（计算机科学与技术专业论文）自适应agent环境表示与感知机制的研究与设计.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 i n t e m e t 的普及和应用使得软件系统的运行平台从静态、封闭、可控的单机环 境转向了动态、开放、难以控制的网络环境。i n t e m e t 的开放性使得运行在i n t e m e t 环境下的软件需要拥有传统单机软件不具备的功能。然而传统的软件模型及软件 开发模式很难适应i n t e m e t 条件下的软件开发和运行，为此，我们需要提供新的技 术来支持开发在i n t e m e r 环境下运行的软件。在这种情况下，自适应软件概念的引 入给i n t e m e t 环境下的软件模型和软件开发模式提供了一套有效的思路。 自适应软件的一个重要特点是软件实体能够感知外部环境的变化，根据环境 的变化执行相应的自适应动作。在这个过程中，环境的感知是自适应软件适应环 境变化的基础，而对环境的定义和显式化描述是实现自适应动作的先决条件。因 此，如何定义和显式化描述自适应软件的环境，以及自适应软件实体如何感知环 境是当前自适应软件研究的一个重要课题。 本文研究了基于a g e n t 的技术的自适应软件的环境问题。包括以下内容： ( 1 ) 环境的构成，即环境中所包含的元素的个数和类型的变化。本文将自适 应a g e n t 的环境定义为系统中该自适应a g e n t 所关注的所有a g e n t 自适应a g e n t 的集合。并根据关注的角度不同将环境分为t o p i c 、a g e n t 、r o l e 和s e r v i c e 四种类 型。并且提出了使用三元组 t y p e ，c o n t e n t ，c o n s t r a i n t 来显式化的描述环境。 ( 2 ) 环境的变化方式，即构成环境的元素本身是否发生变化以及变化的内容。 本文使用环境信息来描述环境的变化内容，当环境元素发生变化时，会产生包含 了相应变化内容的环境信息。 ( 3 ) 自适应a g e n t 环境的感知方式，即自适应a g e n t 如何感知环境的变化及 变化内容。本文设计了p u b l i s h e r s u b s c r i b e r 供自适应a g e n t 发布订阅环境信息， 并设计了环境信息的接收方法。a g e n t 自适应a g e n t 通过p u b l i s h e r 发布环境信息。 自适应a g e n t 通过接收自己订阅的环境信息来感知环境的变化。 ( 4 ) 开发了一个案例验证本文提出的方法的有效性和可行性。 该研究解决了由环境驱动自适应a g e n t 的自适应行为的问题，有助于促进面 向a g e n t 技术在自适应软件开发中的应用， 关键字：自适应软件，自适应a g e n t ，环境的表示，环境的感知 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i t yo fi n t e r n e t ，t h er u n t i m ep l a t f o r mo fs o f t w a r es y s t e mc h a n g e s f r o ms t a t i c ，o b t u r a t e d ，c o n t r o l l a b l eu n i q u e ：c o m p u t e re n v i r o n m e n tt od y n a m i c ，o p e n e d ， d i f f i c u l t c o n t r o l l e dn e te n v i r o n m e n t t h eo p e n n e s so fi n t e r a c tc a u s e ss o f t w a r ew h i c h r u n si 1 1t h en t e m e te n v i r o n m e n t p o s s e s s i n g t h er u c t i o nt h a tt r a d i t i o n a l u n i q u e - c o m p u t e r ss o f t w a r ed o e sn o th a v e h o w e v e r ，i ti sd i f f c u l tf o rt r a d i t i o n a l s o f t w a r e m o d e l sa n ds o f t w a r ed e v e l o p i n gp a t t e r n st oa d a p tt od e v e l o p i n ga n d r u n n i n g s o f t w a r e si nt h ei n t e r n e te n v i r o n m e n t f o rt h i s r e a s o n ，w en e e dt op r o p o s en e w t e c h n i q u et os u p p o r td e v e l o p i n gs o f t w a r e si nt h ei n t e r n e te n v i r o n m e n t i nt h i sc o n t i d i o n ， t h ei n t r o d u c eo ft h ec o n c e p to fs e l f - a d a p t i v es o f t w a r ep r o v i d e sa ne f f e c t i v et h o u g h tf o r s o f t w a r em o d e l sa n ds o f t w a r ed e v e l o p i n gp a t t e r n si nt h ei n t e r a c te n v i r o n m e n t a ni m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i co fs e l f - a d a p t i v es o f t w a r ei st h a ts o f t w a r ee n t i t i e sc a n s e n s et h ec h a n g eo fe x t e r n a le n v i r o n m e n t ，a n de x c u t ec o r r e s p o n d i n gs e l f - a d a t p i v e b e h a v i o u r sa c c o r d i n gt ot h a tc h a n g e i nt h i sp r o c e s s ，s e n s i n gt h ee n v i r o n m e n ti st h e f o u n d a t i o no fs e l f - a d a p t i v es o f t w a r ea d a p t i o nt ot h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n t ，a n dt h e d e f i n i t i o na sw e l la st h ee x p l i c i td e s c r i p t i o nf o rs e l f - a d a p t i v es o f t w a r e se n v i r o n m e n ti s t h ep r e c o n t i d i t i o nt oi m p l e m e n ta d a p t i v eb e h a v i o u r s t h e r e f o r e ，h o wt od e f i n ea n d e x p l i c i t l yd e s c r i b et h es e l f - a d a t p i v es o f t w a r e se n v i r o n m e n t ，a sw e l la sh o wt os e n s et h e e n v i r o n m e n tf o rs e l f - a d a t p i v es o f t w a r ee n t i t i e si sa ni m p o r t a n ts u b j e c tf o rc u r r e n t r e s e a r c h e so ns e l f - a d a p t i v es o f t w a r e t h i sa r t i c l ei n v e s t i g a t e so nt h ee n v i r o n m e n to f s e l f - a d a p t i v es o f t w a r eb a s e do n a g e n t t h ei n v e s t i g a t i o ni n c l u d e st h r e ea s p e c t s ( 1 ) t h ec o m p o s i n go ft h ee n v i r o n m e n t ，t h a ti st h ec h a n g e sa b o u tt h ea m o u n ta n d t h et y p eo fe n r i o n m e n t - e l e m e n t s 1 1 1 i sa r t i c l ed e f i n e st h ee n v i r o n m e n to f s e l f - a d a p t i v e a g e n ta sa na g g r e g a t eo fs o m ea g e n t so rs e l f - a d a t p v i ea g e n t st h a tt h es e l f - a d a p t i v e a g e n tc o n c e r n sw i t h a c c o r d i n gt ot h ea s p e c t sw i mw h i c ht h ee n v i r o n m e n tc o n c e r n s ， t h ea r t i c l ec l a s s f i e st h ee n v i r o n m e n tt of o u rt y p e s ：t o p i c ，s e r v i c e ，a g e n ta n dr o l e n l e a r t i c l ea l s od e s c r i b e st h ee n v i r o n m e n te x p l i c i t l yw i t hat r a i d ( 2 ) t h ew a yi nw h i c he n v i r o n m e n tt r a n s f o r m s t h a ti sa b o u tw h e t h e r e n v i r o n m e n t e l e m e n t si sc h a n g e d ，a sw e l la st h ec o n t e n to ft h ec h a n g e 1 1 1 i sa r t i c l eu s e s e n v i r o n m e n t m e s s a g e st od e s c r i b et h ec o n t e n to fe n r i o m e n t e l e m e n t sc h a n g e w h e n e n v i r o n m e n t e l e m e n tc h a n g e s ，a ne n v i r o n m e n tm e s s a g ec o n t a i nt h ec o n t e n to ft h e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 c h a n g ew i l lb ep r o d u c e d ( 3 ) t h ew a yi nw h i c ht h ee n v i r o n m e n ti ss e n s e d ，t h a ti sa b o u th o ws e l f - a d a p t i v e a g e n ts e n s e st h ec h a n g eo ft h ee n v i r o n m e n ta n dt h ec o n t e n to ft h ec h a n g e t h i sa r t i c l e d e s i g n sp u b l i s h e r s u b s c r i b e rf o rs e l f - a d a p t i v ea g e n tt op u b l i s h s u b s c r i b e re n v i r o n m e n t m e s s a g e ，t h ea r t i c l ea l s od e s i g n sf o rr e c e i v i n ge n v i r o n m e n tm e s s a g e p u b l i s h e rc a l lb e u s e db ya g e n t s e l f - a d a p t i v ea g e n tt op u b l i s he n v i r o n m e n t m e s s a g e s e l f - a d a p t i v ea g e n t s e n s e st h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n tb yr e c e i v i n ge n v i r o n m e n tm e s s a g es u b s c r i b e db y i t s e l f ( 4 ) ac a s ei sd e v e l o p e dt ov a l i d a t eo u rm e t h o d t h e s ee f f o r t ss o l v e st h ep r o b l e mo fh o wt h ee n v i r o n m e n td r i v e s s e l f - a d a p t i v e a g e n t ss e l f - a d a p t i v eb e h a v i o u r , w h i c ha r eb e n e f i tt op r o m o t et h e a g e n t o r i e n t t e c h n i q u e sa p p l i c a t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fs e l f - a d a p t i v es o f t w a r e k e yw o r d s ：s e l f - a d a p t i v e s o f t w a r e ，s e l f - a d a p t i v ea g e n t ，s p e c i f y i n g o f e n v i r o n m e n t ，s e n s eo fe n v i r o n m e n t _ - - - 一一一_ 一 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 基于控制论的自适应软件模型。4 图1 2 全文结构图8 图2 ，1j a d e 基本类图1o 图2 2a g e n t 生命周期1 1 图2 3自适应a g e n t 的构件模型1 2 图2 4自适应a g e n t 与r o l e 的动态绑定关系1 4 图2 6s a d e 整体技术框架15 图2 7s a d e 总体类图1 6 图3 1 a g e n t 类型环境模型1 9 图3 2r o l e 类型环境模型2 0 图3 3s e r v i c e 类型环境模型2 1 图3 4 t o p i c 类型环境模型：2 1 图3 5 一个a g e n t 属于多个环境集合示例2 3 图3 6 环境描述示例2 5 图3 7 环境信息类之间的关系2 8 图3 8内容表达式和j a v a 对象的相互转化31 图3 9m e s s a g e o n t o l o g y 示例3 1 图4 1p u b l i s h e r 类及其子类3 3 图4 2s u b s c r i b e r 类及其子类3 6 图4 3 接收环境信息示例代码4 0 图5 1 g a r b a g e c l e a n e r 系统中的r o l e 4 3 图5 2 g a r b a g e m a n a g e r 中环境描述4 4 图5 3r o b o t 中环境描述4 4 图5 4t i m e a g e n t 发布系统时间4 5 图5 5 g a r b a g e m a n a g e r 发布垃圾信息4 5 图5 6r o b o t 发送内部事件信息4 6 图5 7c l e a n e r 中内部事件4 6 图 图 图 图 d u m p c a r t 中内部事件4 6 c l e a n e r 发布r o l e b e h a v i o u r m e s s a g e 4 7 0 r o b o t 接收a g e n t 类型环境信息4 7 1 在自适应策略中接收环境信息4 8 图5 1 2 启动案例的命令4 8 图5 1 3 系统启动后界面4 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 绑定p a p e r c l e a n e r 角色4 9 同时绑定不同c l e a n e r 5 0 绑定d u m p c a r t 角色5 0 钝化当前绑定的角色5 l 第v 页 国防科学技术大学研究牛院学位论文 表目录 表3 1 自适应a g e n t 的环境分类2 2 表3 2 环境信息分类2 6 表4 1p u b u l i s h e r 的分类3 2 第1 i i 页 独创性声一明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目 笪自适廑垒g 曼垒! 丕境盍丞生盛筮扭剑的塑窥曼遮盐滏 学位论丈作者鲐边牡帆硼年帅哆日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：堡自适应叁g 曼垒! 墅埴盍丞生盛筮扭剑的叠壅皇遮盐整 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：埘年2 月哆日 日期：泖矿年，以月文二日 二 国防科学技术大学研究牛院学位论文 1 1 1 自适应软件简介 第一章绪论弟一早殖t 匕 1 1 研究背景 近年来，随着计算机网络尤其是i n t e m e t 的日益普及和广泛应用，越来越多的 软件系统运行和部署在i n t e m e t 之上。与传统计算机平台不同，i n t e m e t 具有以下 基本特征：无统一控制的“真”分布性，节点的高度自治性，节点链接的开放性和动 态性，实体行为的不可预测性，网络连接环境的多样性等【l 】。与此同时，运行在 i n t e r n e t 之上的软件系统的规模和复杂性越来越高，并呈现出以下新的形态和特点： 面向组织、自治性、分布和协同性、开放和动态性、自适应性等1 2 1 。软件系统的 这些新的形态和特点提高用户了对软件健壮性的需求，使得软件在管理和维护方 面压力增加，并导致了软件在存储态和运行态方面的差异怛引。 如何在开放、动态、难控的i n t e m e t 环境下实现各类资源的共享和集成以及复 杂软件系统的开发已成为计算机软件技术面临的一项挑战性研究课题【4 】。f r a n c o z a r n b o n e l l i 指出，当前软件系统的复杂性远超出现有软件工程抽象( 如面向对象、 面向构件等) 的处理能力，并将作为一种重要的驱动力，促使软件工程甚至计算 机科学范型的根本性变革 3 1 。如何适应外部环境和用户需求的各种变化，始终贯 穿着软件技术的发展过程，在此过程中人们一直追求更具表达能力、更符合人类 思维模式、更具可构造性和演化性的软件模型，实现有效的复杂性控制【3 4 1 。因此， 在开放、动态环境下的软件系统核心难点之一在于如何使软件系统能够在运行过 程中对外部环境和用户需求的变化做出适当反应，从而将系统所提供服务的功能 或性能等维持在个令人满意的水平上 4 1 。近年来，有关自适应软件的研究成为 人们关注的焦点1 2 4 j 。 王千祥提出了对自适应软件的一种定义【2 4 1 ：自适应软件是一类特殊的软件， 这类软件能够在运行过程中，实时收集系统的各种变化信息，并根据预先设定好 的策略，在必要时对自身进行自动调整，以更好地为用户提供服务。 自适应软件关注软件的高层感知性、对环境的适应性以及自动性。自适应软 件监视外部环境和内部结构及功能，能够在外部环境发生变化或自身出现错误时 改进或者修正自身，这个过程通常利用反馈控制系统行为，通过修改或重组自身 的程序或子系统来完成1 2 s - 。 自适应软件是一种能够自动适应需求变化、对问题域的深入理解和技术进步 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 等环境变更凶素的软件【2 6 】。自适应软件强调在整个软件生命周期中，通过检测需 求和环境的变化、调整规划和修改开发，使软件不断演变以适应变化【2 7 】。自适应 软件的这些特性满足了i a ns o m m e r v i l l 提出的将优秀软件的衡量标准：软件是否能 不断变化以满足用户变化的需求1 2 引。 软件系统在运行过程中需要适应外部的各种变化。从开发人员的角度看，在 软件开发过程中需要考虑到大量变化如：运行实体功能的改变和增加、系统运行 机制和流程的变化、系统安全性的提高等等；从软件运行的角度看，软件运行过 程中面临的变化包括：系统资源的变化、运行上下文的变化、交互对象的变化等 等。自适应软件的自适应特点使得其能够很好的解决软件运行过程中外部环境变 化，而通过更换自适应策略，可以从开放人员角度解决适应外部变化的问题。 设计与开发自适应软件需要解决以下问题担4 】： 一自适应的目标是什么? 一自适应软件处于什么样的环境中? -自适应面临哪些约束? 一所允许的人工干预的程度是多少? 一 采用何种方式描述软件自身的知识? 一如何评估软件是否满足期望? 一如何描述并执行期望系统做出的修改? 1 1 2 自适应软件的外部环境 传统软件是运行在静态、封闭、可控的环境下的。这就意味着我们能够在软 件设计阶段对软件的外部环境做出明确的界定，构成环境的元素的个数和类型在 软件生命周期中是固定不变的，环境的内容是按照可控的方式在预想的框架内进 行变化，感知环境的方式能够预先设定，在需要的时候主动去获得环境的信息。 例如，经典软件主要面向单机系统，构成外部环境的要素主要包括内存大小、网 络带宽、i o 设备等，在其生命周期中，这些元素的变化有限，并可预测控制，软 件系统可以在需要的时候主动去系统中查询当前环境的状态。 i n t e m e t 环境是开放、动态、难控的。开放是指对软件开发、部署、运行和维 护的外部环境在通常只能做较少的界定或难以明确界定，从而导致构成外部环境 的元素的个数和类型在软件生存周期中是动态可变的，构成外部环境的的内容的 变化难以控制的，当环境内容发生变化时，软件需要能够及时感知到环境的变化 及变化的内容，所以，我们需要用一种确定的显式的方式来描述外部环境及环境 的变化。 随着软件技术的发展和变革、软件应用的不断深化和领域延伸，关于环境特 第2 页 国防科学技术人学研究牛院学位论文 征、环境建模以及环境信息处理等方面的工作近年来得到了重视并取得了初步进 展。在智能a g e n t 领域，r u s s e l l 和n o v i g 将外部环境从易存取性不易存取性、确 定性非确定性、静态性动态性、离散性连续性等角度加以刻画【2 0 】， 2 1 1 。在普适计 算领域， 尤其是在上下文感知计算( c o n t e x t - a w a r ec o m p u t i n g ) 领域，环境的概念普 遍受到重视，研究人员以上下文作为抽象，从其定义、表达、感知、存储、管理、 使用等各个方面进行研究，取得了一定进展【4 】。 通常我们从三个角度来认识软件的外部环境：( 1 ) 环境的构成；( 2 ) 环境 的变化方式：( 3 ) 软件系统对环境的感知方式。从环境的构成角度来看，外部环 境实际上是指影响软件系统开发、部署、运行与维护的外部环境元素【9 】，构成环 境的元素的个数和类型的变化是我们所关心的问题；从环境的变化方式角度来看， 构成环境的元素本身是否发生变化和变化的内容是我们所关心的问题，比如元素 自身的状态变化，或元素所执行的动作和行为变化；从软件系统对环境的感知角 度来看，软件系统如何感知环境的变化和变化的内容是我们所关心的问题。 从系统运行的角度来看，自适应软件与传统软件的主要不同之处在于其强调 了环境驱动的特性【4 】。从软件的生命周期来看，软件系统总是运行在一定的环境 下的。在传统的软件模型中，运行环境是软件系统运行的全局性的前提和假设， 是封闭、静态与可控的，因此其对外部环境的应变主要采取了一种以“隐式为主 的环境和静态为主的应变 为特征的处理方式【5 】。在自适应软件运行时，系统一 方面要能够满足用户当前的需求，另一方面还要能够根据环境的变化对运行机制 或状态进行调整，使得系统能够在环境变化的情况下依然能够满足用户的需求。 但是，由于自适应软件的运行是开放、动态、难控的，用户的需求和运行的环境 经常发生变化，因此，我们需要对自适应软件的环境进行显式化的描述，并且使 得系统能够动态的根据环境的变化做出应变。 文献t 4 1 提出：从外部行为特征的角度来看，自适应是指软件系统能够从外部 环境信息中收集关于自身行为的信息，依据某些指标来评价自身行为，并能根 据评价结果决策是否改变自己的行为以更好地完成预期目标。实际上，自适应反 映的是软件系统自动适应外部环境的能力，并试图将软件系统用被动的应变转向 主动的求变。 本文的目的旨在解决自适应软件对外部环境感知的问题。我们将对自适应软 件外部环境的研究分为三个部分：通过定义环境、显式化描述环境来解决环境的 构成问题；通过设计环境信息的产生和变化来描述环境的变化方式；通过发布、 订阅和接收环境信息来解决环境的感知问题。本文的研究工作将针对这三个部分 进行。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 相关研究工作 本节主要介绍自适应软件的相关研究工作。首先介绍了自适应软件的理论基 础，当前研究现状。介绍了本文工作的基础基于a g e n t 技术研究自适应软件 的方法。 1 2 1 自适应软件的理论基础 自适应软件在运行过程中需要始终关注运行时所处环境的状态和自身的功能 与结构，并结合用户预先设定的目标，对自身和系统进行调整。相比于传统的软 件，这种特性和传统的控制系统的“收集一决策一控制”周期更为相似。文献【3 5 】总 结了这种相似性，并根据控制系统领域的基本理论和方法提出五种基于控制理论 的自适应软件模型，分别是开放回路、闭合回路( 反馈) 、拥有q o s 子系统的闭 合回路、间接适应和重配置，并将其作为自适应软件的基础。这一观点得到了许 多研究者的认同和响应，随之出现较多基于控制理论的自适应软件原型。 借鉴传统控制理论，自适应软件系统应包括系统自身和环境两个实体【3 3 】：环 境是一个动态系统，其行为是它的以前状态、操作和时间的函数；系统则可以通 过恰当地选择操作来达到外部定义的目标，而操作由外部传感器的输入、目标和 内部状态决定。这样的模型如图1 1 所示。 虽然人们已经提出了一些自适应的基本框架，但由于对自适应系统的研究时 间还不长，目前的自适应系统离形成稳定的框架体系尚有较长的距离。 管理人员 状态展示 设置策略 设定臼标 软 内部芗霉： 弋竽策略 件 实 佐 ” ffv 外部环境传感器决策内容 飞 t知环境卢响环境 ( 外部环境4 ) 图1 1 基于控制论的自适应软件模型 1 2 2 自适应软件研究现状 第4 页 同防科学技术大学研究生院学位论文 当日订对白适应软件的研究工作主要集中在三个方面：( 1 ) 对自适应软件的环 境的研究，主要解决自适应行为的驱动模型问题；( 2 ) 如何动态的更改和替换自 适应软件的自适应策略，主要解决自适应行为的决策模块问题；( 3 ) 如何评估自 适应行为给软件系统带来的结果，主要解决判断自适应行为是否有效的问题。 现阶段对自适应软件的研究都是建立在现有技术的基础上的，例如基于软件体 系结构的自适应软件研究、基于a g e n t 的自适应软件研究等。基于体系结构的自 适应软件研究的优势在于：( 1 ) 体系结构作为抽象模型可以为运行期间的自适应 软件系统提供全局视点，这有助于对系统的理解和分析；( 2 ) 由于自适应软件在 运行时刻会根据环境和用户需求的变化做出相应的调整，这些调整很可能会违背 原有的设计，破坏系统的一致性和完整性，而体系结构模型有助于显式地刻画这 些约束条件，确保系统在演化过程中的有效性【3 7 】；( 3 ) 基于体系结构的设计可 以使自适应软件系统中的构件之间具有松散的耦合关系，这样对系统中的一部分 进行更改不会引起其他部分的变动，因此可以对系统进行灵活的配置，有利于系 统的自身调整【3 引。r i c h a r dt a i l o r 教授很早就开始了基于软件体系结构的软件自适 应技术研究【3 2 1 ，并在基于消息传递体系结构风格的软件自适应技术取得了很大的 进展。 a g e n t 具有反应性、目标驱动性、社会性的特点，在开发和运行过程中非常适 合作为自适应软件的实体来使用。a g e n t 能够主动的观察自身所处的环境，并在这 些观察的基础上自治地实施其行为1 3 9 1 ，具有良好的自适应特性。因此人们可以在 软件过程建模中引入a g e n t 技术，使用a g e n t 来描述软件过程的组成要素，并使得 a g e n t 能够表现软件过程的行为，从而利用a g e n t 的自适应机制实现软件过程在任 务规划、资源分配、过程产品管理以及过程协同方面的自适应特性。 本文中针对自适应软件环境的研究工作是基于面向a g e n t 技术的。在下- - d , 节中，我们将对面向a g e n t 技术进行介绍。 1 2 3 面向a g e n t 技术 随着i n t e r n e t 技术的快速发展，人们对开发环境下的软件系统的运行平台、基 本形态、以及相关应用的认识和研究都发生了变化，代表工作有m i l n e r 提出的 g l o b a lu b i q u i t o u sc o m p u t e r 的概念【5 】、s h a w 从资源集成与共享角度提出的o p e n r e s o u r c e sc o a l i t i o n s 的概念【6 】，【7 】，1 8 】等。 软件实体发展的一个趋势是主体化，即内容的自包含性、结构的独立性与实 体的适应性，从而较好地适应不断开放的开发与应用环境对软件实体的需求【4 】。 软件实体的主体化经历了“对象专构件专服务- - ) a g e n t 的发展过程，软件a g e n t 技 术从二十世纪九十年代以来受到了学术界、工业界以及一些政府机构( 如欧盟) 第5 页 冈防科学技术大学研究生院学位论文 的高度关注和重视，并被广泛应用于人工智能、分布计算、软件工程等领域的研 究【1 们。 所谓a g e n t 是指驻留在特定的环境下能够感知环境并能自主运行以满足设计 目标的软件实体，它代表了一种新颖的概念抽象和计算抽象。不同于对象、构件 和面向服务计算技术，a g e n t 概念抽象程度更高，更加贴近于人们对现实世界中行 为实体的直观理解和认识，有助于对应用系统和软件系统中的行为实体进行自然 建模。不同的a g e n t 间通过高层的交互相互作用，这种交互是在语义和知识层次 上进行的，它需要参与交互的多方a g e n t 清晰地表述交互的意图和内容，进而实 现它们之间的复杂合作、协商和竞争。 a g e n t 主要包括了以下特性【l l 】， 1 9 】：( 1 ) 反应性：a g e n t 能感知环境， 且能及 时做出反应从而能满足他们的设计目标；( 2 ) 目标驱动性： a g e n t 可展示出目标制 导的行为以满足其设计目标；( 3 ) 社会性：a g e n t 可相互问进行交互以满足其设计 目标。与对象相比，a g e n t 将对象通过输入输出与环境交互的理念提升为对外部环 境的感知与作用。目前，软件a g e n t 的研究包括智能a g e n t 1 、移动a g e n t 12 1 、 自适应a g e n t 等多个方面。软件a g e n t 的开发运行平台包括j a d e 、a g l e t 、c o u g a a r 、 j a d e x 等。 1 3 研究内容及成果 针对自适应软件的特点及其对软件开发技术提出的要求，我们研究了自适应 软件的运行支撑关键技术。该研究对于探索自适应软件的自适应机理、促进自适 应软件系统的开发、部署和维护具有重要的学术和应用价值。 自适应软件研究须解决以下三方面问题：( 1 ) 自适应软件实体的主体化问题： 自适应软件实体应主体化并具有自主行为决策的能力，以支持在运行时适应环境 变化，进而展示自适应的行为；( 2 ) 自适应软件对环境的显式感知、表示和分析 问题：自适应软件需具备对外部环境的感知、描述和分析能力，以确保自适应软 件根据环境的变化做出响应；( 3 ) 自适应性机制问题：以解决自适应软件如何根 据环境变化进行自适应活动。通过对这三个问题进行分析和提炼，我们认为自适 应软件具有环境驱动的特性。自适应软件需要对环境进行显式化的描述，根据环 境描述来感知环境。 本文将自适应软件实体抽象、封装和物化为软件a g e n t ，重点关注自适应软件 a g e n t 对环境感知、描述和分析的能力。本文将动态绑定机制【1 3 】，【1 7 1 作为自适应 a g e n t 的核心机制。所谓动态绑定机制是指自适应a g e n t 在其生命周期中能够根据 环境的变化动态地加入( 或退出) 行为规约，进而绑定( 或失去) 该行为规约， 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 软件a g e n t 所绑定的行为规约既可以处于活跃状态，也可以处于非活跃状态。自 适应软件将通过对行为规约的动态绑定来展示对环境变化的自适应行为。 为了使自适应软件的软件实体自适应a g e n t 具备环境驱动的特性，本文从环 境的构成、环境的变化方式、环境的感知方式三个角度对自适应a g e n t 的环境展 开研究工作，研究成果包括： ( 1 ) 将自适应a g e n t 的环境定义为能够影响该自适应a g e n t 行为的a g e n t 的 集合； ( 2 ) 根据自适应a g e n t 关注的角度不同将环境分为t o p i c 、s e r v i c e 、a g e n t 和r o l e 四类； ( 3 ) 使用三元组 t y p e ，c o n t e n t ，c o n s t r a i n t 来显式化描述环境； ( 4 ) 通过环境信息来描述环境的变化方式； ( 5 ) 设计了p u b l i s h e r ，a g e n t 自适应a g e n t 通过p u b l i h s e r 发布环境信息； ( 6 ) 设计了s u b s c r i b e r ，自适应a g e n t 通过接收使用s u b s c r i b e r 订阅的环境信 息来感知环境； ( 5 ) 应用案例的设计与实现。 本文的工作是自适应多a g e n t 系统的开发平台s a d e ( s e l f - a d a p t i v ea g e n t d e v e l o p m e n tf r a m e w o r k ) 的一部分，使用到s a d e 平台的部分机制如动态绑定机制、 消息传递机制等，为s a d e 平台中运行实体自适应a g e n t 的自适应行为提供了环 境驱动模块。 1 4 论文结构 本文针对自适应a g e n t 的环境进行了研究，定义了s a d e 平台中自适应a g e n t 的环境的概念。提出了对自适应a g e n t 的环境的显式化描述方法，以及自适应a g e n t 对环境的感知方法。本文在提出方法同时进行了案例的分析，并通过案例的开发 验证了本文中提出的技术和方法的有效性和可行性。论文其余章节组织如下( 图 1 2 ) ： 第二章介绍自适应a g e n t 的概念，以及a g e n t 系统的开发运行平台s a d e ，主 要包括：自适应a g e n t 构件模型，动态绑定机制，自适应a g e n t 生命周期管理，j a d e 简介，s a d e 基本架构，s a d e 对j a d e 的扩展。 第三章研究并提出了对自适应a g e n t 的环境描述方法以及环境变化的描述方 法。包括环境的定义，环境的分类，环境的显式化描述，环境信息的定义。 第四章研究自适应a g e n t 环境如何感知环境，并针对不同类型的环境进行分 析，结合s a d e 平台中提供的机制，对不同类型的环境提出了不同的感知方法， 第7 页 同防科学技术大学研究牛院学佗论文 并给出了具体的实现过程。 第五章设计了g a r b a g e c l e a n e r 案例对本文中提出的方法进行验证，对案例进 行了分析，并提供了运行结果。 第六章总结全文并指出下一步工作。 第二章自适应a g e n t 及z 其开发平台s a d e uj r 第- 章自适应a g e mh 第四章自适应a g 髓t 环境的定义与表示_ 对环境的感知 i ，儿儿 第五章案例分析 儿 第六章总结与展望 图1 2 全文结构图 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章自适应a g e n t 及其开发平台s a d e 本文的研究工作是建立在使用a g e n t 技术来研究自适应软件的基础上的。结 合1 1 中提到的设计和开发自适应软件所需解决的问题，我们对多a g e n t 系统开发 平台j a d e 进行了扩展，开发了支撑自适应a g e n t 的开发和运行平台s a d e ( s e l f - a d a p t i v ea g e n td e v e l o p m e n tf r a m e w o r k ) 。在s a d e 平台中，我们使用自适 应a g e n t 作为运行实体，通过使用自适应策略描述语言来描述自适应过程和对自 适应动作的约束，用户可以通过更换自适应策略来改变对系统的期望以及系统的 运行模式；在s a d e 平台中，我们对自适应a g e n t 所处的环境进行了显式化的描 述，自适应a g e n t 可以感知到它所处的环境的变化，根据自适应策略对环境变化 做出相应的调整。 本章首先介绍了j a d e 平台。然后介绍了本文研究工作的基础自适应 a g e n t 和自适应a g e n t 的开发平台s a d e 。阐述了自适应a g e n