（计算机应用技术专业论文）基于agent的个性化教学系统研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 与传统教育相比，网络教学的学生群体存在着个性差异大的特点，对教 学及其教学系统提出了个性化要求。现有的网络教学系统，虽然自身信息量 极其丰富，但缺乏深入了解用户个性化需求的方法和策略。设计个性化教学 系统，直接关系到网络教学的有效性。研究满足个性化需求的方法，对于网 络教育和知识科学等具有重要的意义。 本文深入分析了网络教学的国内外研究现状，探讨了个性化教学系统的 结构模型，研究了用户兴趣特征提取等关键技术，把智能a g e n t 技术、神经 网络技术用于个性化教学。本文在以下几个方面取得了进步： 首先，本文提出了一个个性化教学系统原型，设计了用户模型和兴趣分 析a g e n t ，实现了用户主观兴趣和客观行为的采集与分析。 其次，结合用户主观兴趣信息，使用b p 神经网络技术对用户客观行为进 行启发式学习，快速获得用户兴趣，并具有很高的灵敏度和区分度。 最后，系统采用j 2 e e 技术实现了主要模块的功能，应用在国家8 6 3 计划 项目“缩小数字鸿沟一西部行动”专项课题“基于国产软硬件的多通道网络 教育关键技术与应用研究”( 0 0 3 a a l l 6 0 6 0 ) 中。 研究实践表明，本文提出的个性化教学实现方法，能有效地降低系统实 现的复杂性，较全面地发现用户的兴趣特征，实现个性化教学的目标。 关键词：个性化教学用户兴趣a g e n tb p 神经网络 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h e p r e f e r e n c e so f s t u d e n t si nn e t w o r kl e a r n i n ga r em o r ed i s p e r s et h a nt h a t i nt r a d i t i o n a lc a m p u se d u c a t i o n i th a sb r o u g h tt h ep e r s o n a l i z e dd e m a n dt o t e a c h i n ga n dt u t o r i n gs y s t e m t h ee x i s t i n gn e t w o r kt u t o r i n gs y s t e m s i se x t r e m e l y a b u n d a n to fi n f o r m a t i o nb u tl a c ki nt h em e t h o da n dt a c t i c so fu n d e r s t a n d i n g u s e r sp e r s o n a l i z e dn e e d si nd e p t h ap e r s o n a l i z e dt u t o r i n gs y s t e mi si m p o r t a n t f o re f f e c to ft h en e t w o r kt e a c h i n ga n df o rk n o w l e d g es c i e n c e t h es t a t eo ft h ea r to fr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a di sa n a l y z e di nd e p t h t h e s t r u c t u r em o d e lo fp e r s o n a l i z e dt u t o r i n gs y s t e mi se x p l o r e d k e yt e c h n o l o g i e s a r es t u d i e d ，s u c ha su s e r si n t e r e s te x t r a c t i o ne t c i n t e l l e c t u a la g e n ta n dn e u r a l n e t w o r k t e c h n o l o g y a r ee x e r c i s e df o r p e r s o n a l i z e dt e a c h i n g t h ep a p e r i s a d v a n c e di nf o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s to fa l l ，ap e r s o n a l i z e dt u t o r i n gs y s t e mp r o t o t y p ei sg i v e n ，u s e rm o d e l a n di n t e r e s t a n a l y s i sa g e n ta r ed e s i g n e d b o t h u s e r s s u b j e c t i v e i n t e r e s ta n d o b i e c t i v eb e h a v i o ra r ec o l l e c t e da n da n a l y z e d s e c o n d l y ，b y m e a n so fb pn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y ，u s e r so b j e c t i v e b e h a v i o ri ss t u d i e d h e u r i s t i c a l l y ，w h i c h c o m b i n e su s e r s s u b j e c t i v e i n t e r e s t i n f o r m a t i o n a sar e s u l t ，u s e ri n t e r e s ti so b t a i n e df a s t ，w h i c hh a sh i g hs e n s i t i v i t y a n dd i s t i n c t i o nd e g r e e f i n a l l y ，t h es y s t e mh a sa c c o m p l i s h e dt h em a i nm o d u l ef u n c t i o nb yj 2 e e a n dh a sa p p l i e dt oc h i n a8 6 3p r o g r a mp r o j e c t “d w i n d l ed i g i t a lg u l f - w e s t e r n a c t i o n ”s p e c i a ls u b j e c t “t h es t u d y o fk e yt e c h n o l o g i e si nm u l t i c h a n n e ln e t w o r k e d u c a t i o na n d a p p l i c a t i o n s b a s e do nn a t i o n a ls o f t w a r ea n dh a r d w a r e ” ( 0 0 3 a a l l 6 0 6 0 ) t h ef i e l dt e s t si n d i c a t et h a tt h em e t h o do ft h ep e r s o n a l i z e dt e a c h i n gc a n e f f e c t i v e l yr e d u c es y s t e mc o m p l e x i t y ，d i s c o v e ru s e rp r e f e r e n c e s a t l a r g e ，a n d r e a l i z ea i mo ft h ep e r s o n a l i z e dt e a c h i n g k e y w o r d ：p e r s o n a l i z e dt e a c h i n g ；u s e rp r e f e r e n c e s ；a g e n t ；b pn n 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，也不包含为获得西南科技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傲的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：匙驶。l 日期：力步乍邸 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅：学校可以公布该论文的全部 或部分内容可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：久比火导臌名躐徊日期：抄咕乍露 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 页 1绪论 1 1 课题来源及其研究意义 1 1 1 课题来源 本论文研究来源于西南科技大学承担的国家8 6 3 计划项目“缩小数字鸿 沟一西部行动”专项课题“基于国产软硬件的多通道网络教育关键技术与应 用研究”( 0 0 3 a a l l 6 0 6 0 ) 。 这一8 6 3 项目立足予四i i 省边远地区的文化背景与经济状况，本着缩小 发达地区与贫困地区之间的数字鸿沟，从理论和实践两个层面，探索和解决 适合民族及边远地区的网络教育关键技术和教育模式，构建多通道、具有区 域特色的知识处理与获取方案。通过网络教育传播先进文化知识、农村实用 技术和文明生活方式，使试点学校的师生及农村青年能通过现代化教育手段 获得和利用更多的信息，促进西部地区经济和文化的发展。 本项目还以l i f l u x 为平台为西部中小学提供基于国产软硬件的网络教育 平台，利用此平台整合中小学教育资源、实时课堂和n c 教室的使用，为教师 提供教学准备和教学实施的平台，为学生提供自主学习的平台，为教师之间、 学生之间、教师和学生之间提供相互的交流平台。在教育平台中，以文本、 声音、动画等多种形式呈现给用户大量适合基础教育的课件资源。 在项目的开发过程中，我们认真学习现代教育的理论和方法，认真理会 教育部、科技部、“8 6 3 计划”的有关思想，提出了进一步研究和开发的设 想，即把人工智能、知识工程、信息挖掘等技术的最新成果应用在基础教育 中，实现智能化、拟人化的教学系统。其中一个关键环节就是使用相关技术 发现学习者全体特征和学习者个体特征，为个性化教学提供更可靠的基础， 这也是本论文的主要研究目的。 1 1 2 课题研究意义 网络时代的今天，以网络为平台的教学模式正在形成，它将对人类的知 识传授产生巨大影响。网络教学是一种淡化教而突出学的教学模式，它以建 构主义学习理论为基础，采用协作学习的结构化模型，是一种自我导向的学 习系统，重点在学生的学习上，而不是在教师的讲课上。它将改变学生的学 习方式，实现真正意义上的“交互学习”和“发现学习”，使学生成为主动 的探索者和个性化的学习者。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第2 页 目前，网络教学在深度和广度两方面正在飞速地发展，并不断进入我们 学习生活的各个方面，而接受教育的对象普遍存在个性差异，如个人的兴趣 与习惯、学习基础、学习能力、努力程度等都存在巨大的差异。相比而言， 现有的网络教学系统，虽然自身信息量巨大，但是，浏览的课件、考试的题 目与整个学习的流程都是单一固定的，教育方法与模式上就显得非常单一， 这就造成了两者之间越来越大的矛盾n ，。例如，网站用户在浏览某个网站的 过程中，当前网页总是显示一些自己毫不关心的课件或话题，无论自己对该 网站的访问频率多高都是如此，用户在汲取有用信息的同时也无奈地接受了 许多无用信息，浪费了大量时间。 很多网络教学系统对于接收远程教育的用户行为不进行分析研究，忽视 用户特殊行为这一重要信息，没有给出针对其个性的信息反馈。这样，原有 的远程网络教学系统就显得没有人性化，僵化呆板，降低了用户的学习兴趣。 目前的网络教学忽略了学习本身是一种个性化的过程，没有做到因人而异、 因材施教，没有兼顾到个体的差异。因此，为了从根本上解决这一矛盾，这 里我们将把个性化的概念引入到网络教学中，即教育网站不但要针对所有用 户共同兴趣的共性信息，而且更应该重视针对每个用户自身兴趣的个性信息， 实现个性化教学已经引起大家的广泛关注。 引入个性化后的网络教学是一个智能化的系统，可以及时地了解到学生 的信息需求、兴趣爱好、能力差异、学习进度，并动态地根据这诸多因素调 整学习计划及进度，让用户得到针对其个性的教育。 在网络信息庞杂、用户对信息服务要求不断提高的环境下，个性化网络 信息服务已经成为网络服务发展的必然。如在电子商务网站中，可以根据客 户的爱好进行有效的广告发放、推荐用户喜爱的产品，这样就可以拥有更多 的广告点击率和销售收入。网络信息服务做到今天，已经进入了以用户为中 心的更先进的理念竞争阶段，网络只有拥有了用户才能产生经济效益。如何 吸引更多用户的注意力、如何使用户更长时间地留在自己的网站、如何让用 户满意等一系列问题，都要依靠个性化的信息服务才能解决。而个性化的关 键环节就是用户兴趣的追踪，本文利用a g e n t 技术和b p 网络技术进行用户 兴趣追踪的研究方法对个性化网站具有很好的借鉴意义，这也将给计算机软 件与理论的研究与发展以新的启迪。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外研究现状 国内外关于个性化的研究很多，也有一些成功和实用的例子。但是在网 络教学领域，个性化技术的应用还处于探索阶段，研究人员提出了一些模型， 但离最终实现还有一段距离。并且可以看到很多个性化的研究是和主体、多 主体系统( m a s ) 的研究及数据挖掘技术相结合的。这里首先介绍国内外在个性 化技术研究领域的几个模型。 ( 1 ) 在南加利福尼亚大学w l e w i sj o h n s o n 等人的论文“u s i n ga g e n t st o o v e r c o m ed e f i c i e n c i e si nw e b b a s e dc o u r s e w a r e ”中提到：为了使远距离 学习系统适合每个学生的需要，并支持教师与学生的相互作用，可以应用教 学a g e n t 监视学生与计算机的交互并提供指导和建议n ，。 在他们主持的高级远距离( a d e ) 项目中，提出了一个叫做a d e l e 的教学 a g e n t ，当学生通过网上课件学习时，h d e l e 的实例在每一个学生计算机上运 行，与每个学生交互作用“。a d e l e 负责监控学生、记录学生行为、根据需要 调整课件呈现内容等。目前，a d e l e 已应用于医学教育课件，教授外伤和肿 瘤医疗课程。 ( 2 ) w e bw a t c h e r 是一个非常著名的导航器，它使用了一个称为信息查找 助理的主体，帮助用户在网上导航，同时该系统通过对用户选择的“链路” 或站点跟踪学习，获得学习知识，如哪一超链接可能到达目标信息，并使用 这些知识交互地帮助用户定位希望的信息，从而改善了导航质量w 。w e b w a t c h e r 采用了三种学习方法：基于信息检索频度的学习，即对每一个超链接 加上一个权值项代表频度，以统计用户使用的频率；基于用户注释的学习， 通过对用户资料的分析建立一定的用户描述；q 一学习，即通过用户对已进入 页面的价值评估进行学习。在运行过程中，对于所接触的每一个超链接，w e b w a t c h e r 根据它估计的用户感兴趣的程度将其排列入一个表中，如果兴趣值 超过一个设定的阈值，则向用户推荐该链接。 ( 3 ) 清华大学自动化系的卢增祥等在用户信息获取方面，通过扩展浏览器 上的b o o k m a r k 功能，跟踪用户信息需求，并直接利用用户评价文章来表达用 户需求”，。 ( 4 ) 四川i 大学的赵志荣提出可以利用日志挖掘来“监视”用户的访问习惯， 进行个性化处理“1 。w e b 日志挖掘是通过分析w e b 服务器的日志文件，对用户 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 访问w e b 时服务器方留下的访问记录进行挖掘，从中得到用户的访问模式和 访问兴趣。 1 2 2目前网络教学系统存在的不足 人们在集中精力研究网络教学相关技术的同时，却对提取用户个性特征 的研究工作没有给予足够的重视，当然w e b 信息本身的无序状态，也给研究 工作带来了很大的障碍，从查阅的国内外相关文献来看，目前的网络教学系 统仍然存在如下一些缺陷或不足： ( 1 ) 发现用户兴趣的方式单一化，缺乏深入了解用户的方法和簧略。获取 用户兴趣的一般方法有：其一，以关键字方式让用户自己提供自己的兴趣”1 。 该方法由于用户经常不能准确地表达自己的兴趣，而使得对用户个性特征的 提取出现明显的缺陷。其二，从一类文档中提取“1 。这也是很常见的方法， 尤其对中文文档。但如果没有对文档内容进行正确的挖掘，该方法不能全面 发现用户的兴趣。 ( 2 ) 用户与系统间的交互方式比较单调。从查阅的文献来看，现有系统普 遍采用相关反馈技术，并作为用户和系统进行交互的主要手段”，。 ( 3 ) 一些系统将w e b 日志挖掘作为追踪用户兴趣的主要方法，但代理服务 器、防火墙等技术使得日志中的i p 地址并不能区分出每一个用户，它仅能为 群体兴趣的追踪提供一些重要的信息“。 从以上的分析中可以知道：实现个性化教学的关键问题在于提取用户的 兴趣特征。但问题的实质是现有的个性化教学技术缺乏对用户个性特征知识 的获取、处理和理解的能力。 而在众多新技术中，a g e n t 技术和神经网络技术尤其适合改善个性化教 学目前存在的问题。由于a g e n t 具有自主性、社会能力、自适应性和移动性， 这些特性若应用到个性化的远程教学系统中，便能很好地解决学习者学习过 程中的个性化问题，达到个性化教学的效果n ”。在网络教学中引入神经网络 技术，在与用户的交互过程中可以跟踪用户行为，学习用户兴趣，提高处理 过程的智能性，另一方面也有助于提高个性信息收集的针对性和准确性，较 为全面地发现用户的兴趣特征，提供满足需求的个性化教学服务。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 本论文的主要研究内容及安排 1 3 1论文的研究内容 个性化教学由于服务对象的兴趣爱好、个人特长、行为习惯等存在相当 大的个体差异，用户的需求无论在内容上还是数量上都是不断变化的。现在 的网络教学系统，虽然自身信息量极其丰富，但是发现用户个性的方式单一 化，缺乏深入了解用户兴趣的方法和策略，用户与系统间的交互方式比较单 调。 本文在总结国内外先进方法的基础上，并针对用户兴趣特征的提取等关 键技术进行研究，在此基础上提出了把a g e n t 技术和神经网络技术相结合的 用户兴趣追踪方案，这有利于更全面地学习用户兴趣模式中的隐含信息，更 准确地获取用户兴趣特征、行为模式，实现本文提出的个性化教学的目标。 本文主要做了以下工作： ( 1 ) 通过对国内外网络教学系统研究现状的深入分析，说明了用户兴趣追 踪在个性化教学系统中的重要性，论述了用户行为数据采集方法，这是能否 实现个性化的关键环节。 ( 2 ) 为了更全面、更准确地得到网络教学系统中的用户兴趣特征，提出了 把a g e n t 技术、神经网络技术与网络教学系统相结合的思想。 ( 3 ) 提出了一种基于a g e n t 技术的个性化教学系统原型，详细分析了原型 中主要a g e n t 的功能及其实现。 ( 4 ) 本系统的实现采用了j 2 e e 技术，利用j a v a 语言自身的特点，本系统 具有良好的移植性和可靠的系统安全性。 1 3 2 本文的内容组织 论文的结构安排如下： 第l 章，绪论，主要包括：本课题的课题来源及其研究意义，国内外研 究现状，论文的主要研究内容。 第2 章，a g e n t 技术概述，a g e n t 技术以其在信息用户个性化、任务自动 执行和信息过滤等方面表现出很大的潜力而倍受关注。为提高网络教学中信 息服务的个性化特征，a g e n t 必须在收集用户信息、维护用户兴趣模型、分 析用户兴趣特征和提供个性化服务方面发挥出重要的作用。 第3 章，神经网络技术，在网络教学中引入b p 神经网络技术，随时跟踪 用户的学习行为，同时采用启发式算法对用户个人兴趣进行学习分类，从而 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 更加准确地刻画出用户的兴趣特征，解决个性化教学中存在的这一关键问题。 本章首先论述了神经网络的学习方式，最后说明了b p 网络的工作原理及其学 习算法。 第4 章，基于a g e n t 的个性化教学系统设计，本章首先提出了一种个性 化教学系统原型，在此基础上详细说明了用户建模、用户兴趣分析等主要模 块的功能设计思想。 第5 章，系统主要功能的实现，本章详细说明了用户行为采集、兴趣学 习等主要模块的功能实现，最后对兴趣学习模块做了测试，测试结果表明采 用b p 网络追踪用户兴趣是行之有效的。 最后给出全文总体结论，对本文的创新性内容做了总结，并提出了进一 步的研究方向。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 a g e n t 技术概述 对于i n t e r n e t 这样一个分布的信息空间，采用分布式人工智能方法是实 现人机交互学习的一种较好的方法，它可以代替人类完成繁杂信息的收集、 分类、过滤、聚类以及融合等任务。a g e n t 技术是人工智能技术与传统技术 相结合的产物，用a g e n t 技术处理像i n t e r n e t 这样具有复杂、异构、分布、 动态、规模大及自主特性的系统，是人工智能技术在信息处理方面的一个崭 新的应用。a g e n t 技术以其在提高服务质量、易用性、信息发现和过滤、信 息用户个性化和任务自动执行方面表现出很大的潜力而倍受关注，尤其是 a g e n t 在分布式环境下个性化信息服务的应用研究必将会促进人工智能、信 息处理等相关领域进一步向前发展。 2 1 个性化信息服务中的a g e n t 最近几年，人工智能的研究重点逐步从专家系统转向a g e n t 系统n “。目 前关于a g e n t 理论与技术的研究是人工智能、软件工程、并行与分布计算、 网络与i n t e r n e t 、虚拟现实以及机器人等领域的热门课题，现在对a g e n t 的 研究多集中在软件领域，一些基于a g e n t 技术开发的应用系统已经被应用。 一般认为，a g e n t 是一个自治的实体，它能够感知环境，并且对外界的信息 做出一定的判断和推理，来控制自己的决策和行动，以便完成一定的任务“。 为提高信息服务的个性化特征，a g e n t 必须在收集用户信息、维护用户 兴趣模型和分析用户特征提供个性化方面发挥重要的作用，这里主要利用 a g e n t 的以下几个主要特性来让系统更好地了解用户，并提供一些新的个性 化服务。 ( 1 ) 自主性( a u t o n o m y ) ：a g e n t 可以在没有人类或其他a g e n t 直接干涉和 指导的情况下持续运作，并能控制其行为和内部状态，这也是a g e n t 区别于 对象的重要特征。a g e n t 的自主性使得它既可以在不受用户监控和指导下由 自己的决策机制决定采取什么行动，并与用户并发工作，又可以学习记忆用 户的兴趣爱好，建立用户兴趣模型来指导自己的决策，使之符合用户的需求。 ( 2 ) 协作性( c 0 1 1 a b o r a t i v e ) ：协作性是多a g e n t 系统的重要特征，它指 a g e n t 能与其他a g e n t ( 包括人) 进行交互并有效地协调工作，因此协作性能使 a g e n t 更好地了解用户，收集更完善的用户资料，提高a g e n t 为用户解决问 题的能力。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 3 ) 反应能力( r e a c t i v i t y ) ：对环境的感知和影响。无论a g e n t 生存在现 实的世界中( 如机器人、i n t e r n e t 上的通信a g e n t 、用户界面a g e n t ) 还是虚 拟的世界中，它们都应该可以感知它们所处的环境，并通过行为改变环境。 一个不能对环境做出影响的物体不能称为a g e n t 。当网络教学系统中教学资 源增加时，a g e n t 可以感知到这种变化，并根据用户的兴趣爱好做出一定的 反应，为用户提供有针对性的主动服务。 ( 4 ) 自发性( p r o a c t i v e ) ：传统的应用程序是被动地由用户来运行的而且 机械地完成用户的指令；而a g e n t 的行为应该是自发的，或者是主动的。a g e n t 不只是简单地对环境做出反应，也能够通过接受某些暗示，从而进行以目标 为导向的行动。a g e n t 能主动地分析和获取用户的个性信息并根据用户的兴 趣模型了解用户的潜在需求，采取主动的行为，因此它使得主动服务成为可 能。 ( 5 ) 移动性( m o b i l i t y ) ：移动a g e n t 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，并能提供一定人类智能服务的程序。移动 a g e n t 可以从网络中某个结点移动到其他结点执行来完成一定的任务，移动 a g e n t 技术具有动态性和分布计算的特点，进一步扩展了a g e n t 处理事物的 功能，利用它使得定制服务和即时服务成为可能，而且提高了采集用户兴趣 和搜索信息的效率。 环 一事件监测模块卜_ 外 境通 部 感l 信 其他 a g e n t环 知心智与决策推理模块 模 境 模 i 块 i 块 i 执俣耿 a g e n t 图2 - ia g e n t 的基本模型 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 a g e n t 的这些特点非常适合分布式信息的管理和个性化信息服务的工 作，当然以上只是个性化信息服务中a g e n t 具有的最基本特点，随着应用场 合的不同，各个a g e n t 可以有一定的差别。a g e n t 的这些特性可以由a g e n t 的基本模型加以表现，如图2 1 所示。 根据智能a g e n t 的特征，智能a g e n t 为了适应环境并且完成特定的任务， 通常包括环境感知模块、事件监测模块、心智与决策推理模块、执行模块和 通讯模块等五大模块n “。心智与决策推理模块可以包括信息过滤、类比匹配、 推理、内部控制等。环境感知模块接收外界信息。执行模块做出反应。通讯 模块在多a g e n t 环境下与外界a g e n t 进行相互通讯。 2 2m a s 系统 网络个性化服务不是面向单一用户的个性化服务，服务于单一用户的个 性化信息a g e n t 之间并不是孤立的关系，它们通过相互合作构成一个多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 ) 。m a s 的合作求解问题的能力远远超过单个 a g e n t ，这是m a s 产生的最直接原因。通过m a s 的合作，使每个用户都拥有一 个或多个a g e n t ，这些a g e n t 推荐的信息文档在内容上都有相关性，克服了 单个信息a g e n t 功能不强的缺陷。 m a s 是一个由多个a g e n t 组成的松散耦合的a g e n t 网络系统。a g e n t 模式 本质上是分布式的，其工作固有的合作性能通过利用现有的网络来完成。但 m a s 面临着许多问题，最为关键的一环就是系统中a g e n t 之间的协同。多a g e n t 协同是资源的有界性和时间等约束所需要的，它能使多个a g e n t 能协调一致 地有效解决问题。 2 2 1 多a g e n t 系统需要协同的原因 协同在a g e n t 中具有中心地位，没有协同就泯灭了交互的所有好处， a g e n t 组就迅速蜕化为无序个体的集合。多a g e n t 需要协同的几个原因如下： ( i ) 防止混乱：在多a g e n t 系统中，任何a g e n t 对它所处的整个系统都没 有全局视图。a g e n t 只有局部视图、目标和知识，这些局部的东西可能干涉 其它a g e n t 的行为。在冲突中，协同对避兔无序是至关重要的。 ( 2 ) 满足全局约束：完成网络管理的a g e n t 必须在几秒内而不是几个小时 内响应失败。协同a g e n t 的行为对满足全局约束是至关重要的。 ( 3 ) 多a g e n t 系统里a g e n t 拥有不同的能力和专门知识。 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 ( 4 ) a g e n t 行为相互依赖。一个a g e n t 可能要等到其他a g e n t 完成任务后 才能完成自己的任务。这样摆互依赖的活动就需要协同。 2 2 。2 协同协议及策略 有关多a g e n t 协同的技术主要包括协同协议和协同策略、管理策略。 协同协议主要研究多a g e n t 之间通讯的语言定义、表述、规范以及语义 阐述。目前，美国a r p a 计划中知识共享促进组织k s e 提出的以言语行为理论 为基础的通信语言k q m l k i f 0 n t o l o g y ( 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 n l a n g u a g e k n o w l e d g ei n t e r c h a n g ef o r m a t o n t o l o g y ) ，被普遍应用于a g e n t 之间的通信中“。k q m l 既是一种语言，又是一种协议，它支持智能a g e n t 的 离层通信，能有效绝在多a g e n t 之闯共享知谈。 2 ，2 2 1 智韪a g e n t 的数据通信k q m l k q m l 语言是目前使用最为广泛的一种a g e n t 通信语言( a c l ) ，它的最大 特点是有助于理解信息内容的所有信息都包含予通信信息当中。在k q m l 中， 既有标准的通信操作原语如a s k ，q u e r y ，d e l e t e ，i n s e r t 等，又有面向协议 的通信原语，如s u b s c r i b e ，还有许多用于a g e n t 进行信息交换的协议。它 的核心是预先定义的许多行为，其中包含了希望接受方执行的动作。k q m l 是 种用来传递与消息内容表示方法以及所使用的o n t o l o g y 无关的、基于消息 的高级通信语言和协议。k q m l 与传输机制( 如：t c p i p 、s m t p 、i i o p 等) 无关； 与内容表示语言( 例如：k i f 、s q l 、s t e p 、p r o l o g 等) 无关：与消息内容使用 的o n t o l o g y 无关。 k q m l 定义了消息格式和消息传送系统。为m u l t i - a g e n t 系统通信和协作 提供了一种通用的框架。它提供了一缝识别、连接建立以及消息交换酌协议。 消息的语义内容在k q m l 当中规定并不详细。因为标准是开放的，各种语言可 以孀来传送知识，也可以集成在k q m l 当中。 ( 1 ) 三层结构 k q m l 可以分为三个层次：内容层、消息层以及通信层( 如图2 - 2 ) 。 内容层：包含了开发者使用本地表示语言表示的实际的消息内容。k q m l 可以传递使用任何表示语言表示的消息。每一种k q m l 在除了判定消息的实际 内容在何处结柬时，都忽略了这部分。该层对k q m l 是不透明的，k q m l 仅对 其进行简单打包和传送而不进行处理或理解。 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 通信层：包含了一个属性集合。可以使用这个属性集合来表述底层通 信的参数，例如：发送者和接受者的i d 、与通信相关的一个唯一的标志。 消息层：包含了一个应用想要传递给另一个应用的消息。消息层是 k q m l 的核心。这一层决定了一个使用k q m l 作为通信语言的a g e n t 能够使用 的交互手段的种类的多少。消息层的首要功能就是标志使用何种网络协议来 发送消息，并且为消息的内容提供一个发送者提供的“动作表达式”( p e r f o r m a t i v e ) 。这个语言行为( s p e e c ha c t ) 标志这个消息是否是：一个断言、 一个查询、一个命令或者是任何己知“动作表达式”集合内的元素。k q m l 使 用p e r f o r m a t i v e 来表示它的原始消息类型。消息内容对k q m l 是“透明的”， 消息层也包含了用来描述内容语言、使用的o n t o l o g y 等等可选内容的特性。 图2 - 2k q m l 的三层结构图 f i g 2 - 2 t h r e eia y e r ss t r l j c t u r 6c h a r to fk q m l ( 2 ) 语法和动作表达式 k q m l 的语法是基于l i s p 语言当中使用的s 一表达式。列表的起始元素是 动作表达式，其余的元素是以关键字一关键字值对的方式组成的这个动作表 达式的参数。虽然k q m l 己经预定义了一个保留的动作表达式集合，但是这 个集合既不是一个必备的也不是一个封闭的集合。一个使用k q m l 的a g e n t 可以选择仅仅处理这个集合当中的几个动作表达式。这个集合是可扩展的， 一个a g e n t 社会可能在每个a g e n t 都对某个新的动作表达式的解释以及其使 用的协议达成一致以后，就可以使用新的动作表达式了。但是，一个k q m l 的实现，对某个标准动作表达式的实现必须是标准的。 设计k q m l 的一个目的就是提供对不同的a g e n t 平台的支持。为此k q m l 提出了几个a g e n t 可以用来定义描述信息需求的元数据( m e t a d a t a ) 的动作表 达式，它还提出了一个特殊的a g e n t 类叫做通信服务器( c o m m u l l i c a t i o n 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 f a c i l i t a t o r ) 。一个f a c i l i t a t o r 是一个a g e n t ，它可以提供多种通信服 务，例如：维护一个服务目录的表、转发名字服务消息、基于消息内容来路 由消息、提供z 仲裁和翻译服务等等”“。 2 2 2 2 多a g e n t 的通信方式 多a g e n t 系统的通信方式取决于多a g e n t 系统采取的体系结构，主要有 点对点、协调者转发、基于黑板的通信等。其它方式都是在此基础上的派生 和发展n “。 ( 1 ) 点到点通讯：这种方式也叫“私线”( p r i r a t el i d e ) 方式，是指“只 有调用和被调用的过程可见该通信”。这种方式是直接通信，保密性好。 ( 2 ) 协调者转发通讯：系统中建立全局协调者，即所有a g e n t 都通过全局 协调者进行消息传递。因此，全局协调者在系统中具有一定的管理者的作用。 ( 3 ) 基于协调者的a g e n t 联盟之间的通讯：这种情况是( 2 ) 中协调者转发 通讯的拓展，系统中一些a g e n t 组成联盟，a g e n t 联盟之间的通讯依靠各自 的协调者进行。在这种情况下，a g e n t 联盟在通讯过程中地位是平等的。 ( 4 ) 基于黑板的通信：a g e n t 之闻通过传递消息来通告环境和系统状态的 变化。在人工智能领域，黑板结构被广泛用于多知识源之间的信息通讯和协 同求解，并取得较好的结果。基于黑板( b l a c k b o a r d ) 的通讯方式，也叫“团 线”( p a r t yl i n e ) 方式。即把信息放在广泛可存取的“黑板”上，实现广播 通信。有些系统将黑板分为几个概念性的区域，使不同的a g e n t 只关注自己 相关的黑板区域。黑板方式中，黑板是一个共享的知识结构( 也是一种 a g e n t ) ，a g e n t 可以向它张贴信息，也可以从它读取其它a g e n t 张贴的信息。 2 2 2 3c s c w 技术 1 9 8 4 年由g r e i f 和c a s b m a n 提出的计算机支持的协同工作 c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r tc o o p e r a t i v ew o r k ) 指的是，一个群体中的多个成员， 同时使用分布式网络系统上的多台计算机协同工作，共同完成某项任务“。 这一思想体现了信息时代人们工作方式的群体性、交互性、分布性和协同性 的客观要求。 而从教育学和社会学的观点来看，教育是一种社会活动，具有群体性、 交互性、分布性和协同性的特点，这与c s c w 的特点不谋而合。将c s c w 技术 应用到教学领域，就产生了协同式教学。而在协同教学环境下，教师与学生 相互依赖、相互协作以完成共同教学任务，同时教师和学生又担负不同职责， 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 扮演不同角色，这又与a g e n t 基本特征相符合。近年来，a g e n t 技术的发展 使得我们建立开放式智能c s c w 的模型成为可能”。 2 3 a g e n t 技术用于w e b 上的信息服务 w e b 上的信息里爆炸性增长，信息格式互不相同( 半结构化、无结构的信 息) ，信息的服务形形色色。面对新的环境的复杂性，需要新的软件技术使计 算机成为一个具有智能的、主动的、人格化的合作者，提供更自然的手段表 达用户的意图，能够理解和转换用户请求，寻找和利用己有的服务满足用户 的需求。 a g e n t 采用人工智能技术，可以对计算机用户提供更灵活、更人性化的 服务，允许人给计算机分配工作，然后由计算机自动执行，大大改善计算机 的使用方式和作用。 a g e n t 技术在互联网中的应用主要集中在以下几个方面： ( 1 ) i n t e r n e t 常规任务：帮助执行或者自动执行i n t e r n e t 环境中的一些 常规任务，例如，文档过滤，发电子邮件，寻找某种标题的文献，进展跟踪， 定时提醒等。可以由用户手动运行，或者当某种事件发生时自动执行，比如 邮件到达，或者在预定的时间间隔内执行n “。 ( 2 ) 信息查找：在查找信息或者网络浏览时，用户可能不知道需要的信息 在哪里，同时随着信息的增加，整理和组织信息成为一个繁重的任务，借助 于a g e n t 技术，可迅速的发现和过滤信息，并整理组织好用户所需的有用信 息。我们现在用到的搜索引擎技术都包含了网络机器人技术，也就是我们所 说的a g e n t 技术“。 ( 3 ) 资讯过滤：资讯过滤a g e n t 会收集从各种不同来源( 如：w e bp a g e 或 n e w sf e e d s 等) 所获得的资讯，并且根据使用者的喜好过滤这些资讯的内容， 并将过滤后的资讯呈现给使用者”。 ( 4 ) 预定事件响应：在现实世界中事件发生以后，需要及时采取行动“。 如：新软件发布和服务登记等，a g e n t 可以代替人执行一些动作，以便及时 响应。通知a g e n t 会依据使用者所定义的事件触发信息通知的动作，如：使 用者自行定义一个触发事件，例如，生日或九点开会等；当某个特定的网页， 其内容被更新时，通知使用者；当一个搜索引擎被使用某个特定的关键字查 询时，作为通知使用者的一个触发事件。 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 ( 5 ) 非即时信息传送：非即时信息传送a g e n t 可以根据使用者的喜好，将 即时的资讯封包传送到使用者的个人电脑。目前m i c r o s o f t 与n e t s c a p e 两家 公司已经将这种非即时信息传送的技术包含在网际网络浏览器中”“。 ( 6 ) w e b 浏览器智能：借助于搜索辅助a g e n t 记录搜索过程，记住可能忘 记的事情，建立搜索者的视图，按照所访问的最频和最新的网站排序，就可 以根据用户提供的关键词返回到相应的网站，可以通知用户某些网页的更新 l “。 ( 7 ) 个人帮助a g e n t ：对于i n t e r n e t 购物者或者服务接受者，个人帮助 a g e n t 可以帮助购买者比较商品，提醒购买者在某个时阅进行购买活动，或 者某些感兴趣的甩卖，或者向用户推荐图书、音乐等等n “。也可以帮助店主 发掘某个购买者群体的购买模式，发现商品之间的购买关联关系。 ( 8 ) 知识工具：支持信息检索和管理，允许用户将各种信息集成在一起， 形成有意义的模式，帮助用户检索适当的信息“。同时，将用户已有的私有 数据与i n t e r n e t 数据结合在一起，形成知识库，作为一种知识工具。 ( 9 ) 知识挖掘：利用表达和模型技术对大量数据进行模式分析，突出感兴 趣的模式和特征，在此基础上进行分类，建立关联等。将模糊规则、数据过 滤和翻译等多种技术嵌入应用系统，并且按照需要修改模型和数据过滤的标 准，对用户完成某些任务提供导航帮助n ”。 a g e n t 的应用并不是孤立的，而是常常将多种应用集成在一起。当网络 带宽的增加意味着数据将以更快的速度出现在用户两前时，a g e n t 可以管理 这种流动，将最需要的信息发送给用户m ，；当信息资源及其内容急剧增加时， a g e n t 可以帮助进行数据挖掘和确定有价值的资源；当应用环境变得更加复 杂时，a g e n t 可以屏蔽软件使用的复杂性，帮助用户完成工作。 综上所述，a g e n t 技术代表用户完成工作，帮助用户记忆，分析复杂的 数据，通过不断的学习改善自身的能力，了解用户的兴趣、习惯和爱好，为 用户提供更有效率的服务。a g e n t 技术将成为一种重要的计算模式，许多的 应用系统将会不同程度地采用a g e n t 技术“。 2 4 基于a g e