。 1.4 多代理仿真多代理仿真研究现状研究现状 在多代理仿真方面，清华大学自动化系曹军海，徐宗昌，熊光楞21（2003）研 究探索了基于 agent 的产品 rms 仿真模型的建模与仿真方法与流程，并开发了一个 原理样机系统。国防科技大学并行与分布处理国家重点实验室22（2003）自主开发 了复杂系统分布式仿真平台 jcass。装甲兵工程学院李雄，徐宗昌，郭齐胜23（2005） 研究了基于多 agent 的信息化战场多传感器仿真过程，分析了多传感器仿真系统的 整体流程和逻辑结构。设计的多传感器仿真系统，可实现对动态作战环境行为的仿 真。清华大学自动化系曹军海，熊光楞，徐宗昌24（2005）在研究多 agent 仿真技 术的基础上，提出了一个分布式多 agent 仿真系统的控制功能框架。分析了各种控 制功能的工作原理与机制，并从输入输出连接关系角度分析了多 agent 仿真系统层 次化与分布式建模的本质。华中科技大学王珊珊25（2006）以多 agent 追逃问题为 例，搭建了一个追逃问题的仿真系统平台，采用 jade 实现了仿真过程中 agent 之 间的分布式交互。海军工程大学庄严，张志祥，孔捷等26（2007）在高层体系结构 下利用 jade 平台工具对多智能体仿真环境进行了研究，提出了集成系统的总体架 构和具体方法，并建立了原型系统，通过实验验证了集成方案的可行性，为进一步 的研究奠定了基础。浙江工商职业技术学院计算机应用研究所的陶剑文27（2007） 提出一种基于 multi-agent 的协作式网络学习系统模型，提出了系统实现具体方案。 最后， 利用计算机 multi-agent 仿真建模平台 swarm对学习主体 agent 的复杂协作行 为进行了仿真建模。大连海事大学叶铂28（2007）采用面向 agent 的技术来实现， 探讨一种构建新的船舶交通流模拟模型的智能方法，作为分析、理解和掌握海上交 通的特性与规律的重要手段。 国外在多代理仿真方面的主要工具有tapas、plasma、sesam和abasim。 tapas是一个基于多代理的微观仿真工具，该工具较传统方法的优势在于能够 模拟运输链中个体参与者的交互行为和决策过程。传统方法依赖于不同参数之间的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 统计相关性，而tapas依赖于因果关系，也就是运输任务执行中的决策和谈判。 tapas的另一个优势是，它考虑了时间因素的影响，如时间表、到达时间、不同时 间的税率和费用等。tapas由两层组成，一层用来模拟运输链中发生的物理活动， 如物资的生产、存储和运输等；另一层用来模拟不同参与者的决策和交互过程。决 策层基于jade(java agent development framework)平台用一个多代理系统来实现， 每一个代理对应于一个特定的参与者。瑞典的davidsson p.等运用tapas研究在不同 政府控制政策下的运输链中参与者的行为，如不同的燃油税、道路通行费、车辆税 政策等。通过分析成本和环境因素，tapas提供不同政策下的决策指导意见。他们 还认为，tapas在很多方面可以作为现有方法的补充，如生成运输需求等输入数据。 由于tapas模拟了供应链的绝大部分，因此运输需求是输出中的本质部分。正如仓 库和终端选址的战略决策一样，他们重点关注了操作决策，如交货数量和频率的选 择、生产者的选择、车队编排等29。 plasma是一个分布式多代理仿真系统，它由德国不来梅大学基于jade框架开 发，是协作研究中心637“自治协作物流过程范例移动和它的局限性”项目的一部 分。它是自治物流应用和评价的连接软件平台，基本组件有仿真控制、世界模型、 仿真代理、分析和用户界面。主要用于模拟物流领域中的场景，它用仿真代理表示 物流对象，如货车、船，以及像路径规划或运输经纪等抽象业务，通过保守同步方 法提供分布式离散事件仿真，实现对控制方法的评价和可视化仿真30。 sesam是一个多代理建模和仿真平台。基于一个清晰的易描述的模型表示和可 视化编程，它可以规范地实现模型。最优化编辑可以实现对清晰模型表示的有效仿 真。它已经成功地应用于不同的领域，如生物学、交通或物流仿真31。 abasim体系结构设计在一个集成的计算机环境的研究和开发框架中，专门用于 多种类型的运输物流系统仿真。由于相关概念模型采用一致的层次结构，内部代理 通信采用间接发布机制，用该体系结构开发的仿真模型具有很强的柔性。由于应用 了这种方法，配置仿真模型可以通过替换相关的子模型、个体代理或它们的内部组 成进行构建。 基于abasim， 可以构建大规模运输物流系统仿真模型， 其中， 用abasim 开发的复杂的仿真工具villon可以用来研究来自于运输物流系统的混合系统仿真32。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 1.5 论文的主要工作和框架结构论文的主要工作和框架结构 本文从库存管理的最佳订货点量入手，结合所要研究复杂物流系统的特点，在 仿真平台 jade 上探讨了多代理仿真的理论、系统的体系结构和实现方法。 第一章：绪论。分析与总结了国内外物流系统的研究应用现状以及多代理仿真 的研究现状，给出了本文的研究意义和组织结构。 第二章：多代理仿真建模方法。介绍了代理技术以及多代理系统的智能特性是 在各个代理 bdi 决策树模型的基础上实现的；同时介绍了基于仿真的多代理系统概 念。 第三章：基于 jade 的多代理仿真开发方法。建立了联邦联邦成员代理的 三层结构多代理仿真系统体系结构，给出了多代理仿真系统开发的步骤，并对步骤 中的每一环节的具体实施作了阐述。包括代理的抽象、系统组织结构的设计、仿真 数据库的构建和仿真平台的选取。 第四章：复杂物流系统在 jade 中的多代理仿真实现。简要介绍了我们所优选 的 jade 仿真平台，并在此平台上分析了前文构建的仿真系统建模开发方法的技术 可行性。在前文论述的基于 jade 的多代理仿真开发方法的基础上，以复杂物流系 统为仿真对象，进行了建模与实现工作，并在零售商联邦成员层次上实现了多代理 仿真。 第五章：总结与展望。对本文研究的内容进行总结，并在现有研究的基础上提 出两点发展展望。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2 多代理仿真多代理仿真建模方法建模方法 2.1 多代理多代理仿真仿真体系结构体系结构 我们拟以联邦(federation)联邦成员(federate)代理(federate-agent)33三层 结构来建立多代理仿真体系结构，将实现某种特定仿真目的的仿真系统称为联邦， 系统中因特定关联聚合在一起的多个职能实体表示联邦成员，具有某个职能的实体 表示代理。代理通过具体的事件发生交互与联系。在建立多代理系统的过程中，最 重要、最关键的一步，也就是系统的建立的第一步，即代理的定义和划分。 2.1.1 代理的代理的定义定义 仿真建模结构中仿真主体主要是代理（在 有的文献中也称邦元主体 federate-agent） ，代理是综合仿真系统的基本单位，是不可再分单元，代理的定义如 下表示33： federate-agent attributes,methods,interface federate-agent其中，表示代理，是一个代理身份的唯一标识； atributes表示代理的属性集合； methods表示代理的行为集合； interface表示与外界环境或其他代理之间的通讯接口。 interface的定义如下表示： interface(sender,receiver,content,interpreter) sender其中，是信息发送者的唯一身份标识； receiver是信息接受者的唯一身份标识； content是传递的信息内容； interpreter是信息解释器，负责对交互的信息进行转译。 系统中的代理根据系统的总体目标任务，明确了自己所要行使的使命，通过一 系列行为表达，借助于通讯接口，与其他代理进行交互完成系统总体的目标，达到 了自身自主、智能特性和团体协调作业的目的。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 2.1.2 代理的代理的划分划分 代理的划分就是对已有的现实多代理系统模型进行代理抽象，而抽象的关键也就是 抽象的粒度（在什么层次上进行抽象）和抽象的内容（将哪些实体抽象成代理）3435。 对于现实中的一个具体系统，我们依据联邦联邦成员代理的三层结构来建 模与仿真，将第三层代理中的元素抽象为任务管理、系统和资源管理三大代理类。 其中，任务管理类代理包括任务管理器代理和任务代理，管理着联邦成员中的代理 为完成特定的任务或目标的行为；系统类代理包括：使用单位代理、通讯代理、决 策代理和接口代理，是联邦成员的核心部分，管理着全域代理的信息交互和决策协 调；资源管理类代理包括：资源控制器代理、设施代理、资源代理和人员代理，管 理着系统所涉及到的资源设备。这些代理有些与现实系统的实体相对应，有些则是 对系统中的决策和管理功能的抽象。 通过研究我们确定了系统对象上各个要素之间存在以下几种关系：从属关系、 信息关系、通讯关系和操作关系。从属关系表示一个代理可以控制另一个代理的行 为；信息关系表示一个代理在信息交互上依赖于另一个代理；通讯关系表示两个代 理之间存在通讯连接，这类关系是其他类关系的基础；操作关系表示一个代理的行 为上依赖于另一个代理的某些操作输出的结果。图2-1是代理类的抽象关系模型图。 任务 系统 任务管理器 使用单位 资源控制器 设备 人员 物资 接口 通讯 决策 操作关系 从属关系 通讯关系 信息关系 图2-1 代理类的抽象关系模型图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2.1.3 主从主从联邦联邦式式结构结构 在1.2.3小节中我们详细介绍了多代理系统的三种基本结构，分析了他们各自结 构的优缺点，结合本论文所要研究的复杂物流系统，考虑到复杂物流系统中的核心 企业，我们将多代理系统的主从结构与多代理系统的联邦结构集成。 多个代理依据某种实际关联，聚合形成一个联邦成员，多个联邦成员组合形成 一个联邦，对应着一类系统，结合上节中的代理划分原则，提出了多代理仿真的主 从联邦式结构如图2-2所示。它继承了主从式结构的系统整体协调性好的优点，又有 联邦式适应大规模复杂系统，且系统内部信息交互效率高的优点，在多代理系统此 类复杂系统仿真方面拥有良好的优势。核心联邦成员是整个联邦的信息交互中心和 资源设备的调度控制中心，负责控制调度其他联邦成员及其内部的代理完成特定的 任务或目标。 支撑平台(软总线) 系统类 1，2，. 任务管理 类 1，2，. 资源管理 类 1，2，. 系统类 1，2，. 任务管理 类 1，2，. 资源管理 类 1，2，. 联邦联邦 联邦成 员1 联邦成 员2 联邦成 员n 系统类 1，2，. 任务管理 类 1，2，. 资源管理 类 1，2，. 核心联邦成员 联邦成 员n 图2-2 多代理仿真的联邦结构 在这个仿真系统中，各联邦成员在特定时间点通过支撑平台将其内部产生的实 时数据传送到核心联邦成员的仿真系统平台上，核心联邦成员仿真系统平台将接收 到的数据汇总分析，同时输入仿真开始所需的运行参数，然后进行计算机仿真，仿 真结束得出此仿真模型系统的最优或次优解，最后将相关结果反馈到相应的联邦成 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 员，联邦成员做出相应的调整。当联邦所处环境变化，影响到各联邦成员内部产生 的实时数据时，仿真系统可以及时响应变化，通过仿真求得的优化解或次优解，对 模型系统进行快速调整，提高了系统应对环境变化的能力。 在1.2.3小节联邦式组织结构中，提到了中间代理在联邦中行使着通讯桥梁的作 用，联系上节中代理的划分原则，在图示2-2的结构中，主要由系统类代理中的通讯 代理和接口代理行使中间代理的功能。通讯代理负责联邦成员内部各个代理之间的 通讯，接口代理负责不同联邦成员之间的信息传递和转译，进行信息投递的寻址和 将到达本地的信息翻译成本地可用信息。 联邦成员之间的信息交换通过支撑平台完成34。当某个联邦成员需要与其他组 的联邦成员交换信息时，首先将信息按照定义好的格式发送给支撑平台，由支撑平 台完成数据的交换和路由。随着联邦成员的增多，到达一定的程度时，联邦成员之 间的关系将更为复杂，信息交互量将更为庞大，采用基于软总线结构的仿真支撑平 台可以有效地实现仿真的互操作，对异构数据源继承及转换，并促进仿真资源的重 用。 2.2 多代理多代理仿真仿真数据库的构建数据库的构建 在一个联邦内部，代理与代理之间，联邦成员与联邦成员之间有大量的信息参 与交互仿真，需要不断地存储和读取数据，采用仿真技术与数据库技术相结合，是 必然的选择。 仿真所需的初始数值和运行参数设置先存入到仿真数据库表中，多代理仿真模 型通过调用这些数据表进行仿真，然后将仿真输出结果存入到仿真结果表里，供仿 真数值的评定分析，再返回对模型进行修正，更改数据库中的运行参数，获得更多 更确信的系统仿真结果数据。当所有仿真结束后，从数据库仿真结果表中导出数据， 就可以利用相关工具进行数据分析，得出优化模型解。 由于仿真时需要不断地存储或读取数据，数据库后台一直处于操作运行状态， 系统资源占用率大，对系统硬件配置要求较高。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 2.3 多代理多代理仿真仿真系统开发系统开发步骤步骤 多代理建模与仿真是一个复杂的过程，大体上可以分为以下几个步骤3637。具 体步骤如图 2-3 所示。 （1）系统定义：在对一个系统进行建模仿真之前，第一步要对待研究的系统进 行需求分析。确认建立的系统模型包含哪些实体，和这些实体所处的周边环境； （2）定义仿真目的和评价标准：定义构建的原型仿真系统的目的，在明确仿真 目的的同时给出仿真结果的评价标准，为系统模型的修正提供标准，规范着仿真建 模的全过程； （3）划分抽象层次：由于系统中涉及到个体数量众多且之间的关联关系繁杂， 所以在进行系统建模时，有必要依据某种抽象关系模型，将实际系统的元素抽象为 具体的代理类； （4）化分原型系统：在定义原型系统、明确仿真目的与评价标准和划分抽象层 次的基础上，构造系统模型； （5）在计算机上运行：将建立好的系统模型，通过计算机仿真辅助软件（包括 仿真软件平台和数据库系统等） ，在计算机上执行得出仿真结果； （6）结果收集分析：收集仿真运行输出的结果，按照己制定的仿真评价标准， 对仿真得到结果进行评价分析； （7）系统模型修正：依据仿真结果的分析，对系统模型的不足之处进行修正， 此过程可能是个反复的过程； （8）最终仿真模型：一次或多次修正后得到最终的多代理仿真模型，此模型是 最优或次优的仿真系统模型。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 系统定义/原型系统 定义仿真目的和评价标准 划分抽象层次 化分原型系统 在计算机上运行 结果收集/可信度分析 模型修正 最终仿真模型 图 2-3 多代理仿真步骤图 2.4 多代理仿真多代理仿真系统开发系统开发平台平台 一般来说，我们可以选择独立构建仿真平台，也可以选择对已有的基于代理的 仿真平台来进行开发。选择已有的仿真平台可以减少在与领域问题无关的仿真部分 编程的负担，比如仿真程序的控制以及输入输出的处理，使得研究人员能够将主要 精力放在代理行为规则的实现上。 为了更好地实现多代理仿真实验，人们开发了一些专门用于多代理实验的仿真 平台。目前，主要应用的仿真建模平台有netlogo 、swarm和repast。其他的一些主 要代理建模工具有：quicksilver、vseit、aspen和einstein等38。 swarm是最早研制的、应用较为广泛的基于代理建模仿真平台之一。它采用 objective-c语言开发， 在后来的版本中也支持java语言， 该平台移植性较差； netlogo 虽采用java语言开发，但它不是一个完全免费的软件，从而难以得到更多的支持39； 类“swarm”的仿真平台repast，是一个免费的软件，同时支持java和microsoft.net 两种平台，移植性和可扩展性好，它集成了地理信息系统，适用于军事仿真软件的 开发，但在分布式方面表现不足40；aspen和einstein专业性较强，难以应用于其 它领域。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 jade(java agent development kit)4142是一个开发多代理系统和应用的软件框 架，它被看作是一个在代理和框架之间的中间件，并且独立于应用程序。jade平台 可以跨机器平台实现分布式，甚至包括非jade的平台，同时还支持远程gui的代理 配置。这些特性决定了jade平台在分布式仿真应用方面比其他仿真平台有更广阔的 应用。 2.5 本章小结本章小结 本章详细论述了多代理仿真建模的方法，从对代理的定义和依此定义抽象代理 的粒度，明确如何将一个复杂的系统划分为结构清晰、关系明确的关系模型，再结 合多代理系统结构里面的主从式和联邦式结构，提出了适合复杂物流系统仿真的主 从联邦式多代理仿真结构，由此共同构造了联邦联邦成员代理的三层多代理仿 真的体系结构。由于仿真过程中涉及到数据库开发，需要提出了数据库在仿真中具 体所起的作用和使用方法。然后介绍了多代理仿真的详细步骤，便于系统开发过程 中的规范化。最后在介绍多款多代理仿真软件的基础上，对它们所能实现的功能进 行了比较，选取了适合复杂物流系统多代理仿真开发的 jade 平台作为的仿真开发 工具。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 3 基于基于 jade 的的多代理仿真多代理仿真开发方法开发方法 3.1 基于基于 jade 的多代理仿真实现框架的多代理仿真实现框架 在第 2 章提出的多代理仿真体系结构的基础上，我们充分考虑到复杂物流系统 的特性，选取了 jade 仿真软件作为实现多代理仿真的平台。利用 jade 软件平台 自身的构架和函数接口，提出基于 jade 的多代理仿真实现框架，为后续的具体多 代理仿真系统研究打下基础。 3.1.1 jade 开发平台简介开发平台简介 jade是完全由平台无关语言java设计实现的开源软件框架，它通过使用遵循 fipa标准的中间件和一套支持调试和部署的工具，大大简化了多代理系统的实现过 程，同时还具有一些辅助调试和配置的工具。一个基于jade的智能代理平台可以由 一个或多个代理容器组成，每一个容器都需要有一个独立的java虚拟机所驱动，由它 们来发布支持符合jade标准的智能代理的运行环境。 由fipa定义的标准的代理平台模式由以下几部分组成：代理管理系统(ams)： 是负责监督管理对代理平台的访问和使用的代理；目录服务(df)：提供默认的黄页 服务；消息传输系统：又叫代理通信通道(acc)，是控制平台内所有的信息交换，包 括与远端平台进行信息交换的软件。 在jade系统设计中，每一个jade运行环境的实例称为是容器(container)，在容 器中包含着多个代理，容器负责对这些代理的管理和维护，同时负责这些代理与系 统中其他容器中的代理之间的交互。jade平台的工作方式如图3-1所示，一个jade 平台中只有一个主容器，它是随着平台的启动而自动运行的，当其他的容器被创建 启动时，必须在主容器中的注册后方可使用。主容器中的ams管理着平台上的所有 代理，为它们提供独一无二的命名服务，主容器的df提供的黄页服务方便代理间互 相查阅各自所能提供的服务， 图示3-1中的代理在查阅df后找到了能为自己提供服务 的代理后，通过ams获取对方的地址便可利用acc进行透明的通讯。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 图 3-1 jade 的工作示意图 下面我们简要介绍下 jade 平台的启动： （1）首先下载 jade，下载站点： jade-all-版 本号.zip，这是个综合包，包括运行和帮助所需的文件，也可以只下载 jade-bin-版 本号.zip，它只包含运行 jade 所必需的文件； （2）将下载下来的压缩包，主要是 jade-bin-版本号.zip 包解压缩到一个文件 夹里，例如放到 d:jade下； （3）接着要设置环境变量。主要以 windows 操作系统为例，其他操作系统的环 境变量设置可参考官方帮助文档，classpath 中添加 d:jadelibjade.jar;d:jadelib iiop.jar;d:jadelibcommons-codeccommons-codec-1.3.jar;d:jadelibjavatools.jar;d:ja delibhttp.jar（上述环境变量设置是在 jdk1.6 版本以下所需的，jdk1.6 版本可以忽略 这步操作） ； （4）在完成上述步骤后，可以在命令行下输入命令“java jade.boot gui” ，测试 主容器运行是否正常，如果设置无误，会弹出 jade rma 主容器运行界面。 3.1.2 代理的定义和代理的定义和工作原理工作原理 jade为开发一个代理平台系统，提供了一个庞大的类库，以便开发者能够通过 这些类库来完成开发过程， 并进一步开发出相应的mabs系统。 为了完成一个特定任 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 20 务，按照2.1.1小节中代理的定义，需要用到jade类库中的四个相关类： （1） 与构建代理的框架相关的类（后面用代理类来简称） ，主要包括 jade.core.age