（计算机科学与技术专业论文）基于角色的仿真应用建模研究与实现.pdf

国防科学技术人学f 究生院学位论文 撼要 角色是西淘a g e n t 软俘开发方法褥究中酌一个重瑟拯象獠念。在麓子角色豹多a g e n t 系统( m u l t i a g e n ts y s t e m ，m a s ) 概念模型中，角色代表了一定的目标和职责，角色之间 戆交互弱露了社会行为。a g e n t 是系绞中遘牙惑强弱动佟靛实体，角色韵撬行必须遵过它 所绑定于的a g e n t 的攥本动作来实现。本文在基于角色的m a s 概念模型基础上，提出了 一套蒸子角色的m a s 建模方法( r o m a s ) 。该方法试为受色在m a s 系统设计过程中，在 从分析阶段到实现阶段的整个开发过程中都具有重要的地位和作用。本文还对支持r o m a s 方法麴建摸工具进行了奔绍，势按照赝提出r o m a s 方法，钤对r o b o c u p 仿冀是蘧酞逡行 分析建模，以验证通过角色对m a s 系统的社会行为谶行刻画的可行性，理解角色在面向 a g e n t 较 牛开发中的 乍嗣。 关键锶：多a g e n t 系缝，角色，建模方法 国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t r o l ei sa ni m p o r t a n ta b s t r a c tc o n c e p ti nr e s e a r c ho n d e v e l o p m e n t m e t h o do f a g e n t o r i e n t e d s o f t w a r e inc o n c e p tm o d e lo fr o l e b a s e dm u l t i a g e n ts y s t e m ( m a s ) ，ar o l er e p r e s e n t ss o m e p a r t i c u l a rg o a l s a n d r e s p o n s i b i l i t i e s i n t e r a c t i o n sb e t w e e nr o l e sd e p i c t t h es o c i a lb e h a v i o r s a g e n t sa r ee n t i t i e st h a ts e n s et h ee n v i r o n m e n ta n dr e a c t0 ni ti nt h em a s r o l e sf u l f i l lt h e i r g o a l sa n dr e s p o n s i b i l i t i e st h r o u g ht h ee x e c u t i o no fb a s i ca c t i o n so fa g e n t st h a tb i n dt h er o l e i n t h ep a p e r , b a s e do nt h en e wr o l e b a s e dc o n c e p tm o d e lf o rm a s ，ar o l e b a s e dm o d e l i n gm e t h o d f o rm a s ( r o m a s ) i s p r e s e n t e d i nr o m a s ，r o l ei sr e g a r d e da st h ei m p o r t a n tp a r tt h r o u g ht h e w h o l ed e v e l o p m e n t p r o c e s sf r o ma n a l y s i sp h a s et oi m p l e m e n t a t i o np h a s e i nt h ep a p e r , at o o lt o s u p p o r tt h er o m a sm e t h o di si n t r o d u c e da l s o ，a n dt h er o m a s m e t h o di sv a l i d a t e du s i n gt h e r o b o c u p s i m u l a t i o nc a s e k e y w o r d s ：m u l t i a g e n ts y s t e m ，r o l e ，m o d e l i n gm e t h o d i i 独创性声明 本人声明所里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 昀研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文审不包含 其毽入已釜发表帮撰写遗魏磅究痰栗，氇不包含荛获缮溪藏耪学技寒大学霞其它 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谢崽。 学位论文题目：蕉量盎熊煎篮襄逢盈建攥叠壅兰塞整 学位论文俸老签名：圣姿珏期：。p 一3 年f 文弼细日 学位论文版权使用授权书 本人完全了鼹雹防辩学技术大学有关保馨、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阑；可以将学位论文的全部或部分p q 容编入有关数据 库逡行检索，可以录爝彰审、缩窜或扫箍等鬟钢手数保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在鼹密后迓用本投权书。) 学位论文题目：基士角鱼曲鱼篡廛屈建搓盈窒盘塞堑 。 学位论文作者嚣名：曼至甚期：川年l 建角神秘 、 。 律者强导教簿签名：之盈l疆期：o 树；年 玉曩玉 疆 国防科学技术人学研究生院学何论文 图目录 图2l 角色类与a g e n t 类的关系 图31 角色类的标记 图3 2 a g e n t 类的标记 图3 3 目标层次图 图3 4 角色组织视图 图35a g e n t 类图 图3 6 角色行为状态图 图3 7 角色转换视图 图3 8 顺序图 图3 9 通信图 图4 1 r o m a s 方法的各个阶段 图42 目标 图4 3 角色类继承关系 图4 4 角色类聚集关系 图4 5 角色组织结构图 图4 6 盯人防守服务 图4 7 进攻交互协议 图48 a g e n t 类图 图4 9 裁剪合并a g e n t 类( 1 ) 图4 1 0 裁剪合并a g e n t 类( 2 ) 图4 1 l 裁剪合并a g e n t 类( 3 ) 图4 1 2 a g e n t 类图 图4 ，1 3g o a l k e e p e r 实例的角色转换视图 图41 4 组装a g e n t 图4 1 5 r o b o c u p 系统实施图 图51 组件结构示意图 图52 第0 层组件 图5 3 第1 层组件 图5 4 第2 层组件一 图55 第3 层组件 图5 6 侦听类进行分散集中注册示意图 图5 7 建模工具界面 图6 1r o b o c u p 仿真足球队目标层次图一 图6 2r o b o c u p 仿真足球队用例图 图6 3 球员“二过一”配合交互协议 图6 4 r o b o c u p 球员行为状态图一 8 1 3 1 5 1 6 m”博扎盟斟 ”弛弘弘弘”弛如 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 甜”们拍船妮彤彤朋舶 国防科学技术人学m f 究生院学位论文 固防科学技术人学研究生院学位论文 第一章绪论 近些年来，无论是在计算机科学领域，还是在人工智能领域中，一种软件设计方法己 经被越来越多的研究者所关注，并成为各相关领域瞩目的热点。这就是面向a g e n t 的设计 方法a o d ( a g e n t o r i e n t e dd e s i g n ) 眦1 。 由于研究的问题不同，a g e n t 有多种不同的定义及别称。但普遍认为，a g e n t 是设计用 来完成某类任务的，在一定环境中拥有自主行为、有生命周期的计算实体。m a s 是由一些 自主的a g e n t 组成，通过| 办作完成某些任务或达到某些目标的计算系统”。单个a g e n t 的 智能是有限的，但我们可以通过适当的体系结构把a g e n t 组织起来，形成m a s ，弥补各个 a g e n t 的不足，使得整个系统的能力超过任何单个a g e n t 的能力【4 1 。m a s 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，并且，m a s 可以降低软件或 硬件的费用，提供更加快速的问题求解。未来人工智能研究的主要问题也将从“单个a g e n t 在静态可预测环境中的问题求解”( 其标准问题是国际象棋的人一机对抗赛) 转向“多个 a g e n t 在动态不可预测环境中的问题求解”( 其标准问题是足球的机一机对抗赛和人一机对 抗赛) 【”。 m a s 研究目前仍处于基础性研究阶段。关于m a s 的研究，可以分为两个大的方向： 微观上研究a g e n t 的内部属性与行为结构；宏观上研究a g e n t 间通信与合作机制，以及从 a g e n t 出发进行系统分析、设计的问题。 在进行理论研究的同时，针对实际应用的设讨与开发也得到了充分发展。其中具有深 远影响的是1 9 9 7 年，在国际最权威的人工智能系列学术大会第1 5 届国际人工智能联 合大会( t h e15 t hi n t e r n a t i o n a lj o i n tc o n f e r e n c eo na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称i j c a i 一9 7 ) 上， 机器人足球被正式列为人工智能的一项挑战。机器人足球成为人工智能和机器人学新的标 准问题。国际国内一一些研究人员已经以机器人足球为背景展开了对m a s 的研究。 本章1 1 节简要对比面向a g e n t 和面向对象两种方法；1 2 节介绍基于角色的m a s 系 统研究现状；1 3 节给出文章的整体结构。 1 1 1a g e n t 与对象 1 1 面向a g e n t 与面向对象 从某种角度讲，可以认为a g e n t 的概念是对象概念的发展。而且在现有很多系统中， a g e n t 即是以对象的形式当然，这是目前在没有出现成熟的面向a g e n t 语言的情况下 - - ；f o o 最好的选择，但是随着相应语言的开发，这种局面将被打破实现的，那么a g e n t 基于对象而又脱离于对象的原因何在呢? 换句话说，到底a g e n t 与对象之间有什么异同 呢? 概括来讲，它们之间最主要的区别就是：对象是被动的，而a g e n t 则是主动的。a g e n t 第1 页 国防科。7 ：技术火学研究生院学位论文 超越对象憨主要方繇在于： 1 ) 自治性( a n t o n o m y ) ：一个a g e n t 是一个独立自主的计算实体，它具有属于其自身 的计算资源鞠局部予囊身匏行为控铡瓿剡。a g e n t 瑟畜对蒙所不具螽豹一篓“智畿”，如意 图( i n t e n t i o n ) 、情感( e m o t i o n ) 、愿望( d e s i r e ) 、信念( b e l i e f ) 镣。基于这些“锶能”， a g e n t 可以在没有辨赛控制躲壤况下，投擐其内部状态积感妇到熬巧境售息，独立艇翊复 杂的操作步骤，采取主动的行为，在定程度上自行决策，采取主动的行为，完成“自治” 的功能。 2 ) 反应性( r e a c t i v i t y ) ：a g e n t 能够感知外界环境的变化( 可能建物理世界，操纵图形 界丽的用户，或其它a g e n t 等) ，接受刺激，然后对这秒变化或刺激做出一定的动作。基于 这种特性，a g e n t 可以做如代理业务、接受委托、遵循承诺等各种反应。 3 ) 主动性( p r o a c t i v e n e s s ) ：a g e n t 能够根据内部状态和外部环境，产生面向预定目标 的主动行为。称为“主动性”或“预见性”。 4 ) 社会性( s o c i a la b i l i t y ) ：a g e n t 之间互相通讯，分工合作，协同解题，并行计算， 嗣a g e n t 通信语言实施灵活多样的交互，畿够有效德与萁l 彀a g e n t 协葡工作。这怒仅仅琵 够互相传递消息的对象所不具备的功能，这种行为被称“社会性”或者“群体性”，这也 莛“藿f 自a g e n t ”疲蘑予分布式系统懿重要特洼。 5 ) 另外，更强定义下的a g e n t 除了具铸上述的特性以外，同时具有各种类人的特征和 耩镄状态”j ；可移确糍够在邀子网络中移动) 、渡实( 不会套戆建传输俊售患) 、善鑫( 没有冲 突的目标而且尽力去做要求完成的任务) 、理性( 行为的目的是为了达到目标，不会做出阻碍 竞成疆据熬行为) 等。 1 1 。2 面向a g e n t 方法与面向对象方法 如今，城向对缘( o b j e c t o r i e n t e d ) 方法发展已经很成熟，已经为广大设计开发人员 繇熬悉，具有许多优点： 1 ) 引入新的设计概念一类，实现属性和操作的封装； 2 ) 引入继承梳澍，青瘸子较佟重爱； 3 ) 引入实例化概念，类经过实例化成为可以执行的对氟，同时也实现了代码熏用。等 等。 虽然面向对象需求分析在针对面向对蒙系统开发方面卓有成效，但在诸多方面仍存在 不是f 1 。魄磐： 1 ) 对象通常是被动的，它们需要发送给它一个消息才能被激活； 尽餐对象挝装了状态窝行为，恒是它们并没有封装嚣为筑激皴。这一弱蠡穗着软抟 应用从单个组织( 或合作的组织团体) 的领域转变到包含组织间竞争行为的开放环辘中时显 褥愈发明鼹； 3 ) 在开放竞争的环境中，涉及劐复杂的交互模式以及意图、两标、信念、社会规则约 筵2 夏 国防科学技术人学研究生院学位论文 束等精神凶素时，传统的面向对象方法通常难以满足要求。 目前国际上普遍认为面向a g e n t 软件工程将是继面向过程、面向对象后的一种新的软 件丌发范式。a g e n t 是典型的自包含可计算实体，使得它们可以不必与其它的实体同时配 置来实现它们提供的某些功能。而且a g e n t 通常具备推理能力，它们能够对它们所提供服 务的信息请求作出响应。另外，作为面向对象技术的自然延伸，面向a g e n t 方法将系统作 为问题求解的整体来看待，强调的是问题的分解、分配以及求解过程的协同，比较适宜于 解决大规模、复杂及分布的软件：r 程问题。 1 2 基于角色的g l a s 研究现状 a g e n t 技术被认为将会带来软件工程领域一次新的巨人进步【8 ，并且已经应用于实际软 件系统的丌发【2 1 。但a g e n t 技术并没有如人们所预期的那样成为被工业界广泛应用的m a s 开发范型。针对规模大而复杂的m a s 系统，如何有效地完成系统分析与设计任务，目前 尚缺乏方法论意义上的指导。为此，白2 0 世纪9 0 年代中后期以来，人们开始关注m a s 开发方法的研究。 目前，在面向a g e n t 方法研究中，软件工程专家引入了角色概念【2 “。角色在软件工程 领域是一个较新的概念，软件工程专家对它的定义莫衷一是，尽管如此，它在软件工程设 计规范中还是具有相当重要的价值，所以i s o 和o m g 等国际标准组织的专家对角色的定 义、关系和作用也展开了深入地分析研究【l “，同时也出现了多种基于角色概念的面向a g e n t 软件开发方法，其中比较有影响的工作包括：w o o l d r i d g e ，j e n n i n g s 和k i n n e y 的g a i a 方法 1 i ，美国空军研究所的w o o d 和d e l o a e h 开发的m a s e 方法【1 2 】以及b u s h 等人开发的s t y x 方法旧等。 1 2 1g a i a 建模方法 g a i a 模型由w o o l d r i d g e 、j e r m i n g s 和k i n n y 等学者提出，适用于封闭系统中面向a g e n t 的分析f a o a ) 和设计( a o d ) 。g a i a 支持a g e n t 的结构以及a g e n t 之间的社会和组织结构的 建模，但是，它要求单个a g e n t 的能力以及a g e n t 之间的交互关系在系统运行过程中是静 态的。这就使得a g e n t 失去了自主性和反应性等特点。其主要过程有分析和设计两个阶段： 1 1 分析过程侧重于对系统及系统结构的理解，主要涉及a g e n t 组织关系中的角色和角 色之问的交互： 2 ) 设计阶段主要是定义a g e n t 系统实际的结构，主要涉及组成系统的a g e n t 类和实例， 以及每个a g e n t 所提供的服务和熟识模型。 第3 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 1 2 2m a s e 建模方法 w o o d 和d e l o a c h 扩展g a i a 的提出了m a s 的工程化方法m a s e ( m u l t i a g e n ts y s t e m s e n g i n e e r i n gm e t h o d o l o g y ) ，它结合了u m l 方法进行用例分析，目标是将最初的系统规范 转换成可以运作的a g e n t 系统。开发流程描述如下： 1 ) 获耿系统的目标。将初始的系统规范转换成结构化的系统目标； 2 ) 将结构化目标转换成在m a s 中较为有用的角色； 3 ) 运用用例图。定义不同系统之间或同一系统内部的不同角色之间交互的逻辑路径； 4 1 建立a g e n t 类。将a g e n t 的角色映射到具体的a g e n t 类图中； 5 1 建立a g e n t 会话。定义a g e n t 之间的通信协议； 6 1 装配a g e n t 。创建a g e n t 类内部功能： 7 ) 系统实施。将a g e n t 类实例化为a g e n t 。 1 2 3s t y x 建模方法 s t y x 方法在分析阶段根据需求识别角色和领域概念，获得用例图和领域模型，在设计 阶段通过用例图提取角色职责模型，并结合领域模型得到角色关系模型，在实现阶段构成 a g e n t 框架。 1 2 4 建模方法小结 这些研究工作将角色视为系统分析设计中的一个独特概念，作为面向a g e n t 设计的基 础，揭示出角色具备的一些重要特性，e l a n 依赖性、动态性等。但是这些工作对角色性质 的发掘仍然不够完整，在对角色与a g e n t 相互关系上仍然有许多工作要做。g a i a 和m a s e 以及s t y x 方法都用到了角色的概念，它们将角色视为分析和设计阶段的重要组成部分，通 过角色建立a g e n t 模型，但是一旦a g e n t 模型建立起来，就不再考虑角色。 这些方法对a g e n t 角色动态性等特性的支持有所不同：在g a i a 或m a s e 方法中，角色 作为a g e n t 类被固定在a g e n t 之上，导致a g e n t 之问的合作交互在设计时被确定；在s t y x 方法中，虽然增加了角色关系模型，但没有刻画运行时角色与a g e n t 的动态关系。以上方 法均不能实现运行期间a g e n t 角色的动态变化，不能反映现实世界对角色动态特性的要求。 1 _ 3 论文概述 借助于社会学和组织学等学科的理论，研究人员提出了基于角色的m a s 概念模型”1 ， 通过角色或组织概念来理解系统中a g e n t 的行为，将a g e n t 视为系统中承担着某个或某些 角色的自主行为实体。其中，角色代表了一定的目标和职责，角色之间的交互刻画了社会 第4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 行为；a g e n t 是系统中进行感知和动作的实体，角色的执行必须通过它所绑定于的a g e n t 的基本动作来实现。但正如本文在上节所指出的，现有的基于角色的m a s 建模方法缺乏 对a g e n t 角色的动态转换的有效支持，本文主要针对这个问题进行研究。 本文在基于角色的m a s 概念模型基础上，提出了一套基于角色的m a s 建模方法 ( r o l e b a s e dm u l t i a g e n ts y s t e mm o d e l i n g ，r o m a s ) 。该方法认为角色在m a s 系统设计 过程中，在从分析阶段到实现阶段的整个丌发过程中都具有重要的地位和作用。本文还对 支持r o m a s 方法的建模工具进行了介绍，并按照所提出r o m a s 方法，针对r o b o c u 口仿 真足球队进行分析建模，以验证通过角色对m a s 系统的社会行为进行刻画的可行性，理 解角色在面向a g e n t 软件开发中的作用。本文作者以第一作者在计算机工程与应用发 表文章一篇( 见本文附录) 。 文章余下部分组织如下： 第2 章介绍基于角色的m a s 概念模型，以此作为基于角色建模方法和语言的基础。 第3 章提出了一套基于角色的、图形化的m a s 建模语言。本章以前文提出的概念模 型为基础，对新增建模概念和模型视图进行了详细介绍。 第4 章在m a s 概念模型和建模语言为基础上，提出基于角色的m a s 建模方法。本章 对该方法的具体步骤进行了详细讨论。 第5 章介绍一种支持基于角色建模方法和语言的m a s 建模工具。本章详细介绍了该 建模工具的总体结构和设计方法，以及所实现的功能。 第6 章运用基于角色的建模方法和工具，针对机器人足球比赛进行案例分析，建立 r o b o c u p 仿真足球队模型。 第7 章总结全文并指出今后研究的方向，对研究的应用前景进行展望。 第5 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第二章基于角色的m a s 概念模型 从某种意义上讲，软件丌发的本质实际上是在不同抽象层次上的系统建模过程，从早 期的需求模型，到设计阶段的设计模型，以及实现阶段的实现模型等等。系统建模方法的 基础是方法所基于的概念模型，因此要真正让m a s 的软件开发技术在解决当前软件开发 所面临的问题以及： 业应用中发挥作用、充分发挥其潜力、真正有效促进复杂系统的开发， 必须研究与此相对应的系统概念模型来指导软件开发人员建立m a s 的不同抽象层次的系 统模型。 本章2 1 节简要介绍一种基于角色的m a s 概念模型；2 2 节进行小结。 2 1 概念模型概述 基于角色的m a s 概念模型是现有研究中一类重要的模型。m a s 建模方法的基本概念 模型是：系统由一组具有自主性、反应性、自发性和交互性等特征的a g e n t 组成，a g e n t 之间通过社会性的行为来实现系统的整体功能和目标。a g e n t 间的社会性行为不同于对象 技术中的消息传递，而是基于某种a g e n t 通讯语言的a g e n t 交互以及在此基础上的复杂协 同与合作。 上述基本概念模型存在的问题在于仅仅将a g e n t 的社会性表现在a g e n t 之间的通信之 中，而事实上a g e n t 可以借助某种社会性描述来决定它的行为以及与哪些a g e n t 交互，从 而有效地提高a g e n t 的自治性、主动性等特性。为此，研究人员提出了一些基于角色的概 念模型。该类模型借助于社会学和组织学等学科的理论，通过角色或组织概念来理解系统 中a g e n t 的行为，将a g e n t 视为系统中承担着某个或某些角色的自主行为实体。一个a g e n t 可以承担一个或者多个角色，一个角色也可以为多个a g e n t 所承担( 也有学者认为一个角色 只能被至多一个a g e n t 承担) 。角色限定了实体的行为规则、交互方式。实体的行为能力通 过其承担的角色体现。 2 1 1m a s 系统的复杂性 为了更好地理解基于角色的m a s 概念模型，我们首先应当理解m a s 系统复杂性本质。 m a s 系统本质上是复杂的：它由许多彼此交互的部分组成。同时这种复杂性表现出一些很 重要的规律7 1 ： 1 ) 复杂性通常以一种层次形式表现出来。也就是说，系统是由相互关联的子系统所组 成，而每个子系统本身也是一个层次结构。组织关系不是静态的，它们能够而且经常发生 变化。 2 ) 选择系统中哪些元件为基本元件是相对任意的，且很大程度上取决于观测者的目的 一一焉i f 一 国防科学技术人学研究生院学位论文 和同标。 3 ) 层次型的系统要比同等大小的非层次系统演化得更快，换句话说，具有稳定中间形 式的系统要比没有稳定中问形式的系统能更快地从简单系统演化为复杂系统。 4 ) 子系统之间的交互与子系统内部的交互是有可能区分开来的。后者比前者更加频 繁，且更容易预测。这使得复杂系统几乎都可以看成是可分解的。这样，各子系统可以相 对彼此独立地进行处理，但并不是完全独立，因为它们之间还存在着一些交互，尽管其中 很多都能在设计阶段预测出来，但是还是有一些交互事先无法预测。 基于上述认识，我们认为对m a s 系统进行分层次的分析，有利于更好地开发m a s 系 统。 2 1 2 角色与a g e n t 本文所介绍的概念模型基于角色和a g e n t 两个相区别但是又相关的概念。角色层定义 各个角色和角色关系。角色用于规划权力和责任，明确角色的活动空间以及与其它角色的 交互关系。而且角色的动态性使系统可以在角色层进行功能配置的优化，具有一定的柔性。 a g e n t 层根据角色层定义的功能，确定a g e n t 的能力和交互协议。a g e n t 作为m a s 系统的 基本组成元件，其通用性和交互性很强，可以很好地解决系统集成的问题。角色功能的重 新配置对于a g e n t 来说只是能力和交互协议的再分配。同时a g e n t 的自治性又使系统的实 现可以以一种渐进的方式进行，降低m a s 系统丌发的风险。 虽然角色和a g e n t 二者有很多共同点：它们都强调社会性和交互性，二者都有其权力 和责任。但是二者之间的差异也还是存在的：角色更多地强调其职能的划分和角色之间的 协作，a g e n t 则重点强调其自治性和智能行为。可以这么认为：a g e n t 为角色提供了一个通 用的功能设施，基于角色的a g e n t 由于采用了角色划分，更有利于协调各个角色之间的功 能；角色为a g e n t 提供了行为模式，基于角色的a g e n t 能够根据其所承担的角色的要求， 充分使用自身的能力，各种不同情况下实施具有智能特性的行为。 2 1 3 模型概貌 在基于角色的m a s 概念模型p 】中，角色代表了。定的目标和职责，可以作为系统中实 体存在，角色之间的交互刻画了社会性行为。角色的执行依赖于a g e n t ，a g e n t 是系统中 进行感知和动作的实体，角色的执行必须通过它所绑定于的a g e n t 的基本动作来实现。角 色与a g e n t 之间关系具有如下一些典型性质一j ： 1 ) 动态性：在a g e n t 生命周期内，可以为其添加新的角色，也可以撤消原有角色。 2 1 依赖性：角色不能独立于a g e n t 存在，它必须依托于某个a g e n t 。 3 1 多重性：同一a g e n t 可能在同一时期承担多个不同的角色。由于a g e n t 可以承担不 同的角色，带给其它a g e n t 不同的视点，从而体现出更加全面细致的认知。 第7 页 国防科学技术人学研究生院4 学位论文 我们使用下面些标记刻画模型。由a g e n t 抽象形成的类称为a g e n t 类( a g e n tc l a s s ) ， 由角色抽象形成的类称为角色类( r o l ec l a s s ) 。我们用i n s t ( c ) 表示类c 的所有实例构成的集 合。 角色类与a g e n t 类之间的关联称为载体( c o n t a i n e r ) ，如图2 1 所示。 匿螋日 图2 1 角色类与a g e n t 类的关系 其中人( p e r s o n ) 是a g e n t 类，儿童( c h i l d ) 与成人( a d u l t ) 是人的子类，其他出现在矩形框 内的概念为角色类，包括学生( s t u d e n t ) 、职业足球球员( f o o t b a l l _ p l a y e r ) 、职业足球教练 ( f o o t b a l lc o a c h ) ：图中实线空心三角箭头代表继承关系，箭头所指类是箭尾所指类的父类， 虚线箭头代表载体关联，箭头所指类的实例可以作为箭尾所指类的实例的载体，角色类与 a g e n t 类都有继承关系，在a g e n t 类继承的过程中，父类的载体关联将被其所有子类继承。 如该图说明无论c h i l d 类或者a d u l t 类( 均继承自p e r s o n 类) ，其实例都可以是学生角色实例 的载体，但是只有a d u l t 类的实例可以作为球员和教练等角色实例的载体。 2 1 4 模型的有关概念定义 基础集合： 首先我们定义如下集合： 定义i ： 一个有穷集d ，包括一些互不相交的域d ，d 。，n 2 1 。我们可以假设如下一些对 应于基本类型的域，如整数、自然辫、实粒，手移事、布乎_ 等。 一个可数有穷集a i d ，其元素称为a g e n t 标识：一个由a g e n t 构成的有穷集爿：一 个由a g e n t 类构成的有穷集a c ； 一个可数有穷集r i d ，其元素称为角色标识；个由角色构成的可数有穷集r ， 一个由角色类构成的有穷集r c 。 一个可数有穷集l i d ，其元素称为交互协议标识；一个由交互实例构成的可数有穷 集，一个由交互协议类构成的有穷集厄。 一个可数有穷集a t t r ，其元素被称为属拦；有穷集坻m d ，m c ，其元素被称为方法， 分别起到执行角色、a g e n t 与交互的动作的作用，我们可以非形式地将二者的元素 看作未经解释的符号，一个有穷集合d c s ，其元素为决策函数，代表特定的体系 第8 页 国防科学技术人学研宄生院学位论文 结构( 反应式、慎思式或混合式) 。 同时我们还定义有如f 一类命名的集合： b n a m e s 是基本类的命名集合，a c n a m e s 是a g e n t 类命名的集合，r c n a m e s 是角色 类命名的集合。 s n a m e s = a c n a m e s m r c n a m e s ，它是结构化类的命名集合，与b n a m e s 不相交。 t n a m e s = b n a m e s u s h a m e s ，它是所有类的命名集合。 值： 我们现在定义三种类型的值：基本值、集合值、元组值。 定义2 ： d u 上。) 的每个元素称为一个基本值，其中的上。代表未定义值。 a i d 的每个有穷子集被称为一个集合值，同样r i d 的每个有穷子集也被称为一一个 集合值。 从a t t r 到a i d 的函数称为元组值，记为肪a i l ，8 q ：口w ，函数f 作用于肠“，d 使得f 向d 2 a i k ，1 g ，从a t t r 到r i d 的函数也称为元组值，记为丘，：r i a q j r u ， 函数t 作用于扣使得t ( a k ) = r i k ，1 女q 。 我们将所有值的集合称为v 。 角色： 在m a s 中，角色可以用来刻画a g e n t 在不同情形下所持有的不同目标，所享有的不同 权力，以及它在行为上所受到的不同的限制。 定义3 ：角色是一个七元组r = ( r i d ，r c n a m e ，v a l ，r s ，c t ，m r , d c s ) ，其中 r i d r i d ，r e n a m e r c n a m e s 是角色类的名字，r 是该名字所指示的类的一个实例，v a m ，r s 是以r 为载体的角色集合，即v r s e r s b o u n d ( r s ) = r ，( 6 。“n 以) 的定义将在角色绑定中进行 介绍。) c t 是r 的载体，即6 。“n 坝，) = c t ，m r 是一个方法集合，有m 廷螈。我们用r 指示所 有角色的集合，即r = r c n a m e s x v x 2 “x 2 “x 2 ”，d c s 代表了角色所采用的特定决策方式。 举例而言，我们可以用如下的表达式来刻画一个守门员角色g o a l k e e p e r ： ( g k _ r e f , g o a l k e e p e r , g o a l k e e p e r i d ：2 0 0 3 0 4 2 7 9 k p r ， ( f k _ r e f , f r e e k i c k e r ， 】，) ) ， ) ， m r _ g o a l k e e p e r ) ， d c s g o a l k e e p e r ) 其标识为g k _ r e f , 它有一个属性g o a l k e e p e r i d ，此外它也是另一个角色f r e e k i c k e r 的载 体( 即在某种发任意球的情形下守门员作为发这个任意球的角色) 。我们可以使用这种方式 刻画角色与其载体之间的关系，一旦载体被注销，那么被它所绑定的所有角色都将被注销， 国防科学技术大学研究生院学位论文 这很显然，比如当某人不再是球员时，那么他原米所具有的守门员角色自然也消失了。 a g e n t ： 定义4 ： 一个a g e n t 是个六元组a = ( a i d ，a c n a m e ，v a l ，r s ，m a ，d c s ) ，其中 a i d a i d ，a c n a m e e a c n a m e s ， a 是以a c n a m e 为名字的类的实例， v a l5 v , v r s5 r 5 。6 0 “耐( r s ) 2 a , t 7 l a m 一，d c s 代表了a g e n t 所采用的特定体系结构。 针对其值为基本值、集合值和元组值的a g e n t ，分别定义为基本a g e n t 、集合a g e n t 和元组a g e n t 。 定义a 为所有a g e n t 的集合，即a = a i d a c n a m e s v x 2 。2 ”2 ”。 此外，我们还需要为后面的定义增加一些标记。对于给定的a g e n ta = ( i ，n ，v ，r ，m ，d ) ，我 们定义i d ( a ) = i ，e l a s s ( a ) - = | a ，v a l u e ( a ) - - v ，r o l e s ( a ) - = r ，d c s ( a ) = d c s ，r o l e s c l o s u r e ( a ) 代表以a 为 载体的角色闭包1 。对于角色f ( i ，n ，v ，r s ，c t ，m ，d ) ，我们定义类似的函数i d ( r ) = i ，c l a s s ( r ) - = 】a ， v a l u e ( r ) - - v ，r o l e s ( r ) - = f s ，d c s ( r ) = d c s ，r o l e s c l o s u r e ( r ) 代表以r 为载体的角色闭包。我们用函数 阿一a a - - * 2 a i d ，r e f r ：a - - - 2 ”来得到某a g e n t 值中所有出现的标识符，这些标识符代表了该 a g e n t 所引用的a g e n t 和角色。 下面的例子刻画了一个绑定g o a l k e e p e r 角色的a g e n t a 。 a = ( a i d 2 0 0 3 0 4 2 7 ，p e r s o n n a m e ：“a n q i ”，s e x ：“m a l e ”，h e i g h t ：1 9 2 e m ， ( g k r e f ，g o a l k e e p e r , g o a l k e e p e r i d ：2 0 0 3 0 4 2 7 9 k p r ， ( t k r e f , f r e e k i c k e r , 】， ) ， ) m e t h o d _ a l ，) ， d e s f r e e k i c k e r ) ， ) ， m e t h o d _ g o a l k e e p e r ， d c s g o a l k e e p e r ) ， m e t h o d _ b 1 ，) ， d c s _ p e r s o n ) 对于上例，我们有： i d ( a ) = a i d 2 0 0 3 0 4 2 7 ， c l a s s ( a ) = p e r s o n ， r o l e s ( a ) = ( g o a l k e e p e r , ) ， r o l e s _ c l o s u r e ( a ) = ( g o a l k e e p e r ，) , ( f r e e k i c k e r ，) ) ， v a l u e ( a ) 2 n a m e ：“a n q i ”， ， d c s ( a ) 2 d c s _ p e r s o n 角色绑定 角色绑定即在角色与其载体之间建立对值和方法的互访机制吼 定义5 ： 对于任意r r o l e s c l o s u r e ( a ) ，或者b o u n d ( r ) = a ，或者存在r ，r n ，h 0 ，使得 b o u n d ( r ) = ，b o u n d ( q ) = r b o u n d ( 一t ) = r ，b o u n d ( g ) = a ) 第l o 页 国防科学技术人学 i j f 究生院学位论文 对于某角色类r c 和某a g e n t 类a c 而言，存在一个b o u n d 函数： b o u n d ：i n s t ( r c ) _ i n s t ( a a u i n s t ( r o 其中幻“”d 例称为角色r 的裁弦，上述定义说明角色的载体可以是a g e n t 也可以是另外一个 角色。该函数具有如下的性质： 1 ) f s 尺0 且眨6 。“咒妃) = = _ t 2 2 ) b o u n d 函数既不是单射也不是满射。 性质1 限定了角色的载体不能是自身；性质2 说明一个角色或a g e n t 可以绑定多个角 色，也不存在一个角色或a g e n t 可以绑定所有角色。如果口是角色，的载体，我们就说n 纬定了角色，。 在角色获得绑定之后，我们需要定义从角色到载体的委派。委派的具体含义请参见文 献【3 ，本文在此不作详细介绍。 2 2 小结 角色和a g e n t 二者有很多共同点：它们都强调社会性和交互性，二者都有其权力和责 任。二者之间的差异也还是存在的：角色更多地强调其职能的划分和角色之间的协作，a g e n t 则重点强调其自治性和智能行为。 在基于角色的m a s 概念模型中，角色代表了一定的目标和职责，可以作为系统中实 体存在，角色之间的交互刻画了社会性行为。角色的执行依赖于a g e n t ，a g e n t 是系统中 进行感知和动作的实体，角色的执行必须通过它所绑定于的a g e n t 的基本动作来实现。 2 角色实例定义为一个七元组，因此角色实例间的不等关系的语义为：两个角色实例r l r 2 ，当且仅当r ，的七元组内容4 i ! 型主1 2 旦竺主翌型堕查： 第1 1 页 国防科学技术火学研究生院学位论文 第三章基于角色的m a s 建模语言 我们在前面阐述了- - b 新的m a s 概念模型。为了更加直观和高效地对m a s 建模，从 而为支持工业界可接受的丌发技术提供一种：i ：程工具，在u m l 【1 4 】的启发下，我们设计了 一套图形化建模语言，该语言可以看作一种a u m l ( a g e n tu m l ) 1 5 1 , 具有如下特点： 1 ) 语言以工业界和学术界广泛接受的u m l 为基础，通过修改其元模型，添加适当的 建模元素与模型视图，能够更好地适应面向a g e n t 软件建模； 2 ) 述扩展是一种增量式扩展，在原有的经过考验的方法上增加新技术： 3 ) 该语言可以很好地支持m a s 建模方法： 4 ) 该语言具有良好的建模工具支持。 本章31 节介绍基于角色的m a s 概念模型中新增的建模概念；3 2 节介绍新增模型视 图；3 3 节进行小结。 3 1 建模概念 下面介绍基于角色的m a s 概念模型中新增的建模元素：目标、角色、a g e n t 。 3 1 1 目标 目标是一个系统级的概