（计算机软件与理论专业论文）基于黑板系统的多智能体系统实现方法的研究.pdf

哈尔滨r 程入学硕十学位论文 摘要 多智能体系统技术是当前分布式人工智能领域研究的中的热点，研究的 是一组自治的智能体之间智能行为的协调。协调与合作是多智能体系统研究 的核心问题，在多智能体之间合作协调的过程中需要进行通信。通常智能体 的通信采用点对点的直接通信方式，通信、协作、协调的过程和信息在系统 中是隐含的，但在这种情况下，当系统运行时我们很难了解系统的执行情况。 在黑板系统中，知识源通过读写共享存储区黑板来进行知识源之削 间接通信，监控机制对读写黑板信息进行控制。我们将多智能体系统中的智 能体看成知识源，智能体之间通过黑板来进行通信，所有通信都在监控机制 的监控下进行，可以消除系统的合作协调的透明性和增强一致性。本文对智 能体技术、多智能体系统的合作与协调机制、黑板系统的原理与机制进行了 详细的介绍与分析，在此基础上，将黑板系统与多智能体系统相结合，提出 了用黑板系统完成多智能体系统的通信、合作、协调及系统监控的具体方案， 最后结合具体实例进行了说明与验证。结果表明，用黑板系统实现多智能体 系统的通信、合作、协调，可以有效地消除了系统的透明性并增强了一致性。 关键词：多智能体系统；黑板系统；协调机制；系统监控 ，哈尔滨t 程火学硕士学位论文 a b s t r a c t m u t i a g e n ts y s t e mt e c h n o l o g yw h i c hs t u d i e st h ei n t e l l i g e n tb e h a v i o r so fa g r o u po fa u t o n o m o u sa g e n t si s af o c u si nd 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 ef i e l d p r e s e n t l y c o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o ni s t h e k e yi s s u eo ft h er e s e a r c ho nt h e m u f f 。a g e n ts y s t e ma n dm u t i a g e n ts y s t e mn e e d e dc o m m u n i c a t i o n sa m o n gt h e c o u r s eo ft h e m u s u a l l yc o m m u n i c a t i o n si n m u t i a g e n ts y s t e ma d o p tap o i n tt o p o i n tw a y s ot h ec o u r s ea n di n f o m l a t i o no f t h ec o m m u n i c a t i o n ，c o o r d i n a t i o na n d c o o p e r a t i o n a r ei m p l i c i ti nt h es y s t e m s a sa r e s u l t ，i ti sv e r yd i f f i c u l tf o ru si nt h i s c a s et ok n o ww h a th a sh a p p e n e di nt h es y s t e mw h e n i ti sr u n n i n g i nt h eb l a c k b o a r ds y s t e m ，t h ek n o w l e d g es o u r c e sc o m m u n i c a t e i n d i r e c t l yb y r e a da n dw r i t eap u b l i cs t o r i n gr e g i o nn a m e db l a c k b o a r da n da tt h es a m et i m e r e a d i n ga n dw r i t i n gt h eb l a c k b o a r di s c o n t r o l l e db yt h ec o n t r o l i n gm e c h a n i s m w h e nw e r e g a r de v e r ya g e n ti nt h em u f f a g e n ts y s t e ma sk n o w l e d g es o u r c e ，a l lo f t h e i rc o m n m n i c a t i o n sp a s st h r o u g ht h eb l a c k b o a r da n da r em o n i t o r e db yt h e b l a c k b o a r d a sar e s u l t ，w ec a ne l i m i n a t et h e t r a n s p a r e n c e a n de n h a n c et h e c o n s i s t e n c yo fc o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o ni nt h es y s t e m i nt h i sp a p e r t h ea g e n t t e c h n o l o g y , t h ec o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o nm e c h a n i s m o f m u t i - a g e n ts y s t e m 、t h e p r i n c i p l eo f t h eb l a c k b o a r ds y s t e ma r ei n t r o d u c e da n d a n a l y s e dd e t a i l e d l y o nt h i s b a s i s ，w ep r o p o s et h ec o n c r e t es c h e m et oa c h i v em u t i - a g e n ts y s t e m sc o o p e r a t i o n ， c o o r d i n a t i o n ，m o n i t o r i n g ，a n dc o n t r o lt h r o u g hb l a c k b o a r ds y s t e ma n dw ee x p l a i n a n dp r o v et h a tb yc o m b i n i n gac o n c r e t ei n s t a n c ef i n a l l yt h er e s u l ts h o w st h a tw e c a l le l i m i n a t e t r a n s p a r e n c e a n d s t r e n g t h e nc o n s i s t e n c y o fm u f f - a g e n t s y s t e m e f f e c t i v e l y i ft i l e m u t i - a g e n ts y s t e m s c o m m u n i c a t i o n ，c o o r d i n a t i o n a n d c o o p e r a t i o na r ei m p l e m e n t e db y t h ew a yo fb l a c k b o a r ds y s t e m k e y w o r d s ：m u t i a g e n ts y s t e m ；b a l c k b o a r ds y s t e m ；c o o r d i n a t i o n m e c h a n i s m ，哈尔滨一烈人学颂+ 学位论文 s y s t e mm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l i n g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 本课题的意义 第1 章绪论 随着信息技术的飞速发展和应用领域新需求的不断提出 统的要求也越来越高，主要表现在： ( 1 ) 智能软件系统的智能性与自动化的程度的不断提高 越来越复杂； 对智能软件系 使得软件系统 ( 2 ) 软件所处的环境逐渐趋向于动态、开放、分布的特性，比如交通管 理、群体决策、协同设计、电子商务等领域中的软件系统； ( 3 ) 人们对信息的要求往往具有个性化的特点： ( 4 ) 随着商业的需求不断变化，对软件功能的需求也在变化，需要列软 件进行不断修改，由于软件的复杂性，用传统的方法开发出来的软 件要修改非常困难，工作量往往大到使人望而却步的程度； 在上述这些情况下。使用传统的方法进行解决，要么代价过于昂贵，要 么根本解决不了。然而，令人欣慰的是，随着智能体技术，特别是多智能体 技术的出现，使这些问题的解决变得容易起来。 多智能体系统( m a s ) 是分布式人工智能领域的一个重要分支，主要研 究一组自治的智能体之间智能行为的协调。多智能体技术具有以下特性“： ( 1 ) 多智能体技术具有自主性、分布性、协调性，并具有自组织能力、 学习能力和推理能力，采用多智能体系统解决实际应用问题，具有 很强的鲁棒性和可靠性： ( 2 ) 多智能体技术打破了目前知识工程领域的一个限制，即仅使用一个 专家，因而可完成大的复杂系统的作业任务； ( 3 ) 多智能体技术在表达实际系统时，通过各智能体i 刮的通讯、协作、 调度、管理及控制来表达系统的结构、功能及行为特性： ( 4 ) 由于在同一个多智能体系统中可以异构，因此多智能体技术对于 哈尔滨工程大学硕士学位论文 复杂系统具有无可比拟的表达能力，它为各种实际系统提供了一种 统一的模型，从而为各种实际系统的研究提供了一种统一的框架。 ( 5 ) 多智能体系统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； ( 6 ) 多智能体系统可以降低软件和硬件的费用，提供更快速的问题求解； ( 7 ) 可以应用多智能体技术对已有软件系统进行封装，相当于在原有软 件上包装一层“外壳”，因而可以解决软件中的历史遗留问题。并且， 当软件功能需求改变时，使用多智能体技术的软件系统只需要对“外 壳”进行修改。由于以上两点，多智能体技术大大降低了软件系统 的修改难度和费用； ( 8 ) 由于多智能体技术采用具有人格化的意识状态作为智能体的基本属 性，因而采用多智能体技术开发的软件能够很好的反映用户的偏好， 很自然地体现用户的个性化特征； 由于上述信息技术对智能软件不断提高的要求及其多智能体技术的上述 种种优点，因而多智能体技术的应用领域十分广阔，并且具有潜在的巨大市 场。近年来，智能体技术在应用领域的研究越来越得到重视，很多人对此进 行了探讨，取得了很多成果，同时也促进了多智能体理论研究的发展。目前， 多智能体应用领域主要有ur ：智能多机器人及智能控制；智能群体决策支持 系统；协同设计；柔性制造及虚拟企业联盟；电子商务及供应链管理：分布 式预测、监控及诊断：分布式计算：智能网络管理；分布式环境下知谚 发现： 网络智能教学系统：计算机医疗系统；网络办公自动化：交通管理；智能信 息检索等。 1 2 多智能体系统的研究动态 多智能体系统的应用研究开始于2 0 世纪8 0 年代中期，近几年呈明显增 长的趋势。多智能体技术已成为当今人工智能研究的热点之一。 多智能体系统研究的是一组自治的智能体( a g e n t ) 之间智能行为的协调， 即它们怎样协调它们的知识、目标、技巧和规划，联合起来采取行动或求解 问题。目前对智能体和多智能体系统的研究主要集中在以下方面：智能体和 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多智能体的理论、智能体的体系结构和组织、智能体通信语言、智能体之问 的协作、协调、协商、规划、交互技术、结构和组织、智能体学习机制和多 智能体系统应用。近年来，随着智能体研究的深入，面向智能体的程序设计 ( a o p ) 和面向智能体的软件工程开始出现，国内外的一些研究机构做了一些 基于智能体和多智能体系统的实验性的系统和开发工具，例如， a g e n t b u ii d e r ，j a d e ，j a f 淞s ，j a t l i t e 等。 下面主要谈谈在多智能体的协作机制方面所取得的研究成果。$ m i t h 提 出了合同网协议”。，它是多智能体协商模型的代表，通过模拟人类社会中的 招标投标机制实现了任务动态分解、分配，但任务招标投标过程中管理者 需要处理大量投标，负载较重；c o r n y 等用多级协商协议解决分布式约束满 足问题中的任务分布和资源分配冲突n ，多级协商是对传统合同网的扩充， 在投标和中标的过程中允许反复协商，解决了多目标、多资源条件下的协商 问题，但同样存在合同网机制中存在的上述问题：s y c a r a 以劳资协商为背景 对非协作类的多智能体相互作用进行了研究，结合基于推理和多属性效用理 论提出“劝说性辩论”模型“，缺点是需要一个仲裁器解决冲突。g e n e s e r e t h 等用对策论和博弈论方法研究无透信情况下的协作w ，但该理论存在着完备 知识假设、单遇假设、诚实假设等缺陷。z l o t k i n 等研究协作或非协作智能 体在只有部分信怠j 0 情况下进行协商和冲突消解的理论。，w e r k m a n 提出一种 基于知识的协商方法来消解冲突”，。d u r f e e 提出的部分全局规划( p g p ) 允许各 智能体动态协作w ，但d e r k e r 指出p g p 方法在建立实时和全局控制问题一般 框架时存在一些局限性，并在他的t a e m s 系统中完善和强化了这种方法。 总的来说，在多智能体系统的每一种协作机制都存在着某些缺陷，现在 还没发现一种适合应用到所有情况下的多智能体系统协作机制，一般要根据 具体应用问题的特点确定协作机制。 1 3 本课题的提出 多智能体系统中，由于每个智能体的资源、知识、能力都是有限的，为 了完成更大的任务就要实现协作( c o o p e r a t i o n ) 。协作是多智能体技术的中 心问题，实现协作需要采取一定的协作机制来进行。幽于多智能体中的智能 一哈尔滨程大学硕士学位论文 体是处在开放、动态的环境中，而且每个智能体都具有不同的目标，并且对 环境的感知都是局部的，在这种情况下，就要对智能体的目标、资源的使用 进行协调。多智能体之阳_ j 的协调通常需要一定的通信机制。通信机制由两种 方法：一种是点对点的消息机制；另一种是共享存储区的方法。 通常智能体通过面向对象的方法来实现，即把每个智能体看成一个对象， 智能体之矧通过发消息的方法进行通信或者借助网络协议( 如s o c k e t ) 的方 法进行直接通信，也可以借助一定的路由机制进行消息转发。在这种点对点 的通信情况下我们很难了解系统的运行及任务的执行情况；而且，要使智能 体之i n 叻作的有序进行也是比较困难的，这是因为系统中智能体之问的协作、 协调和通信都是在完全分布的情况下来进行的，缺乏一种有效的监控机制。 黑板系统是分布式人工智能领域的一种重要的分布式问题求解方法，它 模仿多个专家读写黑板上数据求解问题的方式实现分布式问题求解。黑板系 统由黑板、知识源和控制机制组成。黑板上存放一定格式和结构的数据，通 常是问题求解的中间结果；知识源是一定的问题求解模块，由激活条件和动 作组成，当被激活时可以对黑板上数据进行读写，各个知识源可以是异质的； 控制机制对黑板上的数据进行监控，当黑板上特定分区数据变化与某些知识 源的前提匹配时，激活这些知识源读取黑板数据，知识源执行动作后把结果 再写到某些黑板数据分区上。以上过程不断重复，直至得到一个完整解。 我们可以把多智能体系统中的每个智能体看成知识源，各智能体通过读 写黑板数据来通信。我们事先将问题的结构存放在黑板上，通过对问题域数 据的变化就可以跟踪任务的执行情况，能够随时报告或提供查询任务的执行 情况，整个系统能够得到监视，消除了系统的透明性。并且系统在某种程度 一l 得到了有效控制，不会出现混乱，保证了协作的有序进行。 1 4 本课题的主要工作 | _ i h 面的论述可以看出，我们的目的是通过黑板系统来完成多智能体系 统的通信，从而消除多智能体系统的透明性。我们采用的主要手段是对多智 能体系统任务的执行情况进行监视和控制( 简称监控) ，将共享信息写到黑板 上，协助多智能体系统中智能体之问协调工作。要监视任务的执行情况，首 哈尔滨工程大学硕士学位论文 先要将任务进行分解，所以本文中还要讨论任务分解的方法。 综上所述，本课题的主要工作为： 1 分析智能体技术，包括智能体技术的理论模型，智能体的体系结构 等相关理论和技术，为进一步分析多智能体技术建立基础： 2 详细阐述多智能体系统的协作及协调机制( 特别是几种经典的协作 及协调机制) ，分析各种协调机制的原理、特点及适用范围等，建立 课题中多智能体系统部分的理论基础； 3 对黑板系统的原理及特点进行深入分析，为本课题中黑板系统与多 智能体系统的结合点奠定基础； 4 重点讨论用黑板系统进行多智能体协调、通信的原理及方法，详细 论述怎样用黑板系统解决前面提出的多智能体系统中存在的问题，其 中包括任务分解机制、黑板的分区信息、各种协调机制下的黑板通信 与监控机制等； 5 分析多智能体系统的实际应用领域，给出具体实例，对基于黑板系 统实现多智能体系统的方法进行实例说明和例证： 本文从第2 章开始，对以上问题分别进行分析和阐述。第2 章介绍智能 体的理论与体系结构，第3 章分析了多智能体系统中的协作协调机制，第4 章介绍了黑板系统，第5 章介绍基于黑板系统实现多智能体系统的具体方法， 第6 章用实例给出了说明和例证。 哈尔滨j ：程大学硕士学位论文 第2 章智能体的理论及体系结构 2 1 智能体的定义 虽然对于智能体广泛的出现在各个领域，但对于什么是智能体，现在还 没有一个大家能广泛接受的统一定义。一般认为，智能体是一种处于一定环 境下包装的计算机系统，为了实现一定的目的，能够在所处环境下灵活、自 主地活动。 w o o d r i d g e 和j e n n i n g s 给出了智能体的狭义和广义的定义，他们是根据 智能体应当具有的特性来定义的。 2 1 1 智能体弱定义 广义上具有以下特性的进程可以看成是智能体- ，“： ( 1 ) 自治性：智能体能在没有人类或其他智能体直接干涉和指导的情况 下持续运行，并能控制其内部状态和动作。这是它区别“对象”的 一个重要特征。 ( 2 ) 社会性：拥有其他智能体( 可能是人类) 的信息和知识，并能通过某 种机制( 如通讯语言) 与其它智能体进行交互、协同、协作。 ( 3 ) 反应性：智能体能感知环境，并能对环境中发生的事件做出反应。 ( 4 ) 主动性：智能体行为是自发的，有自己目标，感知环境做出基于目 标的行为。 2 1 2 智能体强定义 一些人工智能研究者认为，智能提除了应具有以上特性外，还应当具有 人类的特性，如信念、意图、意愿、承诺等心智状态。强定义的最典型代表 是b d i 理论。 2 1 3 智能体其它属性 ( 1 ) 忠诚性：智能体的通讯内容从不涉及为假的信息。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 友好性：智能体总是尽可能地完成其他智能体的要求。 ( 3 ) 理性：智能体没有冲突的目标，其动作和行为总是基于已有的目标， 而且不会故意阻止其目标的实现。 ( 4 ) 学习能力：能不断从过去经验积累中知识。 ( 5 ) 规划能力：能根据目标和当前环境至少能对短期行为做出规划。 ( 6 ) 推力能力：能够运用自己的知识对环境变化和其他智能体进行推理和 预测。 ( 7 ) 移动性：能够将代码从一个地方移动到另一地方继续执行。 ( 8 ) 持续性：能够在较长时间内持续运行。 实际开发的智能体不必具有以上所有特性，只需要具有一些核心特性即 可，即自治性、主动性、反应性、社会性。 2 2 智能体的理论模型 智能体的理论模型主要从逻辑、行为、心理、社会等角度出发对智能体 进行描述。 2 2 1 智能体的心理要素 智能体为了适应环境变化和协作求解，必须利用知识修改内部状态，即 心智状态。智能体的心智状态为智能体如何行动提供了一种解释，也就是晓 智能体的行动是由它的心智状态驱动的“”1 。智能体的理论模型主要是对智能 体的心智状态进行研究，现在已取得不少成果，其中最著名的研究成果是b d 模型，它将智能体看成意识系统，即信念、愿望、意图来研究。有的学者还 提出了目标、承诺等心智状态，但都可以统一到b d i 模型中去。 ( 1 ) 信念：智能体对当前世界的认识，包括对自身、环境和其它智能体的 基本看法。智能体使用它们表达将来可能发生的状态。 ( 2 ) 愿望：智能体的动机，直接从信念得到，包括智能体对将来情景的判 断。 ( 3 ) 意图：制约智能体的行动，是目标的子集。 现在几乎所有的有关智能体的理论框架都受b r a t m a n 的影响。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 通常，智能体的心智状态要通过逻辑来描述。m o o r e 是使用形式逻辑对 智能体进行建模的先驱之一。他主要研究智能体拥有的知识和实现的动作之 间的关系。他的逻辑引入了知识的模态算子，并使用动态逻辑表示了动作。 c o h e n 和l e v e s q u e 在b r a t m a n 的工作基础上，系统地研究了信念、目标、持 续目标、意图和理性的逻辑表达和演算问题。他们的工作是基于线性时序逻 辑，在语义上则以可能世界为基础。在这些假设下，他们给出了一个形式模 型，分层地引入并表示了时间、事件、行为、目标等概念。最后形式地表达 了这些概念之阳j 的关系以及演化的规则和约束。r a o 和g e o r g e f f 提出了理性 智能体的b d i 模型，他们采用了非线性的分支时序逻辑，采用了三个基本的 模态算符：信念、愿望、意图。 这些模型都以实现b r a r m a n 的哲学分析为目标，但都没有完整的实现， 并存在如下问题： ( 1 ) 智能体模型和具体的智能体结构之间没有明确的映射关系，使实际 的智能体建造难以编程实现抽象的智能体理论模型。 ( 2 ) 智能体理论模型中普遍存在逻辑全知问题，使建造的智能体系统面 临巨大的计算复杂性问题。 ( 3 ) 智能体的问题求解和智能体的心智状态之间的关系未得到充分的表 达。 ( 4 ) 对意图的含义没有统一认识。b d i 逻辑的研究者将意图看成思维属 性，意图的逻辑性质体现了人类理性的特征，意图逻辑是哲学逻辑的 分支；b r a t m a n 的哲学分析则强调意图是部分规划，这种规划的生成 和执行过程是交错进行的。 在智能体的理论模型方面较为完善的是r a o 和g e o r g e f f 的b d i 模型，下 匣详细的介绍一下。 2 2 2r a o 年口g e o r g e f f 的b d i 模型 1 ) 分枝模态逻辑 定义2 1 状态公式。一个状态公式由以下规则之一定义： ( 1 ) 任何一阶公式都是状态公式； ( 2 ) 如果毋。和毋：是状态公式，且x 是一个个体或事件变量，则1 妒t ， 哈尔滨l i 程大学硕十学位论文 庐，v ! ，矽。a ：，jx ( x ) 是状态公式； ( 3 ) 若e 是一个事件类型，则s u c c e d s ( e ) ，s u c c e d e d ( e ) ， f a i ls ( e ) ，f a i l e d ( e ) 和d o n e ( e ) 是状态公式： ( 4 ) 若庐是状态公式，则b e l ( 砂) ，g o a l ( ) 和i n t e n d ( ) 是状态公 式： ( 5 ) 若甲是一个路径公式，则o p t i o n a l ( 掣) 是状态公式。 定义22 路径公式。一个路径公式可由如下规则之一定义： ( 1 ) 任何状态公式都是路径公式： ( 2 ) 如果甲。和甲。是路径公式，且x 是一个个体或事件变量，则 ￥，甲】v 甲：，甲a y2 3x 甲( x ) 是路径公式。 定义2 3 可能世界的语义。 ( 1 ) 一个解释m 是一个九元组。m = ( w ，e ，t ， ，其中，w 是世界的集合，e 是基本事件类型集，t 是时间点的集合， 是t 上的 二元关系，u 是论域，o 是在任何给定的世界和时间点上一阶项到u 中元素的映射。关系b ，g ，i 将智能体当前的处境分别映射到它的信念 可达世界、目标可达世界和意图可达世界，即b ，g ，i w xt w 。可以 用月? 表示在时间t 从世界w 可到达的r 可达世界的集合( r 可为b ( 信 念) 、g ( 目标) 、i ( 意图) ) 。( 2 ) w 中的每个世界w 称为时间树，是一个 四元组t 。，a 。，s 。f 。) ，其中t 。是世界w 中时间点的集合，a ，是 在t 上的限制，w 中的一个全称路径( f u l i p a t h ) 是一个时间点的无穷序列 t 。t 。) ，其中v i ，( t ；t 。) 凡，s 。和r 是临近时间点到e 中事件 的映射，即s ，f 。：t 。xt 。- - e ，且如果s ，( t 。t ，) = s ( t 。t 。) ，则t ，= t 。； r ( t 。t 。) = 凡( t ；，t 。) ，则t j ：t 。s ，r 是不相交的。一个子世界是一个 世界的子树，w 是w 的子世界，表示为w c _ w ，当且仅当( a ) t 。- t ，( b ) 对于所有u et 。，彤= 月，( c ) 对于所有u e l ，o ( q ，w ，u ) = 巾( q ，w ，u ) ， 其中q 是谓词符号；( d ) a + 是a 在t 上的限制：s 。，r 一类似。 定义2 4 一阶逻辑公式的语义。m 是一个解释，v 是赋值。v j 表示 v 赋值使i 为d 而其它变量的赋值不变。 m ，v ，坼卜一，当且仅当m ，v ，吼一_ l 9 哈尔滨j i 科火学硕士学位论文 m ，v ，w 。卜庐，v 庐。，当且仅当m ，v ，w 卜或m ，v ，w 、b e = m ，v ，w 、卜j i ，当且仅当v ：，w 。卜，对于。中的某些d m ，v ，( w 。w 。) 卜矽，当且仅当m ，v ，w 。卜庐 m ，v ，( w 。w 。) f o ，当且仅当m ，v ，w 。卜矽 m ，v ，( w 。w ) 卜庐，当且仅当3k ，k 0 ，m 。v ，w 。“卜 m ，v ，w 。f o p t i o n a l ( ) ，当且仅当存在全称路径( w 。，w 一) 使得 m ，v ，( w 。，) 卜- 庐 m ，v ，w 。卜矿u 西：，当且仅当( a ) j k 0 ，使得m ，v ，( w 。) 卜! 定义2 5 不可避免性。i n e v i t a l b e ( 甲) = 一o p t i o n a l ( 甲) 。 定义2 6 事件的语义。 s u c c e e d e d ( e ) 表示智能体成功地完成了事件e ，而f a i l e d ( e ) 表 示失败。事件e 不发生并不等同于e 失败。d o n e ( e ) 定义为智能 体成功或失败地完成了事件e 。 m ，v ，w 卜s u c c e e d e d ( e ) ，当且仅当存在t 。，s 。( t ，t ) = e m ，v ，w 。f f a i l e d ( e ) ，当且仅当存在t ”e 。( t o ，t i ) = e d o n e ( e ) = s u c c e e d e d ( e ) vf a il e d ( e ) f a i l s ( e ) = i n e v i t a l b e 0 ( f a i l e d ( e ) ) d o e s ( e ) = i n e v i t a l b e0 ( d o n e ( e ) ) ) 2 ) r a o 和g e o r g e f f 的b d l 模型 定义2 7 信念。 m ，v ，w 。旧e l ( ) ，当且仅当v w b ? 。，m ，v ，w 。卜 定义2 8 目标。 m ，v ，w 。k o a l ( 庐) ，当且仅当v w g ? ，m ，v ，w 。卜妒 定义2 9 意图。 m ，v ，w 。k l n t e n d ( 庐) ，当且仅当v w 。i ：i _ m ，v ，w - 卜矿 信念、目标、意图存在如下语义公理和约束： a l ：g o a l ( ) ) b e l ( ) a 2 ：i n t e n d ( 西) g o a l ( 矽) a 3 ：i n t e n d ( d o e s ( e ) ) d o e s ( e ) a 4 ：i n t e n d ( 西) 3 b e l ( i n t e n d ( 庐) ) 1 0 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 a s ：g o a l ( ) 3 b e l ( g o a l ( 矿) ) a 6 ：i n t e n d ( ) g o a l ( i n t e n d ( 庐) ) a 7 ：d o n e ( e ) o b e l ( d o n e ( e ) ) a s ：i n t e n d ( ) i n e v i t a l b e o i n t e n d ( 庐) 2 3 智能体的体系结构 智能体的体系结构研究的是怎样为构造智能体按一定方法将智能体分解 成各种功能模块。智能体的理论主要研究智能体的模块组成，功能模块之间 的交互。这些模块建立在智能体的理论模型基础上，是对智能体心智状态及 之间的关系从实现的角度进行分析的基础上构建的，是智能体产生智能行为 的内部机制。由于智能体是处在动态、不确定、不可预测的环境下，如何在 时间、知识、信息等资源有限的情况下做出智能决策从而产生智能行为，是 智能体的体系结构需要解决的问题。 2 3 1 智能体的基本结构 智能体的基本结构如图2 1 所示： 图2 1 翟能傩的基本结构 2 3 2 智能体的体系结构 智能体的体系结构有三种类型：慎思型、反应型、混合型。 1 1 哈尔滨t 穰火学硕士学位论文 1 ) 慎思型结构 所谓慎思型智能体( 又称理性智能体) ，就是指智能体的任何行为都经过 内部“思考”。慎思型智能体由感知器、推理器、规划器、效应器等组成。慎 思智能体是具有内部状态的主动软件，具有问题求解表示、环境表示、具体 通信协议等。推理器和规划器是系统的中心，负责“思考”。这类智能体的共 同特点有：第一，都通过符号系统表达出世界模型和目标：第二，任何行为 都是根据一定的目标和当前世界的状态推理、规划后产生的。因此，我们可 以认为慎思型智能体的理论源于人工智能的符号主义。 慎思型智能体智能体通过传感器接受外界环境的信息，根掘内部状态进 行信息融合，产生修改当前状态的描述。然后，在知识库的支持下制定规划， 形成一系列动作，通过效应器对环境发生作用。慎思智能体程序如下： f u n c t i o i ld e li b e r a t e a g e n t ( p e r c e p t ) r e t u r n sa c t i o n s t a t i c ：e n v i r o m e n t 术描述当前世界环境 k b ，a 知识库 p l a n ，半规划 e n v i r o n m e n t - - u p d a t e w o r l d - m o d e l ( e n v i r o n m e n t ，p e r c e p t ) s t a t e - - u p d a t e m e n t a l s t a t e ( e n v i r o n m e n t ，s t a t e ) p l a n - - - d e c i s i o n m a k i n g ( s t a t e ，k b ，a c t i o n ) e n v i r o n m e n t 卜u p d a t e w o r l d m o d e l ( e n v i r o n m e n t ，a c t i o n ) r e t u r na c t i o n 上述程序中，u p d a t e w o r l d m o d e l 函数从感知产生当前世界环境的抽象 描述。u p d a t e m e n t a l s t a t e 函数根据当前感知到的环境，修改智能体的心 智状态。知识库包括通用的知谚 和实际的知识。智能体运用知识，通过 d e c i s i o n - m a k i n g 函数可以进行决策，制定规划。智能体执行所选的动作， 并通过u p d a t e w o r l d - m o d e l 函数与环境发生交互。 ( 1 ) b d i 模型智能体的基本结构 b d i 模型的智能体由下面几部分要素组成： ( 1 ) 一组关于世界的信念； ( 2 ) 智能体当前打算达到的一组目标； ( 3 ) 一个规划库，描述怎样达到目标和怎样改变信念： 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 一个意图结构，描述智能体当前怎样达到它的目标和改变信念。 根据b d i 结构，r a o 和g e o r g e f f 提出了一个简单的b d i 解释器m b d i i n t e r p r e t e r ( ) i n t i a l i z e s t a t e ( ) ： d o o p t i o n s ：2o p t i o n g e n e r a t o r ( e v e n t q u e u e ，b ，g ，i ) ： s e l e c t e t o p t i o n s ：= d e l i b e r a t e ( o p t i o n sb ，g ，i ) ： e x e c u t e ( i ) ： g e t n e w e x e r n a l e v e n t s ( ) ： d r o p s u c c e s s f u l a t t i t u d e s ( b ，g ，i ) ： d r o p i m p o s s i b l e a t t i t u d e s ( b ，g ，i ) ： u n t i lq u i t ( 2 ) b d i 智能体的典型体系结构 圈2 卫b d i 智能俸舆型结构 图2 2 表示一个典型b d i 智能体体系结构图。它包括：信念数据库， 存储关于世界的当前信念和事实；意愿，系统的一组等待实现的目标：规划 数据库，一组规划描述特定序列的动作和测试如何实现既定目标或响应特定 环境变化；意图结构，包括己经选作为最终执行的规划；解释器，操纵以上 组件，挑选合适的基于信念和目标的规划，放到意图结构中。用户可以通过 用户接口查询和更新智能体的信念数据库。 解释器指挥整个系统，在某个特定时间，基于特定目标和特定事件，数 13 哈尔滨l 科人学硕士学位论文 据库中的相关信念可以相应改变。信念和需求可以触发不同的规划，其中一 个或多个规划将被选中放入意图结构。最终，解释器从意图结构中挑选出一 个可执行的意图，单步执行。这样要么执行了一个动作，建立了一个新的子 目标，要么结束某个新的信念。 体系结构中各部分的含义： ( 1 ) 信念结构 信念数据库( 即状态数据库) 包含表示当前世界状态的知识和自身内部状 态数据。典型情况下，信念将包括关于应用域静态属性的事实，诸如某个子 系统或被某个特定机制遵从的物理规律。智能体在执行自己的规划的同时获 得其它的信念。典型情况下这些信念是世界的当前观察或者是系统从这些观 察中得到的结论，这些信念或许随时变化。在一个多智能体系统中，一个智 能体或许需要维持关于其它智能体的不同的多个信念，包括关于它们状念的 信念。 ( 2 ) 意愿结构 智能体需要完成的任务，即目标。当一定条件( 表示为谓词) 为真时， 目标实现。若条件使一阶谓词表达式为真，则条件即成为目标：可以表示出 各种各样的目标，包括实现、测试、保持和期待给定条件的目标。 例1 测试油箱里的压力是否小于2 0 0 的目标：t e s t 压力( 油箱，x ) a n d x 2 8 5 。 例3 实现油箱罩的压力为3 5 0 的目标：a c h i e v e 压力( 油箱，3 5 0 ) 如果给定的动作或动作序列的执行结果导致行为满足目标描述的话，我 们就称它成功实现了既定目标。如果a g e n t 相信了指定状念的话，目标也会 成功，但意义不大。 ( 3 ) 意图结构 意图结构包含所有称作意图的任务，这些任务是系统挑选出来用于立即 执行或者随后执行的；单个意图包括一个规划实例和它所有的子规划。一组 子规划预期完成一个规划。任务可以直接由进程来实现。 ( 4 ) 规划 14 哈尔滨工程大学硕士学位论文 智能体的规划是知识基的元素，它描述在特定事实添入信念数据库时或 在新获得目标时，智能体是如何响应的。当直接感知到外部世界事件发生时， 新的事实就产生了，智能体自身也可以推断出事实。 每个规划都包含唤醒条件、上下文条件、主体，一起表示关于特定条件 下执行特定动作序列实施结果的断言性事实。唤醒条件指定当什么事件发时 规划被触发；上下文条件指定在什么环境下规划被应用：主体描述执行步骤。 唤醒条件是表达一个事件，描述当规划要被考虑执行时什么一定会出现： 这个条件通常会是某个新目标的前提，则规划以目标驱动的方式被唤醒：也 可能系统信念发生变化，则规划以数据驱动或响应性唤醒方式被触发。 上下文条件表达一个状态，描述执行规划所要的信念状态。如果把表达 与评价绑定在一起，规划的特定实例就会被意图化。当上下文条件不止一种 方式下被满足时，解释器使规划的实例意图化。 智能体表示为一个图。此图有一个明确的起点和多个可能的终点，图中 的弧表示完成规划所要执行的动作或将要实现的子目标。子目标出从起点到 一个终点的路径标明。这个形式允许比大多数的规划表达式有更丰富的控制 结构，包括条件选择、重复和循环1 。 3 ) 反应型结构 反应型主体的理论源于人工智能的行为主义：b r o o k s 是行为主义的主要 代表人物之一，他对传统的人工智能方法进行了批判，指出：构造并及时更 新内部完整的世界模型对于现实世界中的实时智能系统是不可能的；必须将 智能系统放到现实世界中与其交流，现实世界本身是最好的世界模型，不需 要集中的、可操作的、符号化的表达；智能是系统与外部世界之间、系统内 部各个组成部分之间的动态相互作用中“涌现”出来的，智能只存在于观察 者的眼中，只是他们的感觉而已“1 。 与慎思型主体的结构不同，反应型主体中有一个或者多个模块、每个模 块都能各自独立地完成从感知到行动的整个过程，整个系统没有一个控制中 心，各个模块之间是相互独立的，每个模块产生的行为相互竞争，都试图控 制系统，最终的行为通常是由一个仲裁器协调产生的。最为重要的是，每个 模块从感知到行动并不需要经过推理或规划，而只是匹配一些条件动作规 则，当符合某种条件则产生相应的动作，类似于一种简单的反应过程。 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 反应性智能体可以分成两类：一是纯反应型智能体，智能体内部只有条 件动作规则，不保存任何的状态；二是基于状态的反应型智能体，智能体中 保存有一定的状态。纯反应型智能体优点在于简单明了，但是由于它既没有 集中的控制和规划，也没有保存状态，因此它的最大缺点在于：它的动作完 全是由事件驱动的，没有明确的目标，没有计划，不知道要干什么，也不知 道在干什么；一种情况下只有一种可能的行为方式，不灵活：由于缺乏整体 的规划，所以只能实现行为的局部最优化；并且不能学习。基于状态的反应 型智能体由于可不断地更新内部状态，因此具有一定的历史知识，能够有 定的目标，但一般不能更改。但纯反应型智能体的其它缺点依然存在。 反应型智能体的行为产生机制保证了它能够在“资源有限”的条件下足 够快地作出反应，但这种反应往往是盲目的，缺乏理性，并且没有考虑局部 行为对全局的影响，因而在与其它协作时容易出现混乱。 4 ) 混合型结构 由于慎思和反应型结构都存在各自的缺点，有人便提出将两者结合，提 出了一种混合型的结构。混合型的结构分两个子系统：反应系统和慎思系统。 底层为反应系统，通常优先级高于慎思系统，对一些常规的、不需要思考的 问题特别是需要实时响应的问题可以直接对环境进行反应；上层为慎思系统， 能够进行推理，规划，可以完成比较复杂的对反应系统不能处理的任务，对 反应系统不能处理的。 混合型智能体有两种实现方式w ：一种采用层状结构：另一种则在规划 机制内部完全融合。在层状结构混合型系统中至少有一层反应型结构和一层 慎思型结构。一般用反应型的机制来负责低层次的、短期的控制，用慎思型 的机制来负责长期的规划或与其它智能体的交流。这种混合结构的代表有 f e r g u s o n 的t o u r i n g m a c h i n e 。该系统的控制层次分为三层：反应层、规划层 和建模层。反应层用来对突发事件做出快速响应。规划层对目标进行规划， 它由两个部件组成：规划器和集中注意力的机制。其中集中注意力的机制用 来对次要环境信息进行过滤以提高规划器效率。建模层为智能体对环境中其 它智能体的模型的符号表示。 第二种混合型的典型代表是由g e o r g e f f 和l a n s k r 开发的过程推理系统 ( p r s ) ，它是一个b d i 结构，内部是由五个部分组成；数掘库( 存储信念和当前 l r 哈尔滨丁。程大学硕士学位论文 世界的信息) 、规划库、目标集、解释器和意图结构。其中规划库是出知识块 ( k n