（计算机科学与技术专业论文）基于agent的最佳交流人员匹配问题的研究和实现.pdf

摘要 摘要 交流人员匹配作为现代网络远程教育中的一个环节已经越来越显示出它的 重要性。然而近期研究表明目前广泛使用的各类网络教学系统对学习者的学习 心理、情感状态以及环境状态基本没有考虑，难以实现学习者的动态适应性组 合，基本不支持最佳交流人员的动态匹配。 根据这一情况，本文介绍了一种基于多a g e n t 和合同网协议的最佳交流人 员匹配的模型。该模型利用基于b d i 框架的a g e n t 来增加匹配的智能性，利用 多a g e n t 原理和合同网协议设计了学习者a g e n t 和黑板系统。通过基于改进的 合同网模型的多a g e n t 协作，利用求助者a g e n t 和帮助者a g e n t 之间的互助和 帮助者a g e n t 和帮助者a g e n t 之间的互助，从而得出一个最适合的交流人员。 作者提出和设计了交流人员匹配的总体流程，使该模型能满足交流人员动 态匹配的需要。同时设计并实现了学习者a g e n t 的求助模块和帮助模块以及黑 板系统，使学习者a g e n t 在合同网模型中能相互协作。还给出了一个交流人员 匹配的具体算法，使得匹配更加合理有效。 关键词：交流人员匹配，a g e n t ，合同网，匹配算法 a b s t r n 江 1 kc o m m l m i c a t o rm a t c h i n gi s a ni n d i s p e n s a b l ep a r to fam o d e md i s t 觚c e e d u 洲o nn 咖o r k 觚dt h ei m p o r t a n c ei s b e c o m i n gm o r eo b v i o u s b u t ar e c e n t r e s e 础lo fv 撕o u so d u c a t i o ni n t e m e ts y s t e m ss h o w s t h a tt h em e n t a l i t y , s 锄1 b l l 时 跹d 饥v i r o n m e n tc o n d i t i o no fl e a r n e r s a r en o tc o n c e r n e dv e r yw e l l t h o s es y s t 锄s c a nh 硼y 呻l 弧饥t t h ed y n a m i cm a t c h i n gf o rl e a r n e r s ，a n dt h e yd o n t 唧r t 也e d y n a m i cm a t c h i n gf o r b e s tc o m m u n i c a t o r a c c o r d i n gt 0t h i s ，t h ep a p e r i n t r o d u c e sam o d e lf o rl e a r n e r s b e s t 鲫脚哪c 籼 b a s c do ni n u l t i a g e n ta n dc o n t r a c tn e t w o r k m o d e l t h em o d u l e 嗍t h eb d i 梳e d a 删t ou p g r a d et h ei n t e l l i g e n c e o fm a t c h i n g ，l l s 髓t h em u l t i a 刚觚d n 仃a c t n 酣o r kt od e s i 印t h el e a r n e ra g e n ta n d b l a c k b o a r ds y s t e m t h r o u g ht h ec 0 0 p 啪t i o n o fm u l t i a 倒州c hi st h em u t u a lh e l pb e t w e e nh e l p s e e k e ra n dh e 帆雒d 也e m u t u a lh e l p b 咖e e nh c l p e r s ，t h e nw e w i l lh a v et h em o s ts u i t a b l ec o m m u n i c a t o l 1 1 1 ea u m o r 丘锄e dt h ep r o c e s so fc o m m u n i c a t o rm a t c h i n g , w h i c h f u l f i l l e dt h e n e e do fd y n 锄i cm a t 出n gf o rc o m m u n i c a t o r s a n dt h ea u t h o ra l s oi m p l 唧e n t e d t h e m o d u l e so f l es e e k e ra i l dh e l p e ra n dt h eb l a c k b o a r ds y s t e m t h e m o d u l e sm a k et h e l e 锄e r sc o o p 耐ei nt h ec o n t r a c tn e t w o r km o d u l e t h el a s t b u tn o tt h el e a s t ，t h e d e s i g n e rt e l l su st h ea r i t h m e t i co fc o m m u n i c a t o r m a t c h i n gt om a k e t 1 1 em a t 曲岫gm o r e r e a s o n a b l ea n de f f i c i e n t k e yw o r d s ：c o m m u n i c a t o rm a t c h i n g ， a l g o r i t h m a g e n t ，c o n t r a c tn e t w o r k , m a t c h m a k i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 、f l 学位论文作者签名落氏 7 。u 罗年f 月2f 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名：荡茂 年月，日7 回7 罾年 月2f 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 乡叨 r c 7 名 目 雠 月 作 年 姊 孵 沁 昭 位 m 制 7 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 现代网络教学的现状 第一章绪论 ( 1 ) 学习与教育的全球化趋势 世界政治和经济的全球化趋势越来越明显，也由于基于信息技术的全球电 子通信网络的日新月异的发展、扩展和渗透，教育和学习的区域化和全球化趋 势同样也得到迅猛发展，并成为新世纪之初，各国教育发展战略和决策的重点 课题、研究和舆论的争论热点之一。教育和学习的全球化趋势对各国而言是机 遇和挑战并存。 一方面，信息社会和现代通信技术带来的全球化和自由化进程使知识发挥 主导作用，给我们提供了许多激动人心的机会。教育正从校园和课堂的狭窄天 地中、从大学辖区和国家边界中解放出来走向更广阔的世界。国际互联网和其 他通信设施的广泛应用使教育趋向全球化，诞生了许多新的机会。现在，教育 可以通过各种通信媒体和网络来提供。这必然引发从古老年代的课堂教学过程 向通过同步或异步通信实现的虚拟或分布式的课堂与学生相互作用的教学的转 变。其终极目标是使教育开放：向教育对象、教学时空、教育观念和教学实践开 放。随着使用电子网络媒体，可以适应各种学习者的需要，并且以更多交流和 通信的方式发送给学生。整个教学过程将转变成在网络上的协同学习和工作。 网络还可以用来开放和提供各种学习资源，进而被各种单位和地区共享，并在 每个学习者需要的时间和地点被利用。现在正是建立全球知识网的时刻，通过 网络和“基于资源的学习 ，所有的人，尤其是至今仍处于不利地位的人们能共 享专业知识和专门经验，在公正和平等的基础上共创2 1 世纪的文明。 另一方面，全球化进程和未来知识社会有可能继续加大数字鸿沟，从而继 续加大贫与富、先进和落后的差距，即继续加剧现存的不公平状态：并且有可能 在文化和教育领域里形成某些力量的主宰地位，从而威胁发展中国家或欠发达 国家丰富的历史遗产和文化认同。这是包括许多亚洲国家在内的发展中国家关 第一章绪论 注的焦点之一。各国如何抑制教育全球化带来的负面效应而尽量开发正面效益， 成为一大主题。 所以重要的是，采用适当的方法去适应各国人民的需要、背景、文化和信 仰。将各国人民辉煌的古代文明和丰富的历史遗产和现代化联系起来是每个国 家教育系统面临的任务。数字鸿沟从根本上说，是受良好教育的优势群体与被 剥夺了教育权利的弱势群体之间的社会鸿沟。新的教育目标归根结底是发展在 数字环境中的大众教育和全民教育。 ( 2 ) 远程教育的全球化趋势 远程教育的全球化趋势，既是国际社会政治、经济、文化、教育全球化进 程的组成部分，也是为后者服务的。为了更好地描述和解释在2 1 世纪开放与远 程教育在各国社会中的角色，需要更好地理解各国经济如何融入全球经济，以 及各国文化如何融入全球文化之中。信息技术和全球化为教育带来了新的活力。 现存的开放与远程教育院校面临来自传统大学、新兴的国际的和虚拟大学的与 日俱增的竞争，后者运用新技术和新的办学模式来寻求教育市场的更大的份额 互联网及万维网新构建的全球市场正在变得越来越充满进取精神，学生得以在 全球范围寻求最适合的课程和学位。 对于全球化的挑战，发展中国家最为关心的是，以全社会为基础的未来知 识不应该拉大贫与富、优势和弱势人群之间的差距，由此加剧亚洲国家亿万人 民己遭受的不平等。 在全球化的趋势下，开放与远程教育的国际竞争和院校合作正在加强。一 些著名的远程教育系统已实施了全球教学，如2 0 0 1 - 2 0 0 2 学年英国开放大学在 世界各地注册学习外国学生已经超过6 万人，比2 0 0 0 2 0 0 1 学年增加2 2 ，。其 中6 5 的学生学习数学、计算机。英国开放大学的课程还被翻译成别国语言进行 教学，这类课程的注册数量一年内也增加了1 9 ，目前绝大多数是工商管理课程， 但已有数学和计算机课程以及社会科学类课程开始被翻译用于别国的远程教 学。法国国家远程教育中心2 0 0 2 在1 9 0 个国家拥有5 0 0 名学生。美国国家技术 大学的教学卫星电视网也已经扩展到了北美、拉丁美洲、大洋洲、欧洲、亚洲 等世界许多地区。西班牙加泰罗尼亚开放大学在拉丁美洲的注册学生数也已超 过了在西班牙本土的学生数。澳大利亚和其他国家的远程教学大学正在将它们 的教育扩展到其他国家和地区。一些亚洲远程教学大学也在使它们的教育地区 化或国际化。 2 第一章绪论 ( 3 ) 良好的国际形势加速了国内远程教育的全球化进程 随着我国加入世贸组织，中外合作办学的春天己经来临，我国远程教育的 全球化进程必将快。 一方面在中国，教育作为一种产业已经深入人心。国家主席江泽民在第三 次全国教育工作会议上的讲话中指出“要将教育纳入战略发展征战和现代化建 设的整体布局之中，切实把教育作为先导性、全局性、基础性的知识产业和关 键的基础设施，摆在优先发展的战略重点地位”。改革开放以来，中国以自己的 实力和发展前景吸引着世界，成为全球聚焦的中心之一。中国国内生产总值以 年均9 7 的速度递增，经济总量跃居世界第7 位，在世界贸易排名中上升为第 1 1 位。 另一方面，新加坡内阁资政李光耀在北京举办的“2 1 世纪论坛2 0 0 0 年会 议上发表的演讲中指出：“全球化增加了发达国家对人才 的需求，尤其是在信 息科技领域取得了显著的发展之后。这些国家都放宽了移民条例，提高了发展 中国家的人才流动性。中国拥有最多的人力资源，但受过训练的人才却只占总 潜质人才的小部分。要在高科技领域取得成功，主要的因素是教育制度。中国 劳动队伍的低教育水平是一个障碍。”人力资源开发的落后同中国经济的高速发 展形成了鲜明的反差，并最终会对中国经济的可持续发展产生负面影响。正如 中国经贸委培训司有关负责人指出的：“企业的竞争表面看是品牌产品的竞争， 实际上是设备技术的竞争，往深层讲是人才的竞争，而世界各国的人才竞争才 刚刚开始。市场只有两个，一个是资本市场，一个是人才市场，而后者比前者 更重要，也是政府极力要推动建设的一个市场。 随着中国加入世贸组织，人才 市场和教育市场的改革开放也已经提上了议事日程。远程教育、网络教育的开 放和全球化更是首当其冲。人才共享、教育共享将加速中国的现代化进行，同 时使我们对人类文明的进步做出更大的贡献。 1 1 2a g e n t 技术在网络教学中的应用 a g e n t 技术在系统自然建模、管理和控制复杂系统、提高目标软件系统的灵 活性、可维护性以及可重用性等方面呈现出具有一定的优越性，使得教育工作 者能够十分方便地理解、认识、描述和实现复杂的现实系统网络学习环境 中不同行为实体( 学习者和各种指导者) 之间复杂的交互、合作、协商和竞争， 3 第一章绪论 能够很好地帮助解决目前网络教育应用系统所存在的许多问题。所以，伴随着 主体技术的不断进展，国内外的教育工作者和有关技术人员就进行了大量的应 用性研究工作；众多的研究机构也陆续开发出相应的实验验证系统，并逐步推 广应用。例如，一个专门讨论如何利用智能代理机制改进教学活动的a i e d 年会， 已经发展成4 0 多国家参与、6 0 0 多位正式成员的大型国际学术会议机构，在每 年的年会上有大量的科研论文和原型验证系统被提交会议讨论和交流。而在国 内，由于a g e n t 理论与应用的迅速发展，于2 0 0 6 年8 月在烟台成功举办了“第 一届a g e n t 理论与应用学术专题年会 。 目前所取得成功的经验证明：a g e n t 的应用于实际问题时，应避免在a g e n t 技术应用上的求全求广。因此，与其它行业情况一样，教育行业的主体技术应 用重点也放在了一些具体的环节上，有针对性地解决网络教育环节中一两个典 型问题，特别强调以“点”为主的研究思路，注重与特殊领域的应用需求的结 合，注重与主流软件工程开发技术的结合，以便控制应用系统的复杂程度。但 另外一方面，随着人们对主体技术研究的深入，尤其是在各个行业领域应用推 广中所获得的经验教训；人们认识到现有的a g e n t 技术离工业化、大规模的应 用尚有很大的差距，还有很多待研究的问题。 1 1 3 相关基础理论及技术的进展 ( 1 ) 主体( a g e n t ) 技术的研究现状 在动态变化的网络环境中，为实现网络教学系统的有效运行，为学习者提 供足够的个性化、智能化的支持，其核心技术是借助于主体( a g e n t ) 技术的实 现机制和手段，所以其研究工作必然从主体( a g e n t ) 技术自身发展而展开的。 一般意义上，采用主体技术的优势主要集中在如下两个方面：其一是在建 模方面，其高度的抽象更加贴近现实世界，有助于描述那些具有不确定性、动 态的和不可达的复杂事物，有助于实现从需求模型到设计模型的自然过渡，不 需要开发人员过早地考虑清楚各种具体事物之间的复杂联系和相互作用。其二 是在设计和实现阶段，开发人员不需要预先定义和实现各种具体事物之间的交 互关系，也不用预先规划出其相互通信的方式和内容；其完成可以由主体根据 其设计目标和所感知的环境信息，在系统运行过程中，自主地决定何时、以何 种方式与目标事务进行交互；这显然降低了各种系统开发的复杂性，降低了系 4 第一章绪论 统的后续升级开发和维护的难度。 ( 2 ) 相关重点技术研究情况 近几年来，为了实现主体技术在各类行业的有效利用，许多相关的技术问 题也得到了进一步的深入。 在语义w e b 方面，为了克服目前基于w e b 信息共享方式在资源定位查找上 的不足，语义w e b 通过为网页扩展计算机可处理的语义信息，为各种资源赋予 明确的语义信息，建立一种使网络资源的语义能自表示、便于机器理解、基于 互联网的信息共享平台，以此来支持w e b 信息的有效共享和利用。语义w e b 自 提出以来，迅速成为当今网络计算研究的热点之一，其研究主要包括：标记语 言如r d f 、o i l 、d a m l 等，本体( o n t o l o g y ) 的建立与维护、描述逻辑和推理等。 在网络资源行为学方面，从九十年代后期以来，人们采用系统科学、物理 学和统计学等研究方法，对互联网资源的行为特征和规律以及由此呈现的自组 织宏观特征进行了分析，在s c i e n c e 、n a t u r e 等著名期刊上发表了一系列的文 章，在学术界引起了很大的反响。研究表明，虽然互联网是由大量自主节点组 成的，各个自主节点的行为从表面看来具有相当的随机性，但在一定的应用目 标聚合下，其行为有着一定的内在规律，如小世界( s m a l l w o r l d ) 特性、尺度 无关( s c a l e - f r e e ) 特性等。如何利用网络资源行为学开展基于网络的虚拟计 算环境研究正成为越来越多的学者的关注焦点。 随着心理学界对认知学习理论研究的不断深入，其重要分支建构主义的学 习理论和教学理论逐渐流行。由于w e b 网络环境和多媒体技术所具有的多种特 性特别适合于实现建构主义的学习环境，建构主义的学习理论已经成为网上教 育应用系统的理论基础。作为这一理论的技术实施，多主体系统 m a s ( m u l t i - a g e n ts y s t e m ) 出现在研究者的视线当中。它放松了对集中式、规划、 顺序控制的限制，提供了分散控制和并行处理，其研究主要包括协调、协商、 协作、理性、对抗、组织，对主体理论、动作理论、主体结构、主体通信、主 体的协调与协作、多主体处理环境m a p e 等多个方面进行了深入地研究【1 9 】。 1 1 4 国内外基于a g e n t 的网络教学系统的研究现状及其不足 自从网络成为现代信息社会的基础设施以来，人们就一直尝试在这种开放 的基础设施之上，通过对各类教学资源的有效聚合和广泛共享，开发各种教学 5 第一章绪论 辅助应用系统，为终端用户或学习者提供更全面、更个性化、更方便、更智能 的一体化教学服务环境。 伴随着a g e n t 技术的不断进展，国内外的教育工作者和有关技术人员就进 行了大量的应用性研究工作；众多的研究机构也陆续开发出相应的实验验证系 统，并逐步推广应用。如加拿大s a s k a t c h e w a n 大学的科研工作者在研制i - h e l p 系统中，把m a s 理论应用在网上学习问与答环节，通过分析异构分布环境中的 各种可变行为( 如资源存储地点变化) 如何引起各学习者主体之间的自主协商、 竞争和合作，依据学习者的隐性行为和显性要求，提出了一些对诸如定位恰当 交流人员和电子资源材料等问题的解决办法，比较良好地解决如何帮助学习者 获取“恰当帮助”的问题上，形成了一个智能化程度比较高、实用性也较强的 实验系统。 在国内，大量的学者也进行了类似的研究工作。例如通过采用 b r o w s e r c 1l e n t s e r v e r 混合型层次化结构，以及i e e el t s cl o m 学习资源标 准模型，在现代构建教育理论和模糊理论基础上，构建了一种新的基于 m a s ( m u l t i a g e n ts y s t e m ) 的网络教学模型。此外，也有通过同时强调学生的 主体性和教师的指导性，提出层次化结构的“双主模式”的b a s 模式( b r o w s e r a g e n t s e r v e r ) 的多a g e n t 系统模型；以及结合a g e n t 、数据库、动态网页等 技术，强调将大部分a g e n t 散布放置在网络空间上，以改进按照事先设定的教 学策略将课件存储在服务器上的局限性。 但比较而言国内的研究目前还在一个比较初级的转化应用阶段。虽然已有 一些原型系统，但大多都比较简单，在智能程度、与教学过程的融合程度、对 教学质量的促进和提高等方面还远没有达到理想的程度，也没有形成比较完善 的可以称之为产品的系统。 近期的文章研究表明，目前广泛使用的各类网络教学系统的不足主要表现 在下面两个方面： ( 1 ) 多数应用系统仍然以“刺激一反应 的行为主义理论为指导来设计系 统模型，多以机械式地呈现教学材料为主；对不同认知水平采用相同的教学策 略，未能达到因材施教。 ( 2 ) 对学习者的学习心理、情感状态以及环境状态基本没有考虑；难以实 现学习者的动态适应性组合，基本不支持最佳交流人员或者最佳辅导材料的动 态匹配。 6 第一章绪论 1 2 课题研究的主要内容 1 2 1 课题研究的主要内容和重点 ( 1 ) 多a g e n t 之间的通讯机制 本网络学习者智能自助系统是通多a g e n t 之间的相互协作来完成交流人员 的匹配。那么a g e n t 之间必须使用一种有效的方式来达到相互通讯的目的。本 系统中采用了进行改进的黑板系统来实现交流人员匹配时多a g e n t 之间的相互 通讯。a g e n t 可以通过黑板系统中的匹配任务信息区来实现匹配时的信息交换。 加上黑板系统中的监控a g e n t 可以更加准确地确定可能提供帮助的a g e n t 。 ( 2 ) 对“交流人员匹配的问题建模 对于“交流人员”匹配的问题建模本系统采用双向努力策略。所谓双向努 力策略即帮助的需求者和帮助的提供者共同努力来实现相互的匹配。与以往的 单由帮助的需求者独自寻找匹配者相比，双向策略能更快更有效的找到合适交 流人员。对本系统采用的a g e n t 实现技术也更加能体现其的自主和互助性。这 使得“交流人员”匹配的问题建模分为2 个子部分。求助者模型和帮助者模型。 他们是学习者a g e n t 结构中的2 个功能模块。对于求助者来说他需要将其需要 其它学习者帮助解决的问题写入到黑板的匹配任务信息区中，等待多a g e n t 的 协作来得出合适的交流人员。对于在系统中每个学习者a g e n t 都会在得到黑板 系统监控a g e n t 发出的信息后，去获取匹配任务区中相应的问题将之与自身的 学习者模型进行匹配。若匹配成功学习者就成为了帮助者。当匹配不成功时， 这里提出一个简化的熟人模型来解决这一问题。 ( 3 ) 多a g e n t 之间的协作机制 本系统中采用改进的合同网协议作为多a g e n t 之间的协作机制。以往在进 行交互协同时由于没有对承诺进行约束，所以在交互过程中就会存在反复协商 的过程，这将会造成信息的大量冗余和资源的浪费。本系统对合同网进行改进， 在合同协商过程中加入约束，减少了一些不必要的信息交互，使协同更顺利的 完成。对合同网协议的改进体现在求助者a g e n t 对所提出问题进行招标的时候， 在对各个可能的提供帮助的a g e n t 进行问题匹配时附带约束条件，并采用黑板 系统而不是传统的广播方式来进行招标。 7 第一章绪论 1 2 - 2 所做的工作 1 把a g e n t 技术引入了交流人员匹配当中，这样可以使整个匹配过程添加 协作功能，有利于匹配的准确率，提高了整个自助系统的智能性。 2 思考了多a g e n t 之间的通讯机制，提出了改进的黑板模型来解决多a g e n t 之间的通讯。 3 提出了交流人员匹配的模型，来解决现实中交流人员匹配的问题，并设 计了改进的合同网模型和多条切实可行的匹配规则。 4 横向比较a d k ，j a c k 等最前沿的a g e n t 开发工具分析它们的优缺点，从 中选择一种适合于课题实现的a g e n ti d e 开发工具来实现设计的模型。 1 3 本文的结构安排 第一章为绪论，总体介绍了a g e n t 技术与远程教育相结合的一些背景。 第二章介绍原理，描述建构主义理论和a g e n t 的基本原理。 第三章介绍了上海电视大学网络化教育系统和基于多a g e n t 网络学习者智能自 助系统。 第四章描述了交流人员匹配模型的详细设计过程和主要功能模块。 第五章详细介绍交流人员匹配模型实现和实验模拟。 第六章对交流人员匹配模型进行总结和展望。 8 第二章原理 2 1 建构主义理论 第二章原理 建构主义认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境 ( 即社会文化背景) 下，借助其他人( 包括教师和学习伙伴) 的帮助，利用必 要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的。“情境”、“协作”、“会话”和“意 义建构”是学习环境中的四大要素【1 9 】。 情境：学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容进行意义建构。在建 构主义学习环境下，教学设计不仅要考虑教学目标分析，还要考虑有利于学生 建构意义的情境的创设。 协作：协作发生在学习的全部过程中，它对学习资料的搜集与分析、假设 的提出与验证、学习成果的评价直至意义的最终建构均有重要作用。 会话：会话是协作过程中的不可缺少环节，学习小组成员之间必须通过会 话商讨如何完成规定的学习任务。此外，协作学习过程也是会话过程，在此过 程中，每个学习者的思维成果( 智慧) 为整个学习群体所共享。 意义建构：这是整个学习过程的最终目标。在学习过程中，帮助学生进行 意义建构就是要帮助学生对当前学习内容所反映的事物性质、规律以及该事物 与其它事物之间的内在联系达到较深刻的理解。 2 2 网络学习者智能自助系统的学习理论基础 学习理论家倾向于哪一流派，往往取决于他们侧重于研究什么样的学习。 探讨条件学习的人往往认为“刺激反应”联结说更适合自己的需要，而对 问题解决感兴趣的人，则可能感到认知学说更为有效。学习理论的发展，并不 是一种替代的发展关系，而是一种继承、扬弃和发展的关系。行为主义强调客 观刺激，认知主义强调主体的原有认知结构，而建构主义则强调知识在具体环 境中的建构过程和建构结果。它们都有合理、科学的一面，同样也有局限性的 一面，并不存在一种学习理论，无论什么环境、什么情况下都适用。 9 第二章原理 在网络学习者智能自助系统中，根据对学习环境的研究，我们认为建构主 义学习理论更能正确地描述在网络环境下学生的学习。因此，网络学习者智能 自助系统采用建构主义学习理论作为理论基础。 建构主义认为，学习者是在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关 于外部世界的知识，从而使自身认知结构得到发展。学习者与环境的相互作用 涉及两个基本过程：“同化 与“顺应”。同化是指把外部环境中的有关信息吸 收进来并结合到学习者已有的认知结构( 也称“图式 ) 中，即个体把外界刺激 所提供的信息整合到自己原有认知结构中的过程；顺应是指当外部环境发生变 化，而原有认知结构无法同化新环境提供的信息时所引起的学习者认知结构发 生重组与改造的过程，即个体的认知结构因外部刺激的影响而发生改变的过程。 可见，同化是认知结构数量的扩充( 图式扩充) ，而顺应则是认知结构性质的改 变( 图式改变) 。认知个体( 学习者) 就是通过同化与顺应这两种过程来达到与 周围环境的平衡。当学习者能用现有图式去同化新信息时，它是处于一种平衡 的认知状态；而当现有图式不能同化新信息时，平衡即被破坏，修改或创造新 图式( u pj 颐应) 的过程就是寻找新的平衡的过程。学习者的认知结构就是通过 同化与顺应过程逐步建构起来，并在“平衡不平衡新的平衡 的循环 过程中得到不断的丰富、提高和发展。 2 3a g e n t 技术 2 3 1a g e n t 的基本概念 什么是a g e n t ? 为a g e n t 给出一个准确详尽的定义是十分困难的。目前学术 界和工业界的许多人士对a g e n t 概念的定义仍然有许多争论。 在这里我们从软件工程的视点和角度给出a g e n t 概念的一个一般性定义。所 谓a g e n t 就是指驻留在某一环境下能够自主( a u t o n o m o u s ) 、灵活( f l e x i b l e ) 地 执行动作以满足设计目标的行为实体。 更进一步我们可以从五个方面来阐述。 ( 1 ) a g e n t 驻留在环境中并需要与环境进行交互 任何a g e n t 都不是孤立和封闭的，它驻留在一定的环境之中，需要与环境不 断地进行交互。a g e n t 根据从环境中获得的感知输入，自主地决定该执行什么样 1 0 第二章原理 的动作以实现其设计目标。a g e n t 动作的执行将对a g e n t 所驻留的环境产生影响， 导致环境状态的变迁以及系统的进一步演化。 ( 2 ) a g e n t 是行为实体 a g e n t 是一个行为实体，它具有一组动作并能执行这些动作，是动作执行 的决策者和实施者。a g e n t 的动作反应了a g e n t 所具有的能力，这种能力主要体 现为：a g e n t 动作的实施将有助于实现a g e n t 的设计目标并对a g e n t 所驻留的环 境产生影响。 ( 3 ) a g e n t 能够自主地实施行为 a g e n t 具有属于自身的计算资源和局部于自身的行为控制机制，能在没有 人类或其他a g e n t 的直接干涉和指导的情况下运行，并能根据其内部状态和感知 到的环境输入决定自身的状态，控制自身的行为。 ( 4 ) a g e n t 的行为具有一定的灵活性 a g e n t 的行为具有一定的灵活性，主要体现为：反应性( r e a c t i v e ) 、社会 性( s o c i a l ) 和自发性( p r o a c t i v e ) 。所谓反应性是指a g e n t 能够感知所处的环境， 并能对环境中发生的相关事件做出适时反应。自发性是指a g e n t 并不是仅仅简单 地对环境中发生的事件做出适时反应，而且还能够表现出某种目标制导 ( g o a l d i r e c t e d ) 的行为。社会性是指a g e n t 所驻留的环境可能存在其他a g e n t ， 它拥有这些a g e n t 有关信息和知识，并能与它们进行交流和通信，实现灵活多样 和复杂的合作、协商和竞争，以满足系统的设计目标。 ( 5 ) a g e n t 有其设计目标 系统中的每个a g e n t 都有其特定的设计目标。由于不同a g e n t 在系统中所充 当的角色、所承担的职责以及所拥有的信息和资源等方面的差异，系统中不同 a g e n t 的设计目标可能是不一样的。在其生命周期和持续运行过程中，a g e n t 根 据其设计目标和感知到的环境输入自主地决定自身的行为。 2 3 2a g e n t 的理论模型 对a g e n t 的理论研究主要包括对a g e n t 的认知模型和有关理论的研究，主要 从逻辑、行为、心理、社会等角度出发，研究如何用符号表示复杂现实世界中 的a g e n t ，以及a g e n t 如何根据各种信息对环境进行推理和决策。在研究过程中， 运用逻辑学作为工具，先精确地定义有关a g e n t 的各种概念，如信念、愿望、意 第二章原理 图协商、合作、承诺等，然后对有关推理问题进行研究。在这方面，b r a h m a n 的b d i ( b e l i e f - d e s i r e i n t e n t i o n ) 理论是被公认的a g e n t 理论基础。b r a h m a n 从 哲学的角度对人们的意图进行了深入研究，认为只有保持信念( b e l i e f ) 、愿望 ( d e s i r e ) 和意图( i n t e n t i o n ) 的理性平衡才能有效地解问题，他认为在开放世 界中，理性a g e n t 的行为不能直接由信念与愿望以及由这两者组成的规划所驱 动，在愿望与规划之间应有一个基于信念的意图存在，一个理性a g e n t 的行为是 受制于意图的，a g e n t 不会毫无理由地改变自己的意图，也会坚持不切实际的意 图。信念是a g e n t 对世界的认识，愿望是分配给a g e n t 的任务在通常情况下， a g e n t 不可能满足所有的愿望，因此a g e n t 只能集中有限的资源于某些愿望，这 些愿望就是意图。 2 3 3a g e n t 的体系结构模型 基于a g e n t 的b d i 理论模型，可以构造出a g e n t 的基本结构模型。研究者提 出了不同的a g e n t 结构模型，试图从不同的角度对a g e n t 进行实现。主要的a g e n t 结构模型有慎思a g e n t ：反应a g e n t 和混合式a g e n t 等。所谓慎思a g e n t 就是把 a g e n t 看作是一个问题求解器，内部使用符号表示的事实、规则等等进行推理、 规划来控制a g e n t 的行为，这是与传统人工智能和主流计算机科学一脉相承的方 法。这种方法具体包括了两个主要分支：一种是b d i 模型，如眦和g r e a t * ： 另一种是规划系统。反应a g e n t 以s t a n f o m 的b r o o k s 和c h a p m a n 为代表，如 p e n g i 系统。这两种方法各有千秋，也都有不可克服的缺点。于是很自然地， 人们想到将两种思想合而为一作为混合a g e n t ，这种方法的代表有p r s 系统和 i n t e r r a p 系统。 ( 1 ) 慎思a g e n t 结构模型 慎思a g e n t ( d e l i b e r a t i v ea g e n t ，又称认知a g e n t ( c o g n i t i v ea g e n t ) ，是 一个基于知识的显式的符号模型，其特点是具有环境和智能行为的逻辑推理能 力，其决策( 如执行什么动作) 是通过逻辑推理、基于模式匹配和符号操作得出 的。慎思a g e n t 具有内部状态的主动软件，具有知识表示、环境表示、问题求解、 具体通信协议等【6 】。该结构模型在d a i 中占主导地位。 这种结构模型存在的问题是：如何在一定时间内将现实世界翻译成为一个 准确、合适的符号描述，又如何让a g e n t 在一定时间内根据这些信息进行推理和 1 2 第二章原理 决策。很多学者在这个领域进行了大量研究，但是离真正解决问题还有很大距 离。有一些看来很简单的问题，例如常识推理，要实现起来都非常困难。符号 演算算法的复杂性使得最简单的定理证明也要耗费大量时间。此外，b r o o k s 认 为人一级的智能太复杂，并且人类还没有能够充分地理解它，因而还不能分解 为正确的构件。即使分解是正确的，也仍然不知道这些构件之间正确的接口。 ( 2 ) 反应a g e n t 结构模型 反应a g e n t ( r e a c t i v ea g e n t 是不包含符号表示的模型，其特点是包含了感 知内外状态变化的感知器和一个依据感知器获得的信息激活的控制系统。该结 构模型在分布式系统中占主导地位。 目前已有试验表明：在现实世界中，反应a g e n t 在做一些有限的任务时优于 传统的方法。然而，反应a g e n t 在处理一些需要世界知识的任务时却存在一些问 题，这些知识必须通过推理或从记忆中获得，而不是通过感知得到。还有，反 应a g e n t 适应能力一般比较差，常常没有任何学习能力，并且事实上a g e n t 的每 个行为需要分开来编码，与之相关的是系统可扩展性问题。因此，有些研究者 认为：基于反应方法的a g e n t 永远不会达到人类的智能。 ( 3 ) 混合式a g e n t 结构模型 以上两种a g e n t 的结构模型都不适合于构造复杂系统，应该把两者结合起 来，构造混合式a g e n t 结构模型。混合式a g e n t 结构模型的特点是在一个a g e n t 中包含两个或多个子系统，一个是慎思子系统，一个是反应子系统，而且是分 层组织的，前者建立在后者之上。混合式a g e n t 结构模型克服了前两种模型功能 不够全面、结构不够灵活的缺点，给出了在实时反应目标指导下具有自主行动 及合作等综合能力的a g e n t 模型。如：g e o r g e f fl a n s k y 提出的p r sc p r o c e d u r e r e a s o n i n gs y s t e m 结构模型。p r s 是一种“信息一愿望一目标体系，它有一个 计划库，以及显式表示的信念、愿望和目标。信息是一些事实，包括外部世界 和a g e n t 的内部状态。愿望由系统行为来表示。p r s 计划库包含一些不完整的计 划，称为知识区( k a ，k n o w l e d g ea r e a ) ，一个k a 都和一个激活状态相连，这个 状态决定k a 什么时候被激活。k a 可以用目标，也可以用数据来激活，所以 k a 可以是推理式的，也可以是反应式的。a g e n t 中一系列活动的k a 代表其目 标。所有这些数据结构，用一个系统解释器来处理，它负责更新观念，激活k a 或执行系统行为。 1 3 第二章原理 根据以上a g e n t 的理论和模型，可以把a g e n t 看作一个黑箱，通过感应器感 知外部环境，通过效应器对外部环境进行反应。以基于触发事件优先级为基础， 给出了一个a g e n t 的结构模型，其工作过程如图2 1 所示。 图2 1a g e n t 工作原理图 a g e n t 通过外部接1 3 感知外部环境，与外部环境进行交互，通过感知模块接 受外部信息，并对输入信息进行过滤和分类，把信息传递给推理模块，推理模 块根据知识库模块的历史经验和知识进行推理，最后决策模块根据推理和规则 做出决策，把动作指令交给执行模块，通过外部接口对外部环境产生动作。 2 3 4 基于叩i 框架的a g e n t 结构 b d i 框架结构是最早出现的慎思型a g e n t 基本结构的重要代表，是将a g e n t 作为意识系统的具体体现。b d i 框架产生的根基在于实用推理理论的哲学基础， 它模仿了人们为了实现一定的目标而采取一系列行动的过程( b r a t m a n ，1 9 8 7 ) 。简 单地说，它是由信念、愿望和意图三个基本概念构成，其中信念反映了a g e n t 的认知特性，愿望反映了a g e n t 的感情偏好，a g e n t 做出承诺的目标形成意图。 r a o 和g e o r g e f f 的研究将a g e n t 视为理性a g e n t ，并将信念( b e l i e f ) 、愿望 ( d e s i r e ) 和意图( i n t e n t i o n ) 作为a g e n t 的三种基本精神状态来对a g e n t 的行为进 行描述，因此称这种a g e n t 模型为b d i 模型。信念是系统状态的信息部件；期 望刻画了a g e n t 的动机特性；意图则是由信念和期望所驱动的行为。传统的b d i 模型利用事件激活选择函数来选择最佳的行为作为意图，这种模型适合于达到 目标的方法较为灵活的系统，但选择函数的实现却较为复杂，并且与具体的应 1 4 第二章原理 用相关。考虑到b d i 模型的精神状态特征，在基于精神状态的a g e n t 的实现中 采用规则来表示信念、期望和意图之间的驱动关系，并称其为b d i 行为驱动规 则。由此，b d i 行为驱动规则可以表示为： b e l ( 巩f ) nd e s ( 如s ) - i n t ( a , i ) ； b e l ( a ，f ) 表示a g e n ta 相信f ，d e s ( a ，s ) 表示a g e n ta 期望达到状态s ，i n t ( a ，i ) 表示a g e n ta 有意愿i 。规则表示当a g e n ta 相信f 且a g e n ta 期望达到状态s ，则a g e n ta 有意愿i 。 图2 2 显示了b d i 形成模型。a g e n t 对外界变化( 包括通信系统) 的感知导致 信念和期望发生变化，信念和期望根据b d i 行为驱动规则生成新的意图，而该 意图的实施又会对信念和期望产生影响。从效应指向意图的箭头仅表明随着意 图的实现，该意图将从精神状态库中删除，新的意图只能通过b d i 行为驱动规 则生成。 除了信念，愿望和意图三个基本心智状态以外，a g e n t 还包括能力、知识、 规划等其它重要心智状态，这些心智状态共同决定了a g e n t 行为与性能。随着外 界环境的不断变化，a g e n t 的心智状态不断动态调整，需要用数学工具去刻画心 智状态值。由于a g e n t 的心智状态描述往往需要模糊描述，这样才符合人脑的思 维，例如a g e n ta 的能力强，a g e n ta 完全相信事实f 等等。所以采用模糊理论对 a g e n t 的心智状态值进行刻画。于是，b d i 行为驱动规则可以表示为：b e l ( a , f , 1 ) nd e s ( a , s ，0 8 ) - - i n t ( a , i ，1 ) 。规则表示当a g e n ta 完全相信f 且a g e n ta 非常期望达 到状态s ，则a g e n ta 有意愿i 。 2 3 5 多a g e n t 系统( g a s - g u l t i _ a g e n ts y s t e m ) 多a g e n t 系统的思