（计算机应用技术专业论文）linux下软件人群控制策略的研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 随着网络的广泛应用，给人们的工作、学习和生活提供了巨大的舞台和空间。但 也随之产生了一些问题，比如网上信息是海量的，如何快速搜索和挖掘人们希望得到 的信息? 能否将智能机器人技术移到网上来实现? 针对上述问题，曾广平教授提出了 “软件人”的概念。 “软件人”是从广义人工生命观点出发，为了延伸、扩展人的生命而提出的，具 有拟人智能的、生存并活动于计算机网络世界中的一类软件人工生命，是一种网络中 的“虚拟机器人”。“软件人”不仅具有全面的拟人智能、拟人行为和功能，而且具有 环境识别和自主决策能力及自由意志。 软件人群是指由多个“软件人”组成的系统，它是为了解决单个“软件人”不能 够解决的复杂问题，由多个“软件人”协调合作形成的自律分散问题求解网络。为了 使“软件人”之间能够合理高效地进行协作，软件人群控制“软件人”之间的协 作、协调、协商机制成为软件人群研究的重点问题。 “软件人”可以在系统的不同层次实现，也可以有不同的个体功能模型。对于软 件人群在网络中的活动，我们必须设计合理的控制策略。本文先从整体入手，改进软 件人社会的控制结构模型，提出了以管理软件人为中心的集中管理策略和消息软件人 为通道的分布协调管理机制，然后以前者作为具体实现方法，设计选举总协调软件人 算法并通过l i n u xs o c k e t 编程实现。软件人社区包括守护软件人、管理软件人和功能 软件人。守护软件人主要定时将本节点资源情况发送给总协调软件人，然后从那取回 软件人社会的资源信息情况，为管理软件人迁移进程提供依据 进程的迁移是分布式操作系统研究的重要内容，因此本文参考了分布式系统的进 程迁移方法，结合“软件人”的特性研究了“软件人”进程的迁移，给出了“管理软 件人”进程的功能模型和它迁移进程的详细实现。 本课题研究的“管理软件人”能在i n t e m e t 上迁移“功能软件人”，迁移到目标主 机的“软件人”进程能替代人完成操作系统级别的任务。迁移的全部过程在l i n u x 内 核下实现。它的实现为“软件人”在操作系统级别的研究乃至应用提供很重要的理论 基础和实现依据，同时也能为操作系统内核和分布式系统的研究提供参考。 关键字：软件人群，进程迁移，控制策略，分布式操作系统 北京科技大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nc o n t r o l p o l i c yo fs o f t m a nc r o w d u n d e r l i n u x a b s t r a c t w i t ht h ew i d eu s eo fn e t w o r k , i tp r o v i d e sg r e a ts t a g ea n ds p a c ef o rp e o p l e ss t u d y a n dl i f e b u ts o m ep r o b l e m sh a p p e na tt h es a m et i m e f o re x a m p l e , h o wt os e a r c ha n d m i n eu s e f u li n f o r m a t i o nf r o ml a r g ed a t ai nn e t w o r k ? h o wc a nw eu s ei n t e l l i g e n c er o b o t t e c h n o l o g yi nn e t w o r k ? s o f l m a ni sp u tf o r w a r df o rs o l v i n gs u c hp m b l e m s s o f t m a n - t h cv i r t u a lr o b o tt h a tl i v e si nn e m o r l - i sak i n do fs o f t w a r eo fa r t i f i c i a l l i f ew i t hi n t e l l i g e n c e , w h i c hi sp r o p o s e df o re x t e n d i n gh u m a n sl i f eb a s e do ng e n e r a l i z e d a k t i f i c i a ll i f e s o f l m a nn o to n l yh a v eag r e a td i v e r s i t yo fi n t e l l i g e n c e , a c t i o n , f u n c t i o na s h u m a n ，b u ta l s oh a v ef r e ew i l la n dt h ea b i l i t yt om a k ed e c i s i o nt h e m s e l v e s s o f l m a nc r o w di sas y s t e mw h i c hi sm a d eu po fm u l t i s o f l m a n i ti sf o rs o l v i n g c o m p l e xp r o b l e m sw h i c h 啪tb es o l v e db ys i n g l es o f l m a n i no r d e rt oc o o p e r a t e e f f i c i e n t l yb e t w e e ns o f l m a n , s o f l m a nc r o w dc o n t r o l - - - t h ec o o p e r a t i o n , c o o r d i n a t i o na n d n e g o t i a t i o nb e t w e e ns o f t m a nb e c a ) m e sai m p o r t a n tp r o b l e m s o f l m a n 啪b er e a l i z e da td i f f e r e n ts o f t w a r el e v e la n dh a v ed i f f e r e n tm o d e l a b o v e a l l ，r e a s o n a b l ec o n t r o ls t r a t e g ym u s tb ed e s i g n e df o r t h es o f l m a nc r o w di nt h ea c t i v i t yi n t h en e t w o r k t h i sp a p e rf i r s td e s c r i b e st h ew h o l es o f l m a nc o m m u n i t ya n di m p r o v et h e c o n t r o ls t r u c t u r em o d e lo fs o f l m a ns o c i e t y , w ep u tf o r w a r dt h ec e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t s t r a t e g y w i t hm a n a g e m e n ts o f t m a na st h ec e n t e ra n dd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n m a n a g e m e n tm e c h a n i s mw i t hn e w ss o f l m 柚a st h ec e n t e r , t h e nu s et h ef o r m e ra sc o n c r e t e r e a l i z i n gm e t h o d a r i t h m e t i ch a sb e e nd e s i g n e dt oe l e c tt o t a lc o o r d i n a t i o ns o f l m a na n d r e a l i z e db yl i n u xs o c k e tp r o g r a m 1 n h es o f t m a nc o m m u n i t yi n c l u d e sd a m o ns o f l m a n ，t h e m a n a g e m e n ts o f l m a na n df u n c t i o ns o f l m a n n ed a m o ns o f l m a nm a i n l ys e n d so u tl o c a l n o d er e s o u r o 瞎i n f o r m a t i o nt ot o t a lc o o r d i n a t i o ns o f l m a na n dg e t si nn o d er e s o u r c e s i n f o r m a t i o no fs o f l m a ns o c i e t yf r o mt o t a lc o o r d i n a t i o ns o f l m a n t h i sp r o v i d e sab a s i sf o r 1 1 北京科技大学硕士学位论文 m a n a g e m e n ts o f l m a nt om i g r a t ep r o c e s s p r o c e s si sai m p o r t a n tc o n t e n to fd i s t r i b u t e do s t h e r e f o r e ，i nc o n t r a s tt op r o c e s s m i g r a t i o nm e t h o du n d e rd i s t r i b u t e do s ，c o m b i n e d c h a r e c a t e ro fs o f t m a n , s o f t m a nm a n a g e r m o d e la n dr e a l i z a t i o no fp r o c e s sm i g r a t i o na r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r i nt h i st h e s i s ，s o f t m a nc a nm i g e r a t es o f t m a np r o c e s se v e r y w h e r et h r o u g hi n t e m e t ，a n d m i g r a t e ds o f t m a np r o c e s s 伽由s o m e w o r k sa to sl e v e l t h ew h o l em i g r a t i o np r o c e s si s r e a l i z e di nl i n u xk e r n e l i t sr e a l i z a t i o ni si m p o r t a n tb a s i so ft h e o r yr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n o fs o f t m a na to sl e v e l f u r t h e rm o r e , i ti sr e f e r e n c et or e s e a r c hi nl i n u xk e r n e l d e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：s o f t m a nc r o w d , c o n t r o lp o l i c y , d i s t r i b u t e do s ， m i g r a t i o nm a n a g e m e n t i i i 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：兰壶! ) 查日期：兰：2 ：! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布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。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：垒：卫2 北京科技大学硕士学位论文 引言 互联网发展迅速，已遍布世界各个角落，渗透到了经济、文化、科技、军事、政 治等各个领域。i n t e m e t 已成为真实的( 不是虚拟的) 信息社会。从一定程度上，网 络引导着计算机技术的发展方向，大量的应用基于现有的网络技术，其中动智体 ( m o b i l ea g e n t ) 就是最近几年发展起来的一种新技术，它是智体( a g e n t ) 技术和网 络技术融合的产物。动智体的定义，比较普遍的看法是一段可执行程序，能够在异构 的计算机网络中从一台机器移动到另一台机器，并且保证程序执行过程的致性。“软 件人”是在这一基础上的进一步深化，它是活动在网络世界中的生命，兼有软件和生 命的共同特征。本文后面软件人将以去引号表示。 国家自然科学基金项目( 6 0 3 7 5 0 3 8 ) “网络世界中的虚拟机器人软件人”就 是主要研究软件人的理论模型设计和应用的一个重大课题。软件人和动智体的关键问 题都是如何实现它的迁移，在这一领域，以j a v a 为平台的设计技术已经有较成熟的 理论和应用，但在操作系统级的研究还处于空白毫无疑问，操作系统级的软件人将 具有更强大的功能和效率，但实现难度和兼容性是其主要问题。 本文研究的就是如何在l i n u x 下对软件人社会控制策略的研究课题的研究是在 深入研究l i n u x 内核的基础上，以分布式系统的进程迁移为参考，结合分布式人工智 能和软件人的理论下进行并得以实现的。首先描述了软件人的结构模型。从软件人系 统逻辑层次结构模型入手，阐述了软件人、软件人社区、软件人社会的逻辑层次关系。 控制策略范围由大到小，先描述了软件人社会控制策略，然后描述了软件人社区的控 制策略，再下到守护软件人和管理软件人的设计实现，由表及里，层层深入。 本文的组织结构如下： 第一章主要介绍课题的背景来源、研究的主要内容和相关支持理论。 第二章主要叙述了软件人社会的结构模型。 第三章描述了分布式操作系统中软件人社会控制策略。 第四章描述了软件人社区控制策略，包括守护软件人的设计和管理软件人协商机 制。 第五章描述了管理软件人迁移机制以及实现过程。 1 北京科技大学硕士学位论文 1 课题背景和文献综述 1 1 课题概述 1 1 1 本课题主要研究内容 本课题是国家自然基金项目“网络世界中的虚拟机器人软件人”( 基金号： 6 0 3 7 5 0 3 8 ) 的子项目之一。目前，本文主要工作是完成对软件人群网上迁移、协调、 协作等活动的控制管理及其实现，守护软件人的主要工作是为实现迁移而做的工作如 系统资源的信息获取、和功能软件的会话等机制；管理软件人在守护软件人的基础上 采用合理的迁移策略对功能软件人进行迁移；通信软件人负责各节点的网络通信。各 个软件人之间的分工与合作，我们采用怎样的控制策略，是本文及今后将进一步研究 工作。 1 1 2 软件人概念、定义及其描述 软件人是从广义人工生命观点出发，为了延伸扩展人的生命而提出的，生存于软 件环境，活动于软件世界( 特别是网络环境网络世界) 的，具有类似于人的活性( 思 维、感知、行为特性与信息处理、获取、利用功能) 的软件人工生命【1 】。软件人具有 拟人属性、拟人功能、拟人行为和拟人结构： 它的拟人属性a = a a u t o ，a a c t i ，a s e l 坞，a r e a c ，a m o b i ，a s o c i ) ，即自主性、 主动性、敏感性、反应性、机动性和社会性等； 它的拟人行为d - - d a d a p ，d e v o l ，d g e n e ，d a c t i ) ，即拟人适应、拟人进化、 拟人繁殖和拟人活动等； 它的拟人结构s _ s b ，s f , f a ，即软件人脑( 思维、信息处理) ，软件人感觉 器官( 感知、信息获取) ，软件人效应器官( 行为、信息利用) 等。 软件人模型可用下列五元组表示： s m = ( a ，f ，d ，s ，e ) 其中，a ，f ，d ，s ，e 均为集合( e 为环境因素集合) ，它们的元素是相应对象 的集合。如f 中的f w 是s m 的工作功能集合，f w = ( w iii = 1 ，2 ，3 ，n ) 。n 即 为s m 定义和实现的工作功能数。作为一个“活体”，软件人表现出来的是“行为”。 。行为”的启动、延续和停止就是软件人在网络时空中的活动轨迹。其状态v i = ( 状 态集合】，初态， 激发条件 ) 是刻画软件人活动的三要素，因此，软件人系统的活 动状态模型可用如下导出的六元组表示： s mla c t = ( s m ，v i ) = ( a ，f ，d ，s ，e ，v i ) 2 北京科技大学硕士学位论文 1 1 3 软件人的科学技术基础 软件人的科学技术基础包括：广义人工生命( g a l ：g e n e r a l i z e d a r t i f i c i a ll i f e ) 、 广义人工智能( g a i ： g e n e r a l i z e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 1 2 ，5 删和软件技术与软件工 程( s o f t w a r et c c l m o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) i i a 软件人的独立特征及类型 要明辨软件人的独立特征重要的是弄清软件人与“机器人”和“a g e n t s ”关系： 软件人是移动a g e n t s 的发展，是网络环境下物理机器人的“虚拟化”，它要继承“机 器人”和“a g e n t s ”的多方面技术成果。所以，软件人是在“分布式可移动智能体”、 “机器人”和“人工生命”等已取得的成果基础上提出来的，它不同于通常的“机器 人”和“a g e n t s ”。它具有“机器人”和“a g e n t s ”所不具备的本质特性。如：软件 人是纯软件的、无形体的、只在虚拟的网络空间里活动，而“机器人”是软硬件结合 的、有形体的、在三维物理空间活动；与“a g e n t s ”比较，软件人不仅具有更全面的 拟人智能、拟人行为( 拟人进化、拟人繁殖) 和功能，而且具有环境识别和自主决策 能力及自由意志。“机器人”和“a g e n t s ”的相关理论和技术成果为软件人的研究提 供了很好的基础和借鉴。 所以，软件人的独立特征是：网络居住( 包括迁移) 、实体虚拟、类人智慧、仿 人进化、环境识别和自主决策及自由意志 软件人类型： 1 ) 按软件环境分：网络软件、系统软件、工具软件、应用软件。 按信息功能分：信息获取、信息传输、信息处理、信息利用。 1 1 5 软件人主要研究内容 前面的图i i 中，包括下列具体研究内容： 1 ) 软件人的体系结构研究软件人将以“人工智能”、“智能机器人”和“人工生 命”相关方法、原理和技术为基础，采用拟人化的、以功能拓扑为主框架的 软件体系结构。 2 1 软件人的本体属性及功能的研究软件人具有自己的属性与特征。如：自主性、 主动性、敏感性、机动性和社会性等特性及名字、位置、类别等特征，这些 属性与特征是网络时空里软件人相互区别、相互识别的要素。软件人的功能 即人赋予它要做的工作的逻辑程序。软件人处理事务种类的多少取决于其功 能逻辑的数量。如：软件人对环境、“人群”及事件的反应，自身完备性检 查维护，行为驱动与控制，学习功能，完成某项网上工作等等。 3 北京科技大学硕士学位论文 3 ) 软件人间会话、协作模式与机制的研究在一个系统中存在两个及两个以上软 件人时即组成。软件人群”。软件人间采用何种机制进行会话交互是软件人 生存、活动、有效协调和准确迁移的重要保证。 4 1 软件人原型系统开发及其应用试验研制软件人的原型系统，并在“局部软件 人社区”( 之后在“广域软件人社区”) 环境里检测其活动、行为及功能，评 价和改进软件人的性能水准。 1 1 6 软件人具体特色和创新点 软件人的具体特色和创新点体现在以下5 方面： d “软件人”的体系结构研究与总体方案设计。“软件人”将以“人工智能”、 “智能机器人”和“人工生命”相关方法、原理和技术为基础，采用拟人化的、以功 能拓扑为主框架的软件体系结构。 劲“软件人”的本体属性及内部作用机制的研究。“软件人”具有自己的属性与 特征如：自主性、主动性、敏感性、机动性和社会性等特性及名字、位置、类别等 特征，这些属性与特征是网络时空里“软件人”相互区别、相互识别的要素。 “软件人”的功能及外部行为模式的研究。“软件人”的功能即人赋予它要做 的事情的逻辑程序。“软件人”处理事务种类的多少取决于其功能逻辑的数量。“软件 人”的外部行为模式是指。软件人”对环境、“人群”及事件的反应方式。 钔“软件人群”组织及“软件人”间会话、协作模式与机制的研究。“软件人群” 的组织管理是“软件人”生存，活动、协调和迁移的重要保证。正确的处理各种矛盾， 统筹兼顾、动态平衡、协调配合、全局优化是“软件人群”的组织原则。 研“软件人”原型系统开发及其系统性能分析与评价。试验研制“软件人”的 原型系统，并在“局部软件人社区”环境里检测其活动、行为及功能，评价和改进“软 件人”的性能水准。 1 1 7 软件人的关键理论技术和科学方法 软件人的关键理论技术问题有以下三个： 1 1 软件人体系结构与内部运行机制及其实现。机制的研究是体系结构确定之 后，能否将软件人原型化的重要条件。 2 ) 多软件人协作机制及其实现。多软件人体系是一个复杂系统，其组织机制更 加灵活，协作模式更加多样化。该问题是研究中的一个关键点。 3 1 软件人迁移管理与控制策略。软件人在网上迁移，就是在一个非一致性系统 中随机定位。软件人如何感知环境，环境又如何接纳软件人，采用何种管理控制策略 4 北京科技大学硕士学位论文 等是研究中的一个难点 针对上述三个关键问题( 软件人的体系结构与内部运行机制、会话机制与协作模 式、自由迁移) ，我们提出的解决思路和科学方法如下：软件人体系结构与内部运行 机制：根据“人工生命”方法和理论，利用人工神经系统与人工内分泌激素系统，模 拟人体内部“分工分区”双重管理体制( 包括“神经分区管理”体制与“激素分工 管理”体制) ，以及利用人工社会模型双重管理体制( 如：国家行政管理的“条块结 合”双重体制) 来解决软件人体系结构与内部运行机制问题。“软件人群”的组织及 会话协作模式：软件人具有拟人的性能和行为。如：自主性，主动性，敏感性，反应 性，机动性，社会性等。根据大系统控制论的“广义模型化”方法( g m m - - g e n e r a l m o d e l l i n gm e t h o d ) ，在分布式人工智能的多智体系统基础上，采用基于智能体的“拟 人智能管理”模型( h i m m h l 瑚a n o i di n t e l l i g e n tm a n a g e m e n tm o d e l ) ，来组建虚拟 的。软件人社区”。以此来解决软件人的群体组织和会话协作问题。 软件人进程迁移策略：软件人在网络空间由任务或指令驱动从一个局部到另一个 局部的过程称之为“迁移”。这种“迁移”给系统的管理带来了极大困难。解决这一 问题的主要理论技术是分布式人工智能( d 越) 和基于“人工生命”的智能管理。在 基于分布式人工智能的软件人系统中，研究软件人之间的协商、协作、协调和环境识 别等问题即控制策略问题；通过协调，进行协商，实现协作，达到将软件人从一 个局部“迁出”而“融入”另一局部的目的。成功的协调、协商、协作的方式和方法 是我们人调动迁移的必要手续和过程，由于软件人是虚拟的人工生命，研究模拟人类 社会团体中人员调动、户口迁移、户籍管理等是有借鉴意义的。 1 2 人工生命 1 2 1 人工生命概念 人工生命 2 , 3 1 就是指人造的生命，而非由碳水化合物有机形成的自然生命。但是， 象许多新兴学科一样，人工生命尚无统一的定义，不同的学科、不同的学者，可能会 有不同的看法。1 9 8 7 年，美国s a n t af c 研究所的c g l a n g t o n 教授首先提出了“人工 生命”( a r t i f i c i a ll i r e ) 的概念，并召开了第一次人工生命的研讨会。c i a n g t o n 认为 人工生命是“研究那些具有自然生命现象的人造系统”，“人工生命是这样的一个研究 领域：致力于去抽象出生命现象的基本动力学原理，并把这些原理运用到别的媒体一 一比如说计算机使得它们进入到这些媒体实现操纵和接受检验”。 人工生命是一门新兴的学科，是由生物学与人工科学相结合的科学，包括：物种 进化、遗传算法、自组织、自适应、智能体、生命现象模拟、生物与社会、基因工程、 一5 - 北京科技大学硕士学位论文 人工化学、生命动力学、人工生命哲学、人工生命方法论、算法、人工智能等有关研 究课题。它抽象地提取控制生物现象的基本动态原理，并且通过物理媒介( 如计算机) 来模拟生命系统动态发展过程的研究工作。 作为面向2 1 世纪的一门新兴的边缘科学，人工生命研究“具有自然生命特征和 现象的人造系统的理论模型生成方法和实现技术”目前国际、国内人工生命的研究 包括：数字生命、数字社会、数字生态环境、人工脑、进化机器人、虚拟生物、演 化算法 1 2 2 人工生命的研究内容 人工生命是对传统的生物学与生态学的研究方法的重要补充，人工生命并不以真 实模拟地球上已知的碳水化合物构成的生命形式为目标，因为不同媒体上创建的生命 形式会有自己的特征，但都应该具有生命的共同的本质特征。因此人工生命的研究有 助于揭示构成生命所需的最本质特征以及生命演化的最基本规律。 人工生命是一门综合性很强的学科，是集人体心理学、生理学、哲学、生物学、 遗传学、计算机科学等多种学科为一体的边缘学科。小到神经细胞模型，大到自然生 态系统乃至人类社会、国家之间的关系；低起生命行为，高到人脑模型，总之，生命 所涉及到的机理都是人工生命的研究范畴。 目前国际，国内人工生命的研究可分为包括以下几个方面旧l ： 1 ) 数字生命。所谓“数字生命”专指那些以电脑为工具和媒体，电脑程序为生命个 体的人工生命的研究，是试图用计算机来模拟生物学。 2 ) 数字社会。j o s h u am e p s t e i n 和r o b e r ta x t e l l 在计算机上创立了一个名为 s u g a r s c a p e 的数字社会。他们认为一个人工社会包含：一群具有自治能力的行为者、 一个独立的环境以及管理行为者之间、行为者与环境之间、以及环境各个不同要素之 间相互作用的规则。数字社会是由各个行为者自我组织形成的，由各个行为者在简单 规则的支配下，与人工环境交互作用突现形成的。 3 ) 数字生态环境。挪威的k e i t hd o w n i n g 提出了名为e u z o n e 的一个进化的水中的虚 拟生态环境，目的是提供一个观察生态系统是如何从原始状态进化以及复杂生态系统 突现行为的实验手段。它利用具体的物理和化学模型，结合进化规则建构以碳元素为 基础的水中生态环境，可以观察到低等动物的形体的进化及生存的竞争。 4 ) 人工脑。日本a t r 的进化系统部( e v o l u t i o n a r ys y s t e m sd e p a r t m e n t ) 开发了“人 工脑( a t t i f i c i a lb r a i n ) ”系统，“人工脑”不仅能够自发地形成新的功能，而且 能够自主地形成自身的结构。其研制者并不想单纯地再现生物大脑的功能和结构，而 6 北京科技大学硕士学位论文 是想得到在某些方面优于生物大脑的信息处理系统。 5 ) 进化机器人。传统自律机器人的层次化的设计方法使得机器人缺乏鲁棒性，误差 会沿着它的层次结构传递，各个模块之间缺乏一致性，对环境的变化反应迟缓。进化 机器人具有比传统机器人更快的速度和更好的灵活性，鲁棒性，进化算法可以比较容 易地植入到这样的系统中，其硬件，软件的设计以及测试费用都比以前要少。 6 ) 虚拟生物。人工生命原理以及高级计算机技术的出现使得人们开始研究视觉创建 过程( v i s u a lc r e a t i o np r e c e s s ) 。华人女学者涂晓媛用人工生命的方法进行计算 机动画的创作，利用动物形态、习性和行为模型，在不需任何“关键帧”的情况下， 成功地创作了“人工鱼”，用计算机实现了“人工动物”共有的基本特征生物力 学、运动、感知和行为。人工鱼是有着丰富行为活动的人工生命，每条鱼都是独立自 主的、有自激发功能的智能体，既有反射行为、又有主动行为，既有逼真的个体行为， 又有丰富的群体行为。它们是自主的、适于生活在连续、动态的三维虚拟世界中的虚 拟机器鱼。 7 ) 演化算法。这部分的研究主要是提供具有演化特征的算法，人工生命研究的重要 内容就是进化现象，遗传算法是研究进化现象的重要方法之一。许多新的算法正在研 究中 1 2 2 1 个体级人工生命 利用计算机软硬件构造具有生命特征的人工动物是人工生命研究的一个重要方 面，人工动物是指具有自然动物某些特征的、采用自动化、计算机、电子、机械等工 程科学技术设计和实现的人造动物。近些年来风靡全球同时也为商家带来巨大经济效 益的电子宠物，宠物狗、宠物鱼、宠物鸟等。这些小小的人造“生命”和真正的活物 一样，饿了会叫，烦了会闹，病了还得打针吃药。b r o o k s 研制的机器昆虫“g e n g h i s ”， 在众多传感器的帮助下，能够在不规则的地面上爬行( b r o o k s ，1 9 9 1 ) 。b e e r 用软件 构造了在二维世界中具有简单行为的虚拟昆虫一蟑螂( b e e r ，1 9 9 0 ) 。p a t t i em a e s 等人建立了一个“人工生命交互式视觉环境”，简称a l i v e ( m a e s ，b l u m b e r ge ta l ， 1 9 9 6 ) ，一个类似于狗的自主智能体能够根据实验者的不同姿势作出反应。t h a l m a n n 的虚拟人( t h a l m a n n ，1 9 9 5 ) ，具有仿真的简单视觉、触觉和听觉感受器，能够完成 诸如：跟随领导者、相互致意、甚至玩球类游戏的任务。 c h r i s t as o m e r e r 和l a u r e n tm i g n o n n e a u 在1 9 9 3 年构建了他们的第一个交互 式计算机装置“a - v o l v e ”( s o b e r e ra n dm i g n o n n e a u ，1 9 9 4 ；1 9 9 7 ) 。参观者可在触 摸屏上设计人工生物的外形，这些人工生物会“活”起来，不断演化。1 9 9 5 年他们 7 北京科技大学硕士学位论文 构建了另一个交互式装置“p h o t o t r o p y ”( s o m e r e ra n dm i g n o n n e a u ，1 9 9 7 ) ，参 观者可以喂养和复制虚拟的昆虫。1 9 9 6 年c h r i s t as o b e r e r 和l a u r e n tm i g n o n n e a u 又构建了一个交互装置“g e n m a - g e n t i c 4 a n i o p u l a t o r ”( s o b e r e ra n dm i g n o n n e a u ， 1 9 9 7 ) ，参观者能够通过操纵虚拟生物的基因，时实地创造和修改人工昆虫的形态。 1 2 2 2 群体级人工生命 人工生态系统的研究可以帮助理解自然生态系统的组成，预测人为因素对自然生 态系统的影响，对人类保护环境具有重要意义。 k l i n d g r e n 等人研究了人工生态系统的社会结构和协作行为( l i n d g r e ne ta l ， 1 9 8 8 ) ，l y a e g e r 的人工生态系统p o l y 霄o r l d ( y a e g e r ，1 9 9 4 ) 展示了几种生物体的 计算机模型和它们所生存的环境，y u s a m i 等人尝试用计算机恢复一个已不存在的生 态系统( u s a m ia n ds a b u r oe ta l ，1 9 9 8 ) ，k e i t hd o w n i n g 的水中生态系统e u z o n e ( d o w n i n g ，1 9 9 6 ) 使一个进化的虚拟生态环境，在这个由物理化学模型构建的以碳 元素为基础的水中环境中，蓝藻利用光和作用生成蛋白质，蛋白质又促使低等动物的 产生，低等动物从原始状态通过自由竞争不断进化。 本论文在软件人群的基础上模拟人类社会的组织模式构筑了软件人社会。使得软 件人具有更全面生命特征，软件人象人类一样在虚拟社会中生活，交流、长大、工作、 繁衍、衰老和死亡，构成了一个丰富多彩的虚拟的软件人社会。提高了软件人的自主 性和智能水平，促进自动化、计算机科技领域中“人工生命”、“人工智能”等新方法、 新技术的发展。同时也为进化生物学、行为生态学、动物行为学等的研究提供了模拟 环境和实验手段。 1 2 3 人工智能与人工生命的结合 人工智能的诞生，形成了计算机科学的新领域，开拓了计算机研究与发展的一些 新思维、新方法。人工智能在知识获取、知识表达、推理方面取得了卓越成就，专家 系统在许多领域得到应用。但是，人工智能多年的研究，其成果所达到的智能水平却 不尽人意。虽然目前人的智能行为的机器再现，在一些具体的专家系统中获得了成功， 但另一方面，在视觉等感知能力、形象思维以及联想记忆等，传统的人工智能遇到了 不可克服的困难。在稍微复杂一点的环境系统中，对人类的一些常识性问题，人工智 能却无能为力。 人工生命研究的是基本的自然行为，强调的是生命体在复杂动态的环境中的生存 能力。人工智能的研究目标之一就是模拟复杂的生物过程，如学习和记忆等。这些自 然功能是数百万年来生物进化的结果。现在，人们开始利用这一机理来研究人工生命。 8 北京科技大学硕士学位论文 它结合了生物科学领域的一些新技术、新观点，将人工智能的研究带入一个崭新阶段 我们知道人工智能领域其实涉及许多复杂的专业和领域，甚至是一些未知的领域。单 一强调某方面，都是不可能达到预期目的的。由于人工智能本身的特殊性，仅仅依靠 传统的计算机模式是无法满足我们的需要的，所以必须与多种学科相结合。尤其是生 命科学的结合，才能有所突破，解决问题。所以人工生命是实现人工智能的必经之路。 1 3 分布式人工智能( d 越) 理论 软件人是一种软件人工生命，是分布式人工智能【9 1 0 1 l 1 2 ，1 3 l 在计算机软件中的应 用，是在动智体的基础上提出来的。 1 3 1 动智体( m o b i l e a g e n t ) 概念技术 从本质上说，动智体是一个程序，它可以移动在计算机网络，例如w w w ，与外 部的主机交互作用，为它自己的主机收集信息，完成它的用户交给的任务后返回。动 智体可完成从订机票到管理电讯网络等多种任务。动智体具有自主性，并且可互相合 作。例如，通过一个智体将其内部对象的位置和通信方法告诉其它的智体，智体之间 即可完成合作和通信的任务。通过这种方法，智体可与其它智体交换数据或信息，而 不必将其所有的信息都告诉其它智体。 动智体的主要特性是：智体不是固定的。在很多应用场合，使用动智体而不用静 智体，会产生很大的益处。动智体主要有以下特点： 1 1 机动性能：动智体可以在异构信息网络和分布式计算环境中自主地，主动 地流动或移动，携带信息，或寻找适当的信息资源，进行就地的信息处理， 异构、异步计算：动智体可以支持异构计算机软、硬件环境，能进行异步 通信和计算。动智体可以在网络的任意结点上，将程序运行过程暂停，它移 动刭另一个结点上，再从暂停点恢复程序继续运行，待任务完成后将结果传 送给用户。 3 1 减少通讯费用：传送大量的原始信息不但费时还容易阻塞网络。假设我们必 须传送很多图象文件，但我们只需要其中的一幅。如果将智体输送到存储图 象的地点，进行局域搜索后，只将选定的压缩图象通过网络传送回来，将大 大减小远程计算机网络的连接费用。 钔易协调性：动智体很容易协调一些远程、独立的请求，并在当地比较、处 理所得的结果，只需很少的当地资源。 习灵活的分布、并行计算结构：动智体提供了一个独特的分布计算体系结构， 它与静智体的功能是不同的。为完成某项任务，用户可以创建多个智体，将 - 9 北京科技大学硕士学位论文 它们同时在相同或不同的结点上运行。动智体的并行性可将单一结点的负荷 分散到网络的多个结点上，将使小系统拥有处理大规模、复杂问题的能力。 动智体的实现技术有三个主要组成部分：对智体和地点进行编程所使用的语言； 针对这种语言所设计的引擎或称为解释器；引擎在不同的计算机上交换智体所需要的 通信协议。 1 1 动智体的语言 动智体的语言是对动智体基本操作的封装，可以在用户计算机上使智体与用户交 互，也可以使智体与迁移后的本地数据库交互。它主要有以下主要特性：完整性、动 态性、持续性、可移动性和安全性、通信的集中性。 2 ) 动智体的引擎 在用户计算机上的引擎可以容纳多个地点和智体，在服务器上的引擎可以容纳几 千个地点和智体。引擎通过以下三个应用程序接口( a p b ) 来利用其主机的资源，它 们分别是存储a p i ，运送a p i 和外部应用a l l 。存储a l l 使引擎访问固定内存，固定 内存确保计算机发生故障时，仍能保存地点和智体；运送a p i 使引擎访问通信媒体， 通信媒体是引擎运送智体到其它引擎所必需的。 3 1 通信协议 动智体系统的协议组使两个引擎间能进行相互通信。引擎间通信的目的是为了运 送智体，以完成“g o ”指令，协议组可以在各种网络上执行，如基于t c p 1 1 协议的 i n t e r a c t 网络。动智体协议在两个层次上工作，低层协议负责智体的运送；高层协议 负责智体的编码和解码，它与o s i 模型的表达和应用层相对应。 1 3 2 面向“智体”( a g e n t o r i e n t e d ) 的软件设计思想 在各种关于a g e n t 的概念或定义的论述中，都认为a g e n t 是客观世界中的实体， 是驻留于、活动于真实的或虚拟的复杂动态环境中的实体。如： 软件a g e n t ( s o f t w a r ea g e n t ) 软件a g e n t 是驻留于、活动于软件系统中的软件实体，例如t a s k a g e n t ( 任 务智体) ， r e s o u r c ea g e n t ( 资源智体) ，i n t e r f a c ea g e n t ( 界面智体) ， i n f o r m a t i o n a g e n t ( 信息智体) ，c o l l a b o r a t i v e a g e n t ( 合作智体) ，d a t am i n i n g a g e n t ( 数据采掘智体) 等。 硬件a g e n t ( h a r d w a r ea g e n t ) 硬件a g e n t 驻留于、活动于硬件系统的硬件实体，例如，在机器人足球比 赛场上活动着的各种机器人 1 0 北京科技大学硕士学位论文 动固a g e n t ( a n i m a t i o n a g e n t ) 动画a g e n t 是驻留于、活动于动画屏幕上的虚拟世界中的动画角色实 体，例如，在人工鱼社会的虚拟海洋中栖息、活动着各种人工鱼。 网络a g e n t ( w e b a g e n t ) 网络a g e n t 是活动于、驻留于网络世界中的实体，例如：m o b i l e a g e n t ( 流 动智体) ，s e a r c ha g e n t ( 搜索智体) ，c o m m u n i c a t i o na g e n t ( 通信智体) ， i n t r u s i o nd e t e c t i o n a g e n t ( 入侵监测智体) 一一等。 而新一代的程序设计方法，也由面向“对象”的程序设计方法向面向“智体”的 程序设计方法( a g e n t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 发展。由于“智体”( a g e n t ) 是“对 象”( o b j e c t ) 的升华，是具有自主性、主动性的智能化、拟人化的“对象”，是具有 拟人智能特性的“实体”。因而，面向“智体”的( a - o ) 方法不仅继承了面向“对 象”( 0 - 0 ) 和面向“模块”( m o ) 方法的优点，具有：通用性、模块性、重用性、 扩展性、移植性，而且，进一步发展了面向“对象”和面向“模块”的方法，提高了 软件系统智能性、互操作性、灵活性、编程效率和程序自动化水平、智能化水平。 1 1 北京科技大学硕士学位论文 2 软件人社会结构模型 2 1 软件人系统逻辑层次结构模