（计算机应用技术专业论文）基于mas的教师模型的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 信息技术与i n t e r n e t 的飞速发展极大的改变着人们的学习方法和方式，为 教育的发展带来了很大的契机。网络教学是随着现代信息技术发展而产生的一 种新型的教学形式，具有突破时空限制和实现资源共享的特点。而且，它价格 低廉、形式多样、普及性广，有着极大的生命力，是实现终身教育和个性化教 育的理想手段。因而，网络教学已成为世界各国教育改革和发展的重要方向。 但是，目前的网络教学系统存在着很多不足之处，它们多数智能化程度不 高，交互性、自适应性较差，缺乏人性化色彩。这些缺点束缚了网络教学的发 展，必须想办法加以解决。 教师模型是网络教学系统的核心智能模块。因此，要想解决上述问题，则 必须先要改进教师模型，提高它的智能化程度，增强它的自适应性，增加它的 人性化色彩。 a g e n t 技术目前正处于兴起时期，在国内外均已引起了广泛的重视。a g e n t 是能够自动感知环境、自主学习的计算实体，它具有智能性、自主性、交互性 和可移动性等优点。利用a g e n t 技术可以增加教学内容的趣味性和人性化色彩， 改善教学效果，提高教学质量，将网络教学又推向一个新的层次。 本文讨论的是用多a g e n t 来构建教师模型，试图利用a g e n t 的智能性、自 主性与交互性等特点来改进教师模型以提高它的性能。这个教师模型包括了确 定性推理机和模糊推理机两个推理机来分别处理系统中确定性、模糊型教学信 息。而且，这个教师模型还包含了一个模拟情绪产生器，它用来模拟人类教师 因为学生学习状况而产生的情绪变化，从而来为教师模型增加人性化色彩。 我们所做的工作只是一种初步的探索与尝试，仍然需要我们不断地努力来 完善与实现。 关键字：a g e n t ；m a s ；网络教学系统；教师模型；推理机 墓堡望三奎堂堡主兰壁堡壅 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e r n e th a sb e e n c h a n g i n gg r e a t l yt h em e a n sa n df a s h i o no fp e o p l e sl e a r n i n ga n db r i n g sag r e a t c h a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to fe d u c a t i o n a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yn e t w o r ke d u c a t i o ni sp r o d u c e da san e we d u c a t i o nf o r m i t h a st h ec h a r a c t e r i s t i c st h a ta r en o tr e s t r i c t e db yt i m ea n ds p a c ea n dt h ee d u c a t i o n r e s o u r c et h a tc a nb es h a r e d a d d i t i o n a l l y , i t sp r i c ei sc h e a pa n dh a sa l lk i n d so f f o r m s i tw a sf l e x i b l ea n dw i d e l yu s e d i th a sav e r ys 扛o n gv i t a l i t y i ti si d e a lm e a n sf o r l i f e l o n ge d u c a t i o na n di n d i v i d u a t i o nt e a c h i n g a sar e s u l t ，n e t w o r ke d u c a t i o nh a s b e c o m et h ei m p o r t a n td i r e c t i o no f t h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t ye d u c a t i o nr e f o r ma n d d e v e l o p m e n t s h o w e v e r , c u r r e n tn e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m sh a v em a n ys h o r t a g e s m o s t s y s t e m s l a c ki n t e l l i g e n c e ，a l t e r n a t i o n , s e l f - a d a p t a t i o na n dh u m a n i z a t i o n ，w h i c h r e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r kt e a c h i n g t h em e a s u r e sm u s tb em a d et os e t t l e t h e s ep r o b l e m s t e a c h e rm o d e li st h ec e n t r ei n t e u i g e mm o d e lo ft h en e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m i no r d e rt os e t t l et h ea b o v ep r o b l e m s ，i th a st ob ei m p r o v e d i tm u s ta d v a n c ei t s i n t e l l i g e n c ea n di n c r e a t es e l f - a d a p t a t i o na n dh u m a n i z a t i o n a g e n tt e c h n i q u ei so nt h er i s ea n dh a sa t t a c h e db r o a di m p o r t a n c et oi nt h e w o r l d a g e n ti s ac a l c u l a t i o n e n t i t yt h a tc a l la p p e r c e i v et h ec i r c u m s t a n c e a u t o m a t i c a l l ya n dl e a r ni n d e p e n d e n t l y i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha si n t e l l i g e n c e ， i n d e p e n d e n c ea n da l t e m a t i o n u s i n ga g e n tt e c h n i q u ec a nm a k et e a c h i n gm o r e i n t e r e s t i n ga n dh u m a n i z i n g i tc a ni m p r o v et h ee f f e c ta n dq u a l i t yo fe d u c a t i o na n d b o o s tn e t w o r ke d u c a t i o nt oan e v vl e v e l w h a tt h ep a p e r sw a n tt ot e l li st oc o m p o s et e a c h e rm o d e lo fs e v e r a la g e n t sa n d t o i m p r o v ei t sp e r f o r m a n c eu s i n ga g e n t si n t e l l i g e n c e ，s e l f - d e t e r m i n a t i o na n d a l t e r n a t i o n t h i st e a c h e rm o d e li n c l u d e sac e r t a i ni n f e r e n c ee n g i n ea n daf u z z y i n f e r e n c ee n g i n ct h a td e a lw i t ht h ec e r t a i na n df u z z yi n f o r m a t i o no ft h es y s t e m i n d i v i d u a l l y i n o r d e rt oi n c r e a t eh u m a n i z a t i o n , t h et e a c h e rm o d e li n c l u d e sa i i 武汉理工大学硕士学位论文 s i m u l a t i v ee m o t i o ng e n e r a t o rt h a tc a l lg e n e r a t es i m u l a t i v et e a c h e r se m o t i o nf r o mt h e s t u d e n t s l e a r n i n gs t a t u s o u rw o r ki so n l ya p r e p a r a t o r ye x p l o r a t i o na n da t t e m p t t h ee f f o r ti sa l s ot ob e m a d et op e r f e c ta r i dc a l t yo u tt h es y s t e m k e y w o r d s ：a g e n t , m a s ，n e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m , t e a c h e rm o d e l ， i n f e r e n c ee n g i n e l i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 网络教学是指以计算机网络( 特别是i n t e m e t ) 为依托，借助于计算机多媒体 技术，以学生为中心，教师为主导的一种新型教学模式”1 。 1 1 网络教学的发展背景与研究现状 当今的时代是一个“信息膨胀”的时代，若想与时共进，不被这个时代淘汰， 就必须时刻接受教育以获取足够的知识。随着计算机技术的进步，特别是i n t e r n e t 和多媒体技术的发展，人们的生产方式、工作方式、生活方式和学习方式都发 生了惊人的变化。在教育领域也不可避免地引起了深刻的变革，传统的黑板加 粉笔的教学手段己无法适应当前大信息量的教学内容需要。为适应2 l 世纪对高 素质创造型人才的需要，必须仓0 造一个在教师指导下的学生自主式学习的环境。 在现代技术条件下，实施网络教学为教育改革提供了一个可行的施教方案【”。 网络教学利用现代化信息技术克服空间、时间上的限制，使得教师、学生可 以在异地异步地完成教学活动，从而突破了传统教育资源和教育方法的诸多限 制。与传统的教学方式相比，网络教学有几大优点【1 】：1 ) 自主性：网络上可以 提供的学习信息资源数量庞大，学生可以自主地选择在何时何地学习何种学习 资料，从而进一步激发学习兴趣和学习自主性。2 ) 交互性：在传统教学模式下， 教师与学生之间较多发生的是一种从教师向学生的单向广播式的交流。而网络 教学则可以使教师与学生之间在教学中以一种交互的方式呈现信息，学生不仅 可以与教师进行交流，还可以咨询专家、与同学进行讨论，交流方式多种多样， 可以自主选择。3 ) 个性化：传统教学总是把学生置于共同的影响之下，在很大 程度上束缚了学生的创造力，使得学生的个性得不到充分发挥。在网络教学中， 学生可以进行异步的交流与学习，学生和教师之间、学生和专家之间、同学和 同学之间可以通过网络进行交流，学生就能及时了解到自己的进步与不足，并 在教师或专家的帮助下根据自己的学习进度适时地调整学习计划与学习方法， 从而实现真正的个别化教学，达到“因材施教”的效果。 目前，随着计算机网络技术与多媒体技术的发展与成熟，网络教学已经成为 武汉理工大学硕士学位论文 了研究的热点，世界各国都对网络教学给予了高度的重视，国内外许多的高等 教育机构和研究机构都早已开始了这方面的研究与实践。在一些发达国家，尤 其是美国，远程网络教学已经成为了高等教育的重要组成部分、培养各类人才 的主要手段和终生教育体系的重要标志。国内的网络教学虽然起步较晚，但是 受到了国家的高度重视，制定了相应的政策法规，批准了多所高校的远程教育 的学位授予权。9 4 年底开始兴建专门的网上教育基础设施，开发中国教育研究 网。此后，高校各项网上教育计划也迅速发展起来。 1 2 网络教学的研究意义与发展趋势 在这个信息化时代，各个国家对人才( 尤其是掌握和应用信息技术的人才) 的竞争已经日趋白热化，因为社会信息化的程度已被看作是一个国家现代化水 平和综合国力的重要标志。美国思克集团总裁约翰钱伯思就曾断言：互联网 和教育作为推进社会经济发展的两个核心动力，将深刻地改变一个民族的历史 和命运，谁把握了互联网，谁就把握了未来；谁开创了面向未来的教育体系， 谁将具有持续发展的能力【2 】。 我国目前的高等教育模式主要有两种，一种是传统的校内课堂教育，这种教 育模式需要大量的高水平教师和巨额的资金，因此很难在近期大规模发展；另 一种是传统的函授教育，但这种教育很难保证教育质量【3 】。随着素质教育的深化、 我国教育规模的不断扩大，人们对教育需求的日益增加，传统的教育、学习方 式受到了前所未有的冲击和压力。在学校中，现有的师资力量已经难以适应当 前大、中、小学不断扩大的招生规模；在社会上，人们对继续学习的热情空前 高涨1 4 j 。因此，我国迫切需要发展现代化的远程教育。 网络教学能够满足信息社会对人才培养及教育的许多新要求，能够在全球范 围内实现信息交流、资源共享和远程学习【5 1 。网络教学是未来教育发展的趋势， 随着计算机网络的日益普及，它必将成为全民教育和终身教育的主渠道，将在 教育科研的各个方面发挥着越来越重要的作用。 与传统的教学模式相比较，网络教学虽然有许多突出的优点，同时也存在着 一些缺陷： 1 目前网络的传输速度较慢，难以满足音频、视频等信息的实时传输需求 和网上学习实时交互需求。 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 现有的教学系统多以呈现教学材料为主，缺乏交互手段，动态交互功能 不强。 3 系统缺乏智能性，对不同认知水平的学生和不同教学内容采用相同的教 学策略，不能根据学生的水平和学习情况提供相应的指导，实现“因材 施教”。 4 系统的测试和评价功能不强，对学生学习心理及情感状态未加考虑。 5 缺乏有效的引导。学生在网络环境中随意性较大，无法快速准确地寻找 到学习内容的准确位置，甚至是盲目地漫游，这既浪费了时间又达不到 学习的目的1 6 j 。 6 安全性较差。现有的网上教学系统基本上是c s 结构，客户端过于庞大， 而且客户端驻留程序可以对客户端任意操作，增加了不安全的因素嘲。 最初人们采用了智能辅助教学( i c a i ) 来解决网络教学中出现的问题，智能 辅助教学主要强调辅助老师“教”，利用“学生模型”、“知识推理”和“教学决 策”等模块，帮助教师实现因材施教和进行有针对性的指导。2 0 世纪9 0 年代以 来，随着多媒体和i n t e m e t 的迅速普及，一种全新的学习理论与教学理论建 构主义理论日益流行。这种理论强调教师指导下的以学生为中心的学习，教学 过程中不仅要发挥教师的指导作用，更要充分体现学生的认知主体作用。因此 教学中的智能不仅应体现在辅助老师“教”，而且应体现在辅助学生“学”。智 能代理( a g e n t ) 技术正是在这样的背景下，逐渐取代i c a i 而成为网络教学领 域实现智能化的一种主流技术【l 】。 通过把智能代理技术引入网络教学系统，不仅可以帮助教师对学生学习过程 实施迅速高效的检查与监控，使教师可以在“人”的层面上充分发挥效力；而 且，还可以帮助学生完成学习材料的收集及与虚拟学伴和教师的交流，另外通 过教学代理给学生及时的引导和建议，来实现适应性学习。从而，就能增加教 学内容的趣味性和人性化色彩，改善教学效果。 1 3 本文的主要工作 本文拟在智能代理技术的基础上构建一个能够因材施教的，具有一定自主性 和人性化色彩的教师模型，最终提供一个在时间上、地理上完全独立，双向交 互能力强大，适合个体化教学，智能化程度较高的开放的数字化开放学习环境。 武汉理工大学硕士学位论文 本文的主要工作可以归纳为以下几项： 1 对本文所要涉及到的基础技术理论作一个简单明了的介绍。 2 提出一个基于m a s ( 多代理系统) 的网络智能教学系统模型，并详细分 析系统中各模块的功能与结构。 3 主要介绍系统中的教师模型的构建与实现，详细分析模型中各a g e n t 的 结构和工作流程，以及各a g e n t 的通信与协作。其中，重点介绍推理机 的工作原理与工作流程。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 a g e n t 第2 章关键技术 2 1 1 a g e n t 的发展与现状 a g e n t ( 代理) 的研究起源于人工智能领域，它是指模拟人类行为和关系， 具有一定智能并能够自主运行和提供相应服务的程序。随着网络技术的发展， 可以让a g e n t 在网络中移动并执行，完成某些功能，这就是m o b i l ea g e n t ( 移 动代理) 的思想，它是指具有跨平台持续运行，自我控制移动能力，模拟人类 行为关系，并能够提供一定人类智能服务的程序。m o b i i ea g e n t 思想的提出， 使得a g e n t 技术具有了动态性和分布计算的特点，进一步扩展了a g e n t 处理事 务的功能。其突出的特征就是a g e n t 实体的运行不是固定在一台机器上，而是 可以动态地在网络中的多台主机上运行【l 】。 人工智能和计算机网络的发展促成了软件a g e n t 技术的发展，软件a g e n t 技 术正是为解决复杂、动态、分布式智能应用而提供的一种新的计算手段。许多 专家信心十足地称：软件a g e n t 技术将成为2 1 世纪软件技术发展的又一次革命 【6 】。 在a g e n t 概念的基础上，美国s t a n f o r d 大学的s h o h a m 等人于1 9 9 3 年首先 提出a o p 的概念。他们在机器人研制工作中采用a o p 的语义，强调系统中a g e n t 的精神状态( m e n t a ls t a t e ) 的逻辑定义，以此作为a o p 语言的基础，并研制 出a o p 语言a g e n t o 和a g e n t l l 4 。 目前a g e n t 技术离成熟尚有很大的差距，相关的理论知识并不系统，仍然需 要不断的探索与实践。当前基于a g e n t 系统的开发缺乏相应的软件开发工具和 环境的有效支持，绝大部分系统的开发不得不借助于成熟的对象技术来实现， 这导致软件开发人员花费大量的时间来开发作为a g e n t 所必需的一些底层机制， 如：通信、合作、自适应、自主行为决策等，从而影响这些系统间的互操作和 集成。最近，一些支持基于a g e n t 系统开发的商业化软件开发工具和环境开始 出现【“。例如：a g e n tb u i i d e r ，a g e n tt a l k ，m i c r o s o f ta g e n t ，i b ma g l e t 等。 这些a g e n t 技术产品的出现并不意味着现阶段a g e n t 技术已经走向实用。实 武汉理工大学硕士学位论文 际情况是：这些产品的有效性、可用性、可靠性等仍需要实践的检验：这些软 件开发工具和环境并没有遵循任何标准，也没有一个统一的通信语言和协议， 因此所开发的系统缺乏互操作性，在一个系统中开发的a g e n t 在其他系统中并 不一定能够运行。现阶段a g e n t 功能主要体现在应用系统之中，人们希望不久 的将来a g e n t 的功能将会成为操作系统和应用环境的一个部分川。 2 1 2a g e n t 的定义与特性 a g e n t 一词直译为“代理”，也有人把它翻译为“智能代理”，广义上它是指 具有智能的任何实体，包括人类、智能硬件( 如机器人) 和智能软件【6 1 。狭义的 a g e n t 则专指信息世界中的软件机器入或称软件a g e n t 。它是代表用户或其它程 序，以主动服务的方式完成一组操作的机动计算实体【4 】。 w o o d r i d g e 给出了a g e n t 的两种定义，弱定义是从广义的角度来规定a g e n t 的特性，几乎所有的被称之为a g e n t 的实体都应该具备；强定义则是从狭义的 角度来定义a g e n t ，主要是由一些来自与人工智能领域的研究人员为其添加的特 性【8 1 。 定义1 ( 弱定义) ：a g e n t 用以最一般地说明一个软硬件系统，它具有这样的 特性【1 1 ： 1 ) 自治性( a u t o n o m y ) ，a g e n t 可以在没有人或其它a g e n t 直接干预的情况 下运作，而且对自己的行为和内部状态有某种控制能力； 2 ) 社会性( s o c i a la b i l i t y ) ：a g e n t 和其它a g e n t 通过某种a g e n t 通信语 言进行信息交流； 3 ) 反应性( r e a c t i v i t y ) ：a g e n t 能够理解周围的环境，并对环境的变化做 出实时的响应； 4 ) 能动性( p r e a c t i v e n e s s ) ：a g e n t 不仅简单地对其环境做出反应，也能 够通过接受某些启动信息，表现出有目标的行为。 定义2 ( 强定义) ：a g e n t 除了具备定义l 中的所有特性外，还应具备一些人 类才具有的特性，如知识、信念、义务、意图等【l 】o 迄今为止，对a g e n t 始终没有一个统一的公认的定义，国内一般将其翻译成 “智能代理”或“智能主体”。一般而言，可以认为a g e n t 是一类在特定环境下 能感知环境，并能灵活、自主地运行以实现一系列设计目标的、自主的计算实 6 武汉理工大学硕士学位论文 体或程序r 刀。 a g e n t 的主要特性如下1 5 , 9 1 ： ( 1 ) 自主性自治性：a g e n t 能在目标的驱动下，自主的选择通信和合作策 略，利用知识和推理能力以特定的方式响应周围的环境。单个的a g e n t 能够对 其自身的行为进行规划。 ( 2 ) 协作性：多个a g e n t 可以通过规划和合作共同完成一个任务，在合作 过程中，遇到冲突时能够相互通信和协商，是a g e n t 最重要的属性和a g e n t 社 会性的表现。 ( 3 ) 动态性：a g e n t 不是固定不变的，它能够在完成任务的过程中搜集知识、 发现资源，同时利用这些来改变自身以适应环境。 ( 4 ) 强壮性：a g e n t 能够对突发事件做出适当的反应，这增加了它对环境的 适应性和自身的强壮性。 ( 5 ) 适应性：指a g e n t 能够对环境的变化作出反应，在适当的时候采取面 向目标的行动，以及从其自身的经历、所处的环境和其它a g e n t 的交互中学习。 ( 6 ) 学习性：a g e n t 能从周围环境和协同工作的结果中学习，进化自身的 能力，是a g e n t 智能性的具体体现。 ( 7 ) 移动性：a g e n t 应具有在网络中自主移动的能力，且自身状态保持不 变。 a g e n t 理论家开发出了许多表示a g e n t 特性的形式方法，主要有：b r a t m a n 提出的叻i ( b e l i e f - d e s i r e - i n t e n t i o n ) 理论、k o n o i g e 的演绎模型( d e d u c t i o n m o d e l ) 理论、m o o r e 的知识和行为( k n o w l e d g e a c t i o n ) 逻辑、c o h e n 和l e v e s q u e 的意图( i n t e n t i o n ) 理论【4 j 。 2 1 3a g e n t 的基本结构 a g e m 的基本结构如图2 _ 1 所示，由环境感知模块、执行模块、通信模块、 信息处理模块、决策与智能控制模块以及知识库和任务表组成。环境感知模块、 执行模块和通信模块负责与系统环境和其它a g e n t 进行交互，任务表为该a g e n t 所要完成的功能和任务。信息处理模块负责对感知和接收到的信息进行初步地 加工、处理和存储，决策与智能控制模块是赋予a g e n t 智能的关键部件。它运 用知识库中的知识对信息处理模块处理所得到的外部环境信息和其它a g e n t 的 7 武汉理工大学硕士学位论文 通信信息进行进一步的分析、推理，为进一步的通信或从任务表中选择适当的 任务供执行模块执行作出合理的决策。在多a g e n t 系统中，各a g e n t 是自治的， 各a g e n t 之间只能通过通信以及对环境的改变相互影响，各a g e n t 自身的行为 最终是由其自己决策的【1 0 1 。 l 巧挚h 信息处理模块 a g e n t 1 鬟模块l 厂 通 网甲， 1 知识库l 讯 t 模 - f 块 萎b 4 决策与智能控制模块 l 二= j 2 1 4a g e n t 的应用 图2 - 1a g e n t 的基本结构1 0 l 智能代理( a g e n t ) 是当今计算机科学领域、信息工程领域和网络与通信领 域十分活跃的前沿研究方向之一，具有广泛的应用领域与前景，大致可以概括 为以下几个方面【“j ： 1 ) 工业应用 在工业上的应用是a g e n t 晟早的也是最活跃的应用领域之一，例如在过程控 制、制造和交通管理等领域a g e n t 就有十分广泛的应用。 2 ) 信息处理 随着大量的不同种类的信息的增长，对信息管理的需求也在增长。由于缺乏 有效的信息管理工具，导致了通常所说的信息过载问题。处理信息过载的途径 是信息管理、信息过滤和信息收集。a g e n t 的应用就能帮助用户自主有效地完成 海量信息的处理，例如：搜索a g e n t 能够自动地完成用户的特定搜索任务，为 用户收集相关的信息；信息过滤a g e n t 自动地将用户所面对的大量信息缩减成 用户感兴趣的信息子集；信息管理a g e n t 能够有效地管理一个有组织的、可管 理的数据集并提供帮助用户使用这些数据的服务，它使用户能从杂乱无章的数 武汉理工大学硕士学位论文 据中获得单一的、一致的数据。 3 ) 电子商务 以前的商务活动几乎完全由人的交互来驱动。人们决定何时购买商品和付多 少钱。i n t e r n e t 的发展为电子商务提供了一个良好的基础设施，而多a g e n t 技 术则为完善的电子商务勾画了美好的前景。a g e n t 技术可以实现智能商务，实现 完善的客户关系管理，帮助用户进行数据分析( 基于a g e n t 的数据挖掘) 。 4 ) 医学应用 计算机科学技术在医学上的应用与日俱增，将a g e n t 用于医学自然是顺理成 章的事。早在十多年前斯坦福大学的h a y e s - r o t h 等就将a g e n t 用于病人监控护 理。a g e n t 的另一个常见医学应用是疾病诊断。 5 ) 网络应用 基于a g e n t 的系统有助于管理复杂系统和网络，能够进行负载均衡、失效预 测、故障分析和信息综合。新一代的动态防病毒技术正将a g e n t 引入其中。a g e n t 的智能行为使得病毒防范系统可以识别新出现的病毒。网络入侵检测是a g e n t 的一个新的应用领域。 6 ) 移动计算应用 移动端用户对环境变化的适应性是移动计算中的关键问题。a g e n t 在实现适 应性方面将起到非常重要的作用。单个a g e n t 很难决定如何适应情况变化，因 此需要多个适应a g e n t 协同努力来实现。软件a g e n t 能够在较高的抽象级为新 的移动服务建模，并能通过自动集成各种a g e n t 来实施该模型。另外软件a g e n t 能够增加系统的可用性和可靠性。 7 ) 娱乐应用 a g e n t 在计算机游戏、交互式剧场以及相关的虚拟现实应用中有着明显的作 用。因为这类系统中往往具有半自治的角色，而这正是a g e n t 的特点所在，很 容易用a g e n t 实现。 2 2 多代理系统 多代理系统( 又称为多a g e n t 系统或m r s ) 的思想源于h e r b e ts i m o n 的著作 a d m i n i s t r a t i v eb e h a v i o r ，他认为：一个大的机构把许多个体组织起来， 可以弥补个体工作能力的有限：同样，劳动的分工和每个个体负责一项专门的 9 武汉理工大学硕士学位论文 任务，可以弥补个体学习新任务能力的有限；社会机构间有组织的信息流动， 可以弥补个体处理信息并运用信息做出决策能力的有限【4 】。在解决实际问题的过 程中，单个a g e n t 受其知识、计算资源及其与其他a g e n t 相互关系的限制常常 不能解决一些大型、复杂的现实问题，但是通过适当的体系结构把a g e n t 组织 起来，可以弥补各个a g e n t 的不足，使整个系统的能力超过任何单个a g e n t 的 能力，因此m a s 的出现并成为研究的主流是必然的【1 3 1 。 2 2 1n a s 的概述与特点 多a g e n t 系统的提出是对传统人工智能研究方法与目标的反思，并借鉴了计 算机科学、社会学、组织学、经济学、生态学等多个学科的思想与技术成果【9 】。 多a g e n t 系统是由一组独立的，但又协同工作的a g e n t 构成的，是个较为 松散的多a g e n t 联邦。a g e n t 是其基本的组成单元，又是独立运行的实体【3 】。在 多a g e n t 系统中，a g e n t 成员之间相互协同，相互服务，共同完成一个任务。各 a g e n t 成员的活动是自制和独立的，其自身的目标和行为不受其它a g e n t 成员的 限制，它通过竞争或磋商等手段协调和解决各成员a g e n t 的目标和行为之间的 矛盾和冲突。多a g e n t 系统的数据和资源是分散的，每个a g e n t 对于所要完成 的任务拥有不全面的信息或能力，不存在全局的控制系统，任务的执行和计算 是异步的。多a g e n t 系统主要研究整个多a g e n t 系统活动中各a g e n t 之间的相 互作用如何产生、每个a g e n t 成员的推理和行为决策如何考虑系统或环境中其 它a g e n t 的存在、a g e n t 成员的目标和行为之间可能的冲突检测和协调以及任务 和资源的划分、分配和管理等【1 0 】。 m a s 不仅研究单个a g e n t 复杂的体系结构以及这样的a g e n t 之间的简单交互， 而且研究大量相对简单的a g e n t 之间的复杂交互，即建立复杂的社会模型，而 不是复杂的个体模型。研究人员更关注m a $ 中a g e n t 在社会层次上的知识和行 为【4 1 。 这种系统具有传统分布、并发问题求解的优点，同时具有复杂的交互模式。 因为它往往涉及到多个a g e n t 之问的相互合作、协同、协商、竞争等问题的分 析和讨论以及与之相关的复杂交互模式【lo 】。 多a g e n t 系统具有如下主要特点 9 1 ： 1 ) 社会性：a g e n t 可能处于由多个a g e n t 构成的社会环境中，a g e n t 拥有其 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 它a g e n t 的信息处理和知识，并能通过某种a g e n t 通信语言与其它a g e n t 实施 灵活多样的交互和通信，实现与其它a g e n t 的合作、协同、协商、竞争等等， 以完成其自身的问题求解或者帮助其它a g e n t 完成相关的活动。例如，空中交 通管制系统中，代表飞机、机场、气象部门、控制中心的多个a g e n t 相互合作 以共同完成飞机的管制任务。 2 ) 自治性：在多a g e n t 系统中一个a g e n t 发出请求后，其它a g e n t 只有同 时具备提供此服务的能力与兴趣，才能接受动作委托。因此，一个a g e n t 不能 强制另一个a g e n t 提供某项服务。 3 ) 协作性：在多a g e n t 系统中，具有不同目标的各个a g e n t 必须相互工作、 协同、协商未完成问题的求解。通常的协作有：资源共享协作、生产者消费者 关系协作、任务子任务关系协作等。 2 2 2 移动a g e n t 的定义与特性 在网络环境下，a g e n t 可以拥有的众多特性之中，移动性显得格外重要。因 为网络环境下的应用系统包括网络管理本身需要尽量减少网络上的通信数据 量，减少对通信线路的占用和依赖，提高通信效率，从而提高应用系统的效率。 a g e n t 的移动技术是解决这个问题的有效方法。a g e n t 在拥有可移动的特性之后， 呈现出更多的优点，使用更加广泛。在由多个a g e n t 组成的系统中，有些是不 需要移动的，有些则往往需要移动到另外的地方去完成任务旧。 移动a g e n t 是一种独立的计算机程序，它可以将自己的过程代码、数据和控 制状态打包，并自主地在异构网络环境中按一定的规则移动，寻找合适的计算 资源、信息资源或软件资源，并利用这些资源帮助用户完成特定的任务。它还 可根据需要生成子a g e n t ，予a g e n t 具有同父a g e n t 相同的性质。a g e n t 之间彼 此独立工作或相互合作，完成任务求解【l2 】。 移动a g e n t 具有如下特性( 它的这些特性表明了它适合于在网络教学上的应 用) 1 1 2 1 ： 1 移动性：a g e n t 可以把其状态从一个环境移动到另一个环境，并在目标环 境中停留下来，继续执行。 2 自治性：是指行动上的独立性，a g e n t 能在自主的情况下按照用户的需求 去工作，并对自己的行为做出规划。 武汉理工大学硕士学位论文 3 能动性：根据目标，a g e n t 能事先做出计划，并初始化，能探测到适合客 户目标的有利场景，并通知客户这个场景出现的时机。这一点对于网络 教学非常有价值。 4 反应性：a g e n t 能清醒地认识自己所处的环境，感知并作用于它，自己能 对环境发生的改变及时作出响应。 5 协作性：若干个移动的a g e n t 可以在网络中相互通信、合作，共同完成 某一项工作。 6 学习性：a g e n t 具有定的学习能力和自适应能力，可以用过去的执行情 况来指导未来的行为。 m a s 为实现任务，系统中的a g e n t 必须能彼此通信和协作。通信是协作的基 础，没有通信就不可能有协作【l ”。a g e n t 之间的通信语言即a c l ( a g e n t c o m m u n i c a t i o nl a n g u a g e ) 是a g e n t 之间交换信息和知识的手段。现在实现 a g e n t 之间的信息和知识的无缝交换有很多种方式，其中远程方法调用( r m i ) 和远程程序唤醒( r p c ) 以及公用对象请求体系( c o r b a ) 都能实现a g e n t 的信 息交流。a c l 与这些方式的不同之处在于其语义的复杂性和a g e n t 之间对象的交 互性，a c l 根据消息传递表示的语义描述a g e n t 的期望状态，并且有机处理a g e n t 的行动，规则及其声明，而不是简单机械的调用方法和程序【1 4 】。 代理通信语言( a c l ) 一般被认为是由3 个部分组成的：一个是被称为k i f ( 知识交换格式) 的“内部”语言；一个是词汇表；还有一个是被称为k q m l ( k n o w l e d g eq u e r ya n dm a n i p u l a t i o nl a n g u a g e ，知识查询及操作语言) 的“外 部”语言。一条a c l 消息就是一个k q m l 表达，在这样的表达中，“参数”是由 a c l 词汇表中的词所形成的k i f 术语和句子【l ”。 其中，k q m l 是a r p a ( a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y 美国国防部高 级研究计划署) “k n o w l e d g es h a r i n ge f f o r t ”的一部分，旨在为建立大容量、 可共享和重复利用的知识库开发技术和方法。k q m l 是支持运行知识共享的信息 格式和信息交换协议。k q m l 是在应用程序与一个或多个人工智能系统之间可以 相互作用，共享知识，支持协作解决问题的一种语言。k q m l 目前已经成为了a g e n t 通信语言的事实标准，并得到广泛应用。 武汉理工大学硕士学位论文 k q m l 是一种基于消息的通信协议，同时本身也是一种独立的信息交换和协议 语言，有三大独立性1 4 】： 1 k q m l 独立于网络传输机制( 即t c p i p ，s m t p ，i i o p 等) 。 2 k q m l 独立于内容语言( 即s q l ，p r o l o g 等) 。 3 k q m l 独立于内容实体。 k o m l 消息的三层结构如下1 4 】： 内容层：在程序开发语言中，包含有消息的实际内容，k o m l 支持a s c i i 码语言和二进制符号。 通信层：实现消息特性，将低级的消息参数，例如消息的传送者和接受 者，采用特定的标识符进行标识。 消息层：k q l i l 的核心，其基本功能是标识用以发送消息的协议，提供讲 话动作或执行发送者在内容中附加的行为，另外，消息层还包括一些用以描述 内容层信息的可选部分，如语言、采用的术语、通信主题描述符等，以便k q m l 对要传递的内容进行分析、路由和发送。 k q m l 定义了一种a g e n t 之间传递信息的标准语法以及一些“动作表达式”。 这些“动作”主要是从言语行为理论中演化来的，例如t e l l ，p e r f o r m ，r e p l y 等。一条典型的k q m l 消息如下【1 3 】： a g e n t “s a l l y ”询问i n t e l 股票的股份的价值，可表示为： ( a s k o n e s e n d e rs a l l y c o n t e n t ( s u mi n t e l ? s u m ) ：r e c e i v e rs t o c k s e r v e r ：r e p l yw i t hi n t e l s t o c k ：l a n g u a g el p r o l o g ：o n t o l o g yn y s e t i c k s ) 2 2 4m a s 的组织结构 m a s 的组织结构为a g e n t 成员提供一个相互之间协作的框架，为每个a g e n t 成员提供一个多a g e n t 群体求解问题的高层观点和相关信息，以便合理地分配 任务并使这些a g e n t 成员能够更好地协同工作。m a s 的组成单位是a g e n t 组， 武汉理工大学硕士学位论文 a g e n t 组是由多个较为简单的a g e n t 组成的关系较为密切的一个多a g e n t 集团。 一个a g e n t 组至少必须拥有一个a g e n t 成员，一个a g e n t 组也可以认为是一个 简单的m a s 或一个子m a s 。 m a s 按其结构可以分为以下几种【1 3 】【1 6 1 7 】： ( 1 ) 集中式结构的m a s ：组中至少拥有一个协调器，以某种方式负责对组内 的所有a g e n t 成员的行为、协作、任务分配以及共享资源等提供统一的协调和 管理服务，协调器与各a g e n t 成员之间具有一定程度的管理与被管理的关系。 ( 2 ) 分布式结构的m a s ：特点是每个a g e n t 具有较高的知识水平和思维能力， 智慧集中，能独立思考、决策和独立完成任务，而且每个a g e n t 之间处于相对 独立和平等状态，可以直接进行通信，具有这种体系结构的m a s 的a g e n t 灵活， 反应能力强，有利于实时任务的完成。缺点是：通信代价高、实现复杂，要求每 个a g e n t 都具有协商通信的能力。典型实例有合同网、规范共享。 ( 3 ) 联邦式结构的m a s ：是集中式结构与分布式结构有机结合的一种混合式 结构。在此体系结构中，a g e n t 只与局部的协调器通信，局部协调器之间互相通 信。a g e n t 将自主权交给局部协调器，而局部协调器负责满足a g e n t 的需要，所 有局部协调器受统一的联邦协调器管理。协调器应用人工智能和数据库领域中 的自动推理技术。采用该结构的系统可提供目录服务、分布式对象管理、经纪 人等功能。 ( 4 ) 交互层次结构的m a s ：它采用分层结构，上一级对下一级负责，同级间 通信协作，类似于多级联邦式结构。其中由下向上的第一层为计算机网络