（计算机软件与理论专业论文）基于智能多agent的供应链仿真建模研究.pdf

摘要 供应链管理为企业提供了一种新的管理理念与模式，它所强调的快速反应市 场需求、战略管理、高柔性、低风险、成本效益目标等优势，吸引了许多学 者和企业界人士研究和实践它，越来越多的企业认识到了供应链管理巨大潜力， 开始把它运用到他们的组织中，然而实现供应链管理还存在着不少的问题，这些 问题可以通过仿真技术来解决。本文介绍了一种解决方案基于智能多代理 ( i n t e l l i g e n tm u l t i - a g v a t ) 进行供应链仿真建模技术来分析和解决供应链管理中 存在的问题，并结合实际供应链项目，研究了如何使用智能多代理技术构建供应 链仿真系统。 在实现系统之前，本文首先通过列举常用的建模仿真技术比较说明了基于智 能多代理进行供应链仿真建模的优势：然后介绍了智能多代理技术以及基于智能 多代理的软件开发过程，并据此分析了使用z e u s 开发工具开发基于智能多代理供 应链仿真系统的方法学 本文分析了北京天雄公司作为i t 分销企业在供应链中常见的问题通过使 用z e u s 开发工具集、z e u sa g e n t 平台和j a v a 语言，按照应用问题域分析、系 统设计和系统实现的过程，对天雄公司所处供应链进行建模、仿真和分析。 本文对于基于智能多代理技术的供应链仿真建模进行了一次初步的尝试，为 通过基于智能多代理技术的供应链仿真系统分析供应链中存在的问题，并解决问 题提供了一种可行的解决方案。 关键词供应链管理；代理；建模；仿真 a b s t r a c t s c m ( s u p p l y c h a i nm _ a m g e m e a t ) p r o v i d e s1 1n e wk i l l do f t h i n k i n ga n dm o d e lf o r c o r p o r a t i o nm a n a g e m e n t ，锄dt h ea d v a n t a g e sw h i c h i te m p t m s i z e ss u c ha sr a p i dr e p l y t om a r k e tr e q u i r e m e n t 、s l r a t e g ym a n a g e m o n t 、h i g hc o m p l e x i o n 、l o wr i s k 、c o s t - p r o f i t t a r g e t sl a a v ee a p t m e dt h ef o c u so f m a n y r e s e a a e h e r sa n d m a n g 豇 so f e o l l x 棚o n m o r e a n di n o l * ec o r p o r a t i o n sb e g i nt or e a l i z et h eh u g ep o t e n t i a lb r o u g h tb ym ea p p f i e a t i o n o fs c mi nt h e i re o r p o r a t i o m h o w e v e r , t l a c r c 姗s t i l lm a n yd i t 五e u l t i c si nt h o i m p l e m e n to fs c m , a n dt l a e s cd i f f i c u l t i e s c a l lb cr e s o l v e d t h r o u 咖s i m u l a t i o n t e e l a n o l o g i e 8 as o l u t i o n , m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fs c mb a s e do nm u l t i - a g e n t t e e l a n o l o g y , w a si n t r o d u c e dt oa n a l y z ea n dr e s o l v et h ep r o b l e m si ns c m , a n dt h e m e t h o d o l o g yt ou s em u l t i - a g e n tt e e l m o l o g yi nc o n s t r u c t i o na $ c ms i m t t l a f i o nb y s t e m f o rar e a lc o r p o r a t i o nw a sd i s c u s s e di nt h i sp a t e r b e f o r et h ei m p l e m e n to ft h e $ c ms i m u l a t i o ns y s t e m , f i r s t , t l a ca d v a n t a g eo f m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f $ c m b n s e do n m u l t i - a g e n tt e e l m o l o g yi si n l r o d u e e db y c o m p a r eo ft h eo t h e r sm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f $ c mt e e l a n o l o g i e si nt h i sp a p e r s e e o n a , m u l t i - a g e n tt e e i m o l o g ya n dt l a ep r o c e s so ft h em u l t i - a g e n ts o f t w a r e d e v e l o p m e n ti si n t r o d u c e d , t h e nb a s e do nt h ed i s c u s s i o n , t l a cm e t h o d o l o g yo f d e v e l o p m e n tt h e $ c ms i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nm u l t i - a g e n tu s i n gz e u sk i t si s a n a l y z e d t h ef r e q u e n t l yp r o b l e mi n $ c mo fb e i j i n g t i a n x i o n gc o m p a n y , ai t d i s t r i b u t i o nc o m p a n y , i sa n a l y z e d b yu s i n gz e u sk i t s ，z e u sp l a t f o r ma n dj a v a l a n g u a g ea n da c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so f d o m a i na n a l y s i s ，d e s i g na n dr e a l i z a t i o n , t h e $ c mo f t i a n x i o n gi sm o d e l e d , s i m u l a t e da n da z l a l y z e d i nt h ep a p e rap r i m a r ya t t e m p tw a st a k e nt oa p p l ym o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f $ c mb a s e do nm u l t i - a g e n tt e e t m o l o g ya n daf e a s i b l es o l u t i o nw a s p r o v i d e dt oa n a l y z e a n ds o l v et h ep r o b l e m si n $ c m b yu s i n gm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f $ c m b a s e d0 1 3 m u l t i - a g e n tt e e l a n o l o g y k e y w o r d ss c m ；a g e n t ；m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n m 一 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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了谢意。 签名：单日期；皇璺嫩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 塑! 圭导师签名：芝兰鱼玺。日期：! 堡盗! 璺! 目 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，由于科学技术的不断进步和经济的不断发展，以顾客 为中心的供应链面临着更为复杂的竞争环境，企业面临着更为强劲的竞争对手。 企业之间由单纯的产品质量、性能方面的竞争转向企业所在的供应链之间的竞 争。来自企业外部环境的巨大压力，以及整个市场需求不确定性的增强，在客观 上要求企业能够对不断变化的市场做出快速反应，要求企业用尽可能短的时间生 产出满足顾客需求的产品。 在经济全球化进程中，企业开始集中发展各自的核心业务，逐步形成了低成 本发展战略，而企业的非核心业务则外包给具有更大优势的其他企业，利用其他 企业的特殊资源和技术知识，增强整个供应链的竞争优势。 为了开发现代企业的潜能，使企业同时具有高效率和高收益，用供应链管理 的理念改造现有企业无疑是很有价值的思路。企业通过业务外包，利用外部企业 的优势形成企业自身的优势，建立起良好的供应链合作伙伴关系，实现。双赢” 战略，使企业处于有利的竞争地位，实现效益最大化和成本最小化。 供应链是一个动态的、高度变化的复杂系统，要做好供应链管理建模，仿真 是不可缺少的方法之一，而基于多a g e n t 的技术又为供应链仿真技术的开辟了新 的方向，多a g e n t 的技术特点使得供应链成员协同、协作的供应链设计与优化成 为可能。z e u s 是专为多a g e n t 开发使用的平台，z e u s 使得用j a v a 语言开发a g e n t 应用更为方便。 1 2 供应链及其特点 供应链( s u p p l yc h a i n ) 的概念是在8 0 年代提出的，近年来随着全球制造的 出现，供应链在制造业管理中得到普遍应用，成为一种新的管理模式。 供应链目前尚未形成统一的定义，许多学者从不同的角度出发给出了许多不 同的定义。但现在较为被大家接受的定义为：供应链是围绕核心企业，通过对信 息流、物流、资金流的控制，从采购原材料开始，制成中间产品以及最终产品， 最后由销售网络把产品送到消费者手中的将供应商、制造商、分销商、零售商、 直到最终用户连成一个整体的功能网链结构模式“瑚。 由供应链的定义，可以得到供应链的结构模型，如图1 - i 所示 北京工业大学工学硕士学位论文 供应供应青卜倒i + 装配+ 分情，零售_ - 需求佣户 i! 叁塞塑垦盘焦皇巍iifi! 董塞塑垦堡i 焦皇巍i 需求拉动- 销售点信息 图1 - 1 供应链的网链结构模型 f i g m e l - 1s u p p l yc h a i n 咖c n l r em o d e l 从供应链的结构模型可以看出，供应链是一个网链结构，由围绕核心企业的 供应商、供应商的供应商和用户、用户的用户组成。一个企业是一个节点，节点 企业和节点企业之间是一种需求与供应关系。 供应链主要具有以下特点： ( 1 ) 复杂性。因为供应链节点企业组成的跨度( 层次) 不同，供应链往往由 多个、多类型甚至多国企业构成，所以供应链结构模式比一般单个企业的结构模 式更为复杂。 ( 2 ) 动态性。供应链管理因企业战略和适应市场需求变化的需要，其中节点 企业需要动态地更新，这就使得供应链具有明显的动态性。 ( 3 ) 面向用户需求。供应链的形成、存在、重构，都是基于一定的市场需求 而发生，并且在供应链的运作过程中，用户的需求拉动是供应链中信息流、产品 或服务流、资金流运作的驱动源。 ( 4 ) 交叉性。节点企业可以是这个供应链的成员，同时又是另一个供应链的 成员，众多的供应链形成交叉结构，增加了协调管理的难度。 随着市场全球化，企业之间的竞争越来越激烈，传统地把企业看成是独立个 体的观点已经过时。供应链管理思想正是在上述环境下应运而生并逐步发展起来 的一种新的理论框架。 从概念上讲，供应链管理是围绕最终顾客的需求，用系统的观点对供应链中 的物流、信息流进行设计、规划和控制，对成本流进行分解与控制，并围绕买卖 双方间的物流和资金流实施信息共享和经营协调，以实现稳定、高效、柔性的供 需关系，使供应链中的成员获得相应利益的一种管理理念，其目标是增加供应链 成员的销售额或利润、增强其获利能力与竞争优势、提高运作效率、服务水平以 及供应链的响应能力。 供应链管理主要涉及到四个主要领域：供应( s u p p l y ) 、生产计划( s c h e d u l e p l a n ) 、物流( l o g i s t i c s ) 、需求( d e m a n d ) 。供应链管理是以同步化、集成 第l 章绪论 化生产计划为指导，以各种技术为支持，尤其以i n t e r n e t i n t r a n e t 为依托，围 绕供应、生产作业、物流( 主要指制造过程) 、满足需求来实施的。供应链管理 主要包括计划、合作、控制从供应商到用户的物料( 零部件和成品等) 和信息。 供应链管理的目标在于提高用户服务水平和降低总的交易成本，并且寻求两个目 标之间的平衡) 1 。3 国内外研究现状 1 3 1 供应链系统的建模技术与方法 常用的供应链建模方法基本上可以分为基于控制论的方法( c o n t r o l t h e o r i s t sb a s e dm o d e l i n gm e t h o d s ) 、基于运筹学的建模方法( o rb a s e d m o d e l i n gm e t h o d s ) 、基于系统仿真的建模方法( s i m u l a t i o nb a s e dm o d e l i n g m e t h o d s ) 脚 1 3 1 1 基于控制论的方法 基于控制论方法包括离散时间差分方程模型以及连续时闯微分方程模型，分 别对应离散系统和连续系统的建模 这些建模的思想主要是借鉴控制学科的理论，把供应链系统输入与输出的关 系用一系列的差分方程或微分方程来描述。这样以来，有很多的控制理论的工具 就可以用来分析与研究供应链系统的内在的动态特征，比如传递函数、根轨迹图、 频域分析等等，这是此类方法最大的特点。 但是由于方法本身的限制( 具有很强的线性假设，即采用一系列的差分方程 或微分方程来描述供应链系统输入与输出的关系，但是目前大部分的供应链不满 足这样的假设) ，当模型的规模很大、很复杂时，首先采用这种方法描述问题就 很复杂，即使能够很好的描述，要得到结果也是很困难的。 1 3 1 2 基于运筹学的方法 基于运筹学的方法一般使用整数规划( i n t e g e rp r o g r a m m i n g ) 、混合整数规 划( m i x e di n t e g e rp r o g r a m m i n g ) 、捧队论( q u e u i n gt h e o r e t i cm o d e l s ) 、策 略评价模型( o p t i o nv a l u a t i o nm o d e l s ) 、网络流( n e t w o r kf l o wm o d e l s ) 以 及博弈论模型( g a m et h e o r e t i cm o d e l s ) 、统计分析( s t a t i s t i c a la n a l y s i s ) 和传统的优化方法( o p t i m i z a t i o n ) ，来描述和求解问题，模型可以覆盖供应链 管理中的所有领域，主要用于策略性决策。求解的方法主要有分支定界法、 l a g r a n g e 松弛方法、b e n d e r 分解方法和行因子化方法等。 排队论模型主要用于研究生产企业在平稳生产状态下的情况，如各个设备或 车间等的输出率等，并对资源分配进行优化，如合理安排各个设备的加工任务、 合理安排人员的加工任务等，以达到提高生产效率的目标。 网络流模型主要用于研究供应链中成员的选择、布局以及供应链的协调问 题。网络提供了一种描述供应链结构的方法，用网络流模型来表示一个供应链有 其独特的优点，它能很方便地表示供应链中各种活动的先后次序。使用网络设计 方法建立供应链模型主要存在两方面的问题：一方面由于用这种方法建立的模型 一般规模比较大，随着供应链的扩大、考虑范围的扩展，模型的求解也相应地变 得困难；另一方面则是它只能考虑确定和静态的问题模型，考虑随机因素的能力 十分有限，而后者在供应链中几乎无处不在。 策略评价模型主要用于研究供应链在不确定情况下的管理和协调问题。对跨 国企业而言，经常会有不确定事件发生，如汇率波动、政府政策改变或新技术的 发明等。企业会采取各种策略对此做出反应，如调整供应链中成员的数量、采用 不同的生产技术等。策略评价模型提供了一种对采取的措施和策略进行评价的方 法。策略评价模型一般是随机动态规划模型，目标是使各个时期的期望费用总和 最小或总收益最大。 许多供应链模型都表示成混合整数规划模型。目标函数为生产和销售成本等 费用最小或利润最大，用整数变量表示供应链中成员的选择、生产技术的选择、 运输方式的选择等，用连续变量表示供应链中各成员的能力、各种资源的分配等， 用约束表示供应链中的物流平衡关系和供需关系等。 在供应链系统的研究中，博弈论模型常常与运筹学的其它方法相结合，分析 供应商与制造商之间、制造商与销售商之间的相互协调问题，如研究制造商和销 售商之间的协调，确定制造商和销售商各自的对策，确定产品价格、订货时间等， 使他们都能获得比原来更好的收益。 可以看到，基于运筹学的方法一般都需要较强的假设条件与数学抽象( 比如 统计模型中有关概率分布的假设) ，由于实际的供应链系统包含了很多复杂的、 不确定的因素( 例如，组织、个人等等) ，同时供应链协调本身的复杂性将导致 模型的结构十分复杂，现有的数学工具还不能提供获得最优解的途径，这使得运 筹学的方法不能很好的解决这一类问题，因而具有很强的局限性。 第1 章绪论 1 3 2 基于系统仿真的建模方法 1 3 2 1 常用系统仿真建模的方法 常用系统仿真建模的方法主要是基于方程的方法和基于离散事件仿真的分 析方法。 基于方程的方法主要是采用系统动力学的方法系统动力学是美国麻省理工 学院( m i t ) 以j a yf o r r e s t e r 教授为首的系统动力学小组在5 0 年代创立和发展 起来的一门学科。它的研究对象主要是复杂的、非线性的、具有多重反馈的连续 系统。在发展的初期称为“工业动力学”( i n d u s t r i a ld y n a m i c s ) 随后又出现 了研究城市的发展、人口变迁以及环境污染的“城市动力学”( u r b a nd y n a m i c s ) 和研究全球社会和经济问题的“世界动力学”( w o r l dd y n a m i c s ) 。1 9 7 2 年，j a y f o r r e s t e r 教授正式提出了“系统动力学”( s y s t e md y n a m i c s ，简称s d ) 的名称。 基于离散事件仿真的分析方法对供应链仿真的研究主要是利用离散事件仿 真( d e s ，d i s c r e t ee v e n ts i m u l a t i o n ) ，并综合利用运筹学、软计算等优化及建 模技术，重点解决供应链系统中供应链设计、位置决策、库存管理决策等战略决 策问题；普遍采用可重用的模块化设计，利用图形过程建模方法建立系统模型， 在增强系统柔性的同时，降低用户使用仿真器的复杂度 1 3 2 2 基于多智能a g e n t 的仿真建模方法 随着人工智能以及智能a g e n t 技术的发展，利用具有一定自主推理、自主决 策能力的多智能自a g e n t ( m u l t i - a g e n t ) 以及由其组成的多智能a g e n t 系统( m a s ， m u l t i a g e n ts y s t e m ) ，用来仿真、优化、实施、控制企业供应链的运行，已经 成为研究和实施供应链管理的重要方法之一。其应用包括龇”： ( 1 ) 建模与仿真方面的应用，建立供应链的m u l t i - a g e n t 仿真模型，通过仿 真实际供应链的运行，为供应链过程重组和供应链运行管理提供决策支持，是 m u l t i - a g e n t 在供应链管理中的一个重要应用方向。m u l t i - a g e n t 模型是一种新 型的、强有力的决策支持工具，它能够为决策者评价供应链运行效率，进行 w h a t i f 分析，提供高效而易用的决策支持。 ( 2 ) 计划调度与优化求解方面的应用，企业供应链的各个环节一般都具有独 立的计划调度能力，但是只有把这些独立分散的计划调度能力协调、整合在一起， 才能使整条供应链的运行得到优化。利用多智能a g e n t 系统协调供应链各个环节 的计划调度，是研究历史较长，而且应用性最强的一个领域。在基于多智能a g e n t 的计划调度系统中，每个智能自a g e n t 代表不同的资源，如机器设备、运输车辆、 北京工业大学工学硕士学位论文 工人等，并且负责该资源的计划与调度。 ( 3 ) 运行与实施方面的应用，利用智能自a g e n t 构建企业的信息基础平台， 利用m u l t i - a g e n t 作为供应链协调和通信的a g e n t ，控制和管理企业供应链的运 行，以提高供应链管理的自动化和智能化程度，是m u l t i - a g e n t 应用于供应链管 理的一个重要研究方向。 1 3 3 目前的一些主流研究机构 目前，研究供应链仿真建模的机构和公司不在少数，但总体上可以分为两类。 一类是i b m 等软件公司，它们多进行的是商业化研究，仿真器具有良好的用 户界面、强大的功能，目前在供应链研究中应用的主要仿真软件可包括： ( 1 ) 通用仿真软件，主要包括a r e n a ，e x t e n d ，g p s s h ，m i c r os a i n t ，i t h i n k ， p o w e r s i m ，p r o c e s sc h a r t e r 等。 ( 2 ) 制造系统仿真软件，主要包括a r e n ap a c k a g i n ge d i t i o n ，a u t o m o d ， p r o m o d e l ，q u e s t ，t a y l o re d 。w i t n e s s ，e x t e n d + m a n u f a c u r i n g 等。 ( 3 ) 服务业( 流程) 仿真软件，主要包括p r o c e s s m o d e l ，s e r v i c e m o d e l ， s i m p r o c e s s ，w o r kf l o wa n a l y z e r ，e x t e n d + b p r 等。 ( 4 ) 供应链专用仿真软件，主要包括i 2s u p p l yc h a i ns t r a t e g i s t ，i b ms u p p l y c h a i na n a l y z e r ，s u p p l yc h a i ng u r u 等。 另外一类是c a r n e g i em e l l o n 大学、p e n n s y l v a n i a 州立大学、t o r o n t o 大学 等学校，主要出于学术研究的需要，开发具有自身特点的仿真器，采用的技术各 具特色。例如，c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y 利用了m u l t i - a g e n t 技术作为供 应链仿真器的框架，可以对供应链的大部分战略和政策问题进行仿真，是一个较 好的决策支持工具，目前仍然在进一步研究与开发中m 1 4 课题的来源及文章结构安排 北京天雄科贸股份有限公司是专门从事1 1 r 分销行业的企业，公司主要经营 笔记本和其他1 1 r 周边产品，是一个典型的供应链中的企业。因此会遇到供应链 管理中非常具有代表性的问题，而且由于处理不当经常会产生这样那样的问题， 比如由于当前客户需求发生波动，天雄公司的库存将产生剧烈的波动，随之库存 成本也将大幅度的提高，降低了整个公司的效率。 因此本文通过对天雄公司供应链的仿真建模，力求分析天雄公司供应链中存 在的一些问题。文章具体结构安排如下： 第一章绪论，主要介绍引言、国内外研究现状以及课题来源。 第二章主要介绍供应链以及供应链仿真建模的相关知识。 第1 苹绪论 第三章主要介绍智能a g e n t 理论以及基于a g e n t 的软件开发方法。 第四章主要根据z e u s 开发方法学进行应用问题域的分析。 第五章主要根据z o u s 开发方法学进行系统设计与实现。 第六章主要进行供应链系统仿真以及根据仿真结果分析天雄公司供应链中 存在的问题以及得到的结论。 第2 章a g t 理论及a g t 的软件开发方法 第2 章a g e n t 理论及a g e n t 的软件开发方法 2 1a g e n t 产生背景 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着i n t e r n e t 技术日趋成熟和广泛应用，人们通 过i n t e r n e t 访问和获取信息、购买商品、获得远程服务、发送和接收电子邮件 等，它已经成为许多人日常学习、工作和生活中不可缺少的活动；越来越多的企 业通过i n t e r n e t 集成企业的信息资源并为客户提供不问断、多媒体、多样化、 迅速和友好的服务，实现企业内部的信息共享和不同部门、人员之间的协同工作。 人们对计算机系统，尤其是软件系统的需求和认知发生了深刻的变化。 一方面，以计算机网络为计算平台的应用系统的复杂性越来越高，并表现出 如下新的特性。 ( 1 ) 层次性，即一个系统通常是由多个相互关联的子系统构成，每个子系统 本身可能又是一个层次性的结构。 ( 2 ) 自主性，系统中存在着大量自主或者半自主的行为a g e n t ，它们在系统中 实施行为并且其行为实施不受外来环境的完全控制；它们能在没有外界指导和操 纵的情况下决定和实施自身的动作，以完成系统设定的目标 ( 3 ) 分布性，系统任务和目标的实现是由系统中多个逻辑或者物理上分布的 自主行为实体来完成的。整个系统的数据、资源、信息、服务和能力分布于这些 行为实体之中。这种分布性对于许多系统而言是客观存在的、自然的、甚至是必 须的，同时它也有助于提高整个系统自身的可靠性。 ( 4 ) 交互性，由于系统中行为实体、数据、资源、信息、服务和能力的分布 性和有限性，以及子系统之间、系统中不同行为实体之间的相关性，组成系统的 各个部分需要通过各种形式的交互以进行合作、协商和竞争，从而实现系统的整 体任务和目标。 ( 5 ) 开放性和动态性，系统没有一个明确的边界，构成系统的成分以及系统 成分之间的关系是动态变化的。在系统的运行过程中，可能会有新的、甚至是不 可知的成分加入到系统之中，或者已有的系统成分会动态地脱离系统 ( 6 ) 异构性，构成系统的成分是由不同的人、在不同的时间、运用不同的技 术和工具、运行在不同的平台、采用不同的数据格式来开发的。 另一方面，尽管目前计算机在人们的学习、工作和生活中扮演着重要角色、 起着重要的作用，成为人们不可缺少的重要工具，但是这并没有阻止人们对计算 机寄予更高的期望和要求。 现阶段大部分计算机系统仍然充当人类“佣人”的角色，我们必须明确地告 诉它们要“做什么”以及“如何做”，这些信息必须在软件开发过程中显示给出 北京工业大学工学硕士学位论文 并预先封装在目标软件系统之中，只有这样计算机系统才能正常运行并给我们提 供各种功能和服务。现阶段计算机系统所具备的能力仍比较有限，许多工作仍然 需要人类自身来完成。人和计算机系统之间的交互仍然比较复杂和繁琐，非计算 机专业的用户需要经过专门的培训或者系统得学习才能操作计算机系统。 人们期望不久的将来计算机能够作为人类的“管家”和“代理”，能够为人 类做更多、更复杂的工作。我们只需告诉计算机“做什么”，它就能为我们提供 功能和服务，甚至自发地进行工作；人和计算机之间的交互变得更加友好、便捷 和多样化埘。 2 2a g e n t 基本概念 目前学术界和工业界对a g e n t 的概念有不同的理解和认识、对其概念定义仍 有许多争论，除了认为自主性是a g e n t 的一个基本特征之外，至今人们尚未就 a g e n t 概念的其他基本特征及其概念定义取得共识。导致这种现象的一个主要原 因是，a g e n t 是目前计算机科学和技术领域使用最为广泛的术语之一，它大量出 现在人工智能和分布式人工智能、分布式计算、人机交互、软件工程、虚拟现实、 系统仿真、计算机辅助协同工作等研究领域，并被应用于诸如工作流和商业过程 管理、异构信息系统、空中交通管制、电子商务、游戏等许多应用领域软件系统 得开发。这些研究和应用领域的专家们往往根据其研究的出发点和应用领域的特 点来理解和认识a g e n t 的概念，分析其性质和特征，因而其含义通常依赖于具体 研究领域的特点来理解和认识a g e n t 概念，分析其性质和特征，因而其含义通常 依赖于具体的研究领域并随着应用领域的不同而不同。 从软件工程的观点给出一个一般性的定义，不针对任何特定、具体的研究和 应用领域，具有一定的普遍性：是高层的，不针对任何具体的实现技术和开发平 台，具有一定的通用性。 所谓a g e n t 是指驻留在某一环境下能自主、灵活地执行动作以满足设计目标 的行为实体。从定义可以看出： ( 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 都不是孤立的 和封闭的，它驻留在一定的环境之中，需要与环境持续不断地进行交互。图2 1 为a g e n t 与环境交互的高层抽象图。 第2 章a g e n t 理论及a g e n t 的软件开发方法 动 作 输 出 感 知 输 入 图2 - 1a g e n t 与环境交互的高层抽象圈 f i g u r e 2 1h i g h - l e v e l a b s t r a c t i n t e r a c t i o n b e t w e e n a g e n ta n d e n v i r o n m e n t ( 2 ) a g e n t 是行为实体，它具有一组动作并能执行这些动作，使动作执行的 决策者和实施者。a g e n t 的动作反映了a g e n t 所具有的能力，这些能力主要体现 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 具有属于其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 的直接干预下运行，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，主要体现为：反映性，社会性和自发 性。所谓反映性是指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 做出合适的反映。a g e n t 行为的自发性是指a g e n t 并不是仅仅简单的对环境中发 生的事件做出适时反映，而且还能表现出某种目标指导的行为。a g e n t 行为的社 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 的有关信 息和知识，并能与它们进行交互和通信，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。根据应用系统的特点和设计要求，不同的系统会表 现出不同的行为灵活性。 ( 5 ) a g e n t 有其设计目标，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。 a g e n t 驻留于一定的环境之中，需要与环境交互，根据从环境中感知的信息 以及系统设计目标自主地执行动作，动作的执行将对环境产生影响，导致系统得 进一步演化。a g e n t 所驻留的环境既可以是物理环境也可以是逻辑环境。 a g e n t 所驻留的环境具有以下特点： ( 1 ) 可达性和不可达性，可达性是指驻留在环境中的a g e n t 能够通过感知而 获得关于环境的完整、准确和最新的信息，反之为不可达对于现实世界中的大 北京工业大学工学硕士学位论文 多数系统，a g e n t 所驻留的环境是不可达的。 ( 2 ) 确定性和不确定性，一个环境对于a g e n t 而言是确定的是指a g e n t 动作 的执行将对环境产生确定和唯一的影响，a g e n t 的同一个动作在任何环境状态下 执行，对环境所产生的影响都是一样的，反之为不确定。由于环境的复杂性、动 态性和开放性，一般情况下a g e n t 行为只能对环境产生部分和有限的影响，而不 能完全控制环境的变化。因而对大部分系统而言，a g e n t 所驻留的环境是不确定 的。 ( 3 ) 静态性和动态性，静态性是指除了a g e n t 的动作执行对环境产生影响外， 环境不会发生其它变化，反之为动态。由于环境本身的复杂性，因而对大部分系 统而言，a g e n t 所驻留的环境是动态的。 2 3a g e n t 的体系结构 根据前面介绍的a g e n t 的基本概念得知，a g e n t 既是对现实世界中行为实体 的抽象表示，同时又是对构成目标软件系统基本成分的抽象表示。因此在开发面 向a g e n t 软件系统的过程中，我们清楚如何设计和实现软件a g e n t ：即a g e n t 内 部应该有哪些数据结构和功能部件? 这些数据结构和功能部件用于表达a g e n t 哪些方面的信息? 实现什么样的功能? 采用什么样的算法来实现这些功能部 件? 数据结构之间、功能部件之间、功能部件与数据结构之间有什么样的关系? 它们如何实现a g e n t 的自主计算，等等，这就涉及到a g e n t 的体系结构问题。 a g e n t 体系结构是指构造a g e n t 的特殊方法学，它定义和描述了组成a g e n t 的基本成分及其作用，各成分之间的关系和交互机制，如何通过感知到的环境信 息确定a g e n t 应采取何种行动的算法，以及a g e n t 的行为对其内部状态和外部环 境的影响等。 2 3 1a g e n t 抽象体系结构 a g e n t 的抽象体系结构是指构成a g e n t 的各个抽象成分、每个抽象成份在 a g e n t 自主运作过程中的地位和作用以及这些抽象成份之间的相互关系。它独立 于任何具体的实现技术和开发平台。 2 3 1 1a g e n t 的顶级抽象体系结构 a g e n t 存在并驻留于一定的环境之中，它能基于某种方式感知环境输入，并 通过自主地选择和执行动作对环境中发生的事件做出响应以实现其设计目标， 第2 章a g e n t 理论及a g e n t 的软件开发方法 a g e n t 动作的执行将对环境产生影响。 由定义可知，a g e n t 有一个动作决策部件，该动作决策部件能够通过某种方 式感知环境，获得相关环境的感知输入，根据环境感知输入和设计目标，a g e n t 动作决策部件将选择一个或一组动作执行，从而产生动作输出，a g e n t 动作的执 行将对所驻留的环境产生影响，导致环境状态发生变迁，从而推动系统进一步向 前进化。 因此，一个系统可定义为：s y s t e m = s y s t e m 表示系统，a g e n t 表示系统中的a g e n t ，e n v i r o n m e n t 表示所驻留的 环境。 e n v i r o n m e n t 由一组离散化的有穷状态组成：e n v i r o n m e n t = ，其中 s 是环境的状态集合，即s = s o ， ，屯，。j ，) 任何a g e n t 都有一组动作，a g e n t 所拥有的动作反映了a g e n t 的某种能力， 这种能力主要体现在a g e n t 动作的执行将对所驻留的环境产生影响，导致环境状 态发生变迁。 a = a o ，4 i ，a 2 ，q ， ，其中，a 表示a g e n t 有穷动作的集合 在系统运行时，环境处于某个状s o ，根据在该状态下所感知到的环境输入 及其设计目标，a g e n t 选择一个动作来执行，a g e n t 动作的执行将导致环境状态 发生变迁，从而进入下一个状态。但是，a g e n t 对环境的影响是有限的，环境状 态的变迁还受环境中发生的其他事件的影响，a g e n t 的动作执行以及环境中发生 的其他事件共同确定环境的演化。因此，a g e n t 动作的执行可能导致环境朝多个 状态演化，其中最终只有一个状态成为本次交互后环境演化的后续状态。在下一 状态，a g e n t 再次根据感知到的环境输入选择一个动作来执行，动作执行的结果 将迸一步导致环境状态再次发生变迁，如此循环得到交替序列： r u n ：当一 l 屯生。也三一其中；r u n 表示a g e n t 与环境的交 互过程，即a g e n t 的一个运行。 因此a g e n t 的顶级抽象体系结构中的动作决策部件可被定义为以下函数： c h o o s e ：_ ac h o o s e 函数根据环境演化的状态序列确定a g e n t 要执行的 动作。 a g e n t 动作的执行将对环境的演化产生影响，然而在绝大多数情况下这种影 响是有限和不确定的。a g e n t 动作执行对环境状态的影响可得以下函数： c h a n g e ：s x a 专舻( s ) ，c h a n g e 函数表明，a g e n t 在某一个环境下执行某个 北京工业大学工学硕士学位论文 动作，动作的执行将可能导致环境进入到多个不同的状态。对于任意环境状态s 和任意的a g e n t 动作a ，如果i c h a n g e ( s ，a ) i = l ，即a g e n t 动作执行将使得环境 进入唯一的一个后续状态，则称a g e n t 所驻留的环境是确定的，即a g e n t 动作可 以完全控制环境状态的变迁，否则a g e n t 所驻留的环境是不确定的如果 c h a n g e ( s ，a ) = 中，那么称& g e n t 在状态s 下执行动作a 之后环境无后续状态，这 意味着系统将终止运行。 由以上两个函数可得标准a g e n t 的三元组为： a g e n t a 。c h o o s e , c h a n g e 其中a 为标准a g e n t 的动作集合，c h o o s e 是标 准a g e n t 的动作决策部件，c h a n g e 反映了标准a g e n t 动作执行对环境的影响。 一个运行r u n 称为是a g e n t 丘c h o o s e ，c h a n g e 在某个环境 e n v i r o n m e n t = 下的运行，那么它必须满足以下条件： r u n ：s o 生 j 一而生4 鱼_ ( 1 ) 是环境的初始条件： ( 2 ) v a i ，i 属于非负整数：a l a ； ( 3 ) ，i 属于非负整数：毋s ； ( 4 ) v a t ，i 属于非负整数：a i = c h o o s e ( ( s o ， ， ) ) ； ( 5 ) ，i 属于自然数：毛e c h a n g e ( s l _ l ，钆) ； 条件( 1 ) 表明运行r u n 的初始状态必须对应于a g e n t 所驻留环境的初始状 态；条件( 2 ) 表明运行r u n 出现的所有动作必须是运行a g e n t 的动作；条件( 3 ) 表明运行r u n 出现的所有状态必须是运行a g e n t 所驻留环境的状态；条件( 4 ) 描述了运行r u n 中的所有动作都是运行a g e n t 动作决策部件选择的结果。条件( 5 ) 描述了运行r u n 中的所有状态( 除了) 都是运行a g e n t 动作执行对环境产生影 响的结果。 由于环境的动态性和不确定性等因素，一个a g e n t 在某个环境下会有多个运 行，从而体现不同的运行轨迹。用r u n s ( a g e n t ，e n v i r o n m e n t ) 表示a g e n t 在某 个环境e n v i r o n m e n t 下所有运行。一个a g e n t 在某一