分布式人工智能

高级人工智能第十章分布式人工智能史忠植

中国科学院计算技术所2023/1/121内容10.1概述10.2分布式问题求解10.3主体10.4主体理论10.5主体结构10.6主体通信10.7主体的协调与协作10.8多主体环境MAGE2023/1/12210.1概述分布式人工智能主要研究在逻辑上或物理上分散的智能系统如何并行的、相互协作地实现问题求解。两种解决问题的方法：自顶向下：分布式问题求解自底向上：基于主体的方法2023/1/123分布式人工智能系统的特色系统中的数据、知识,以及控制不但在逻辑上,而且在物理上是分布的,既没有全局控制,也没有全局的数据存储。各个求解机构由计算机网络互连,在问题求解过程中,通信代价要比求解问题的代价低得多。系统中诸机构能够相互协作,来求解单个机构难以解决,甚至不能解决的任务。2023/1/124分布式人工智能系统的主要优点提高问题求解能力。提高问题求解效率。扩大应用范围。降低软件的复杂性。2023/1/12510.2分布式问题求解特点：数据、知识、控制均分布在系统的各节点上，既无全局控制，也无全局数据和知识存储。两种协作方式：任务分担结果共享2023/1/12610.2.1分布式问题求解系统分类根据组织结构，分布式问题求解系统可以分为三类：层次结构类平行结构类混合结构类2023/1/12710.2.2分布式问题求解过程分布式问题求解过程可以分为四步：任务分解任务分配子问题求解结果综合2023/1/128分布式问题求解系统中协作的分类按节点间协作量的多少，协作分为三类：全协作系统无协作系统半协作系统常用的通信方式有：共享全局存储器信息传递黑板模型2023/1/12910.3主体多主体系统主要研究在逻辑上或物理上分离的多个主体协调其智能行为，即知识、目标、意图及规划等，实现问题求解。可以看作是一种由底向上设计的系统。2023/1/1210主体的思想想智能主体的的几个典型型的实例：：Microsoft的Office助手计算机病毒毒（破坏主主体）计算机游戏戏或模拟中中的智能角角色贸易和谈判判主体（如如Ebay的拍卖主体体）网络蜘蛛WebSpider（搜索引擎中中的数据搜搜集和索引引主体，如如Google）2022/12/3111主体概念的的出现面向过程的的方法面向实体的的方法面向对象的的方法面向主体的的方法软件开发方方法的进化化2022/12/3112主体的定义义在计算机和和人工智能能领域中，，主体可以以看作是一一个实体，，它通过传传感器感知知环境，通通过效应器器作用于环环境。2022/12/3113主体体的的特特性性主体体弱弱概概念念：：自治治性性、、社社会会能能力力（（可可通通信信性性））、、反反应应能能力力、、自自发发行行为为主体体强强概概念念：：知识识、、信信念念、、意意图图、、承承诺诺等等心心智智状状态态其它它属属性性：：长寿寿性性、、移移动动性性、、推推理理能能力力、、规规划划能能力力、、学学习习和和适适应应能能力力、、诚诚实实、、善善意意、、理理性性2022/12/311410.4主主体体理理论论智能能主主体体的的理理论论模模型型研研究究主主要要从从逻逻辑辑、、行行为为、、心心理理、、社社会会等等角角度度出出发发，，对对智智能能主主体体的的本本质质进进行行描描述述，，为为智智能能主主体体系系统统创创建建奠奠定定基基础础。。2022/12/3115理理性性主主体体（（BDI主体体））Belief————信念念，，主主体体对对环环境境的的基基本本看看法法。。Desire————愿望望，，主主体体想想要要实实现现的的状状态态，，即即目目标标。。Intention————意图图，，目目标标的的子子集集。。2022/12/3116BDI主体体模模型型BDI主体体模模型型可可以以通通过过下下列列要要素素描描述述：：一组组关关于于世世界界的的信信念念；；主体体当当前前打打算算达达到到的的一一组组目目标标；；一个个规规划划库库，，描描述述怎怎样样达达到到目目标标和和怎怎样样改改变变信信念念；；一个个意意图图结结构构，，描描述述主主体体当当前前怎怎样样达达到到它它的的目目标标和和改改变变信信念念。。2022/12/3117BDI解释释器器BDI-Interpreterinitialize-state();dooptions:=option-generator(event-queue,B,G,I);selected-options:=deliberate(options,B,G,I);update-intentions(selected-options,I);execute(I);get-new-external-events();drop-successful-attitudes(B,G,I);drop-impossible-attitudes(B,G,I);untilquit2022/12/3118RAO逻辑框架目标：以一种种自然的方式式描述多主体体系统中关于于别的主体的的状态的推理理过程。系统的分类：：由于多主体体系统太复杂杂，建立一种种通用的推理理模式的想法法是不现实的的，有必要对对系统分类以以便区别对待待。常识的获得：：和单个主体体情形一样，，常识问题是是阻碍推理的的大难题。2022/12/311910.4.4换位推推理基本思想：为为了对某个主主体j的状况和行为为进行推理，，推理者假想想自己正处于于主体j所处的环境，，然后推理者者把他自己在在那种环境下下的将要处于于的状况和行行为作为推理理者对于主体体j的状况和行为为的推理结果果。形式化表示：：2022/12/312010.4.5动作理理论情景演算是描描述动作的主主要的形式框框架。在情情景演算中引引入了状态和和动作的概念念，并利用两两条逻辑公理理来描述动作作与状态的关关系。一条公公理描述一个个动作在满足足什么条件的的状态之下可可能发生，另另外一条描述述在一个状态态之下某个动动作发生以后后当前状态如如何改变。2022/12/3121规划库的形式式化表示环境状态：State={P1,P2,…Pn}目标：Goal=<State,weightiness>动作模板：Act_template=<name,roles,preconditions,effects,resources>主体能力：Ability=<Act_template,role,cost>2022/12/312210.5主体体结构主体结构需要要解决的问题题包括：主体由那些模模块组成，模块之间如何何交互信息，，主体感知到的的信息如何影影响它的行为为和内部状态态，如何将这些模模块用软件或或硬件的方式式组合起来形形成一个有机机的整体。2022/12/3123主体基基本结结构环境主体感知作用黑箱软软件主主体2022/12/3124智能主主体的的工作作过程程环境交互信息融融合信息处处理作用交互感知作用2022/12/3125主体骨骨架程程序functionSkeleton-Agent(percept)returnactionstatic:memory/*主体的的世界界记忆忆*/memory←←Update-Memory(memory,percept)action←←Choose-Best-Action(memory)memory←←Update-Memory(memory,action)returnaction2022/12/3126主体的的分类类根据人人类思思维的的层次次模型型，可可以将将主体体分成成四类类：反应主主体形象思思维主主体抽象思思维主主体复合式式主体体形象思思维主主体和和抽象象思维维主体体也可可以合合称为为认知知主体体2022/12/3127反反应应主体体环境当前世世界传感器器动作作效应器器条件-动作作规则主体2022/12/3128反应主主体程程序functionReactive-Agent(percept)returnsactionstatic:rules,/*一组条条件-动作作规则则*/state←←Interpret-Input(percept)rule←←Rule-Match(state,rules)action←←Rule-Action[rule]returnaction2022/12/3129认认知知主主体体环境信息息融融合合传感感器器动作作效应应器器主体体规划划知识识库库目标标内部部状状态态2022/12/3130认知知主主体体程程序序functionCognitive-Agent(percept)returnsactionstatic:environment,/*描描述述当当前前世世界界环环境境*/kb,/*知知识识库库*/environment←←Update-World-Model(environment,percept)state←←Update-Mental-State(environment,state)action←←Decision-Making(state,kb)environment←←Update-World-Model(environment,action)returnaction2022/12/3131BDI结构构知识信念规划意图图目标标愿望望2022/12/3132复复合式式主体决策生成成规划划反射射建模模通信信感知知行动动其他智能主体体智能主体体外部世界界预测协作与协协商动作请求或应应答信息息一般情况紧急情况和简单情况2022/12/3133规划模块块世界的模模型（包括其其他主体的模模型）经验验库库目标集合合局部规规划划器决策生生成成重新规划规划规划目标2022/12/3134建模模块块世界的模模型（包括其其他主体的模模型）模型型库库模型型生生成成和和维维护护预测测规划决策生成成感知知通信信建模2022/12/3135通信模块块词法法库库语法法库库词义义库库物理通信信语言生成成语言理解解通信2022/12/313610.6主体体通信策略略对话话消息息黑板板协议议通信协作协议议2022/12/3137主体通信中中的主要问问题2022/12/3138主体间的消消息传递消息发送/传输服务务器转换到传输输格式从传输格式式转换消息M言语行为意图I目标GAgenti消息MAgenti2022/12/3139本体论本体论是概概念化的明明确的表示示和描述。。对某一领域域中的概念念有共同理理解，可以以提高交流流和协作的的效率，从从而提高了了软件的重重用性。2022/12/3140言语行为有关言语行行为理论的的研究主要要集中在如如何划分不不同类型的的言语行为为。在主体通信信语言的研研究中，言言语行为理理论主要用用来考虑主主体之间可可以交互的的信息类型型。2022/12/3141FIPA通信动作库库AcceptProposal接受提议Agree同意Cancel取消CallforProposal要求提议Confirm确认Disconfirm确认为否定定Failure失败Inform通知InformIf通知是否否InformRef通知有关关对象NotUnderstood不理解2022/12/31422022/12/3143交互协议议主体之间间的会话话常常形形成典型型模式，，这种情情况下某某些消息息序列是是可知的的，这些些消息交交换的典典型模式式称为协协议。主体间交交互的理理想情况况：主体体充分地地理解消消息的含含意和意意图，然然后根据据自身的的信念、、目标等等心智状状态，做做出相应应的回答答比较实际际的实现现：预先先规范这这些协议议，规定定好消息息的顺序序。2022/12/3144FIPA英国拍卖卖协议2022/12/3145通信语言言KQML：由美国ARPA的知识共共享计划划中提出出，规定定了消息息格式和和消息传传送系统统，为多多主体系系统通信信和协商商提供了了一种通通用框架架。ACL：：由FIPA制定的一一种规范范。与KQML非常相似似2022/12/3146KQML一个例子子：(ask-all:senderA:receiverB:in-reply-toido:reply-withidl:languageProlog:ontologyfoo:content““bar(X,Y)”)2022/12/3147FIPAACL(inform:senderagent1:receiverhpl-auction-server:content(price(bidgood02)150):in-reply-toround-4:reply-withbid04:languages1:ontologyhpl-auction)消息结构构开始通信动作作类型消息参数数消息内容容表达式式参数表达达式2022/12/3148XML—eXtensibleMarkupLanguage可扩展标记语语言XML是用于标记电电子文件使其其具有结构性性的标记语言言。XML文件本身只是是将文件资料料结构化。例如：下面的的ACL消息(inform:senderjklabrou:receivergrosof:content(CPUlibretto50pentium):ontologylaptop:languagekif)2022/12/31492022/12/31502022/12/315110.７主体体的协调与协协作协调(coordination)与协作(cooperation)是多主体研究究的核心问题题之一。协调是指一组组智能主体完完成一些集体体活动时相互互作用的性质质。协作是非对抗抗的主体之间间保持行为协协调的一个特特例。2022/12/3152协调多主体系统中中的协调是指指多个主体为为了以一致、、和谐的方式式工作而进行行交互的过程程。进行协调调是希望避免免主体之间的的死锁或活锁锁。死锁指多个主主体无法进行行各自的下一一步动作；活锁指多个主主体不断工作作却无任何进进展。2022/12/3153协作目前针针对主主体协协作的的研究究大体体上可可分为为两类类：将其它它领域域研究究多实实体行行为的的方法法和技技术用用于主主体协协作的的研究究。如如对策策论和和力学学研究究。从主体体的目目标、、意图图、规规划等等心智智态度度出发发来研研究多多主体体间的的协作作。2022/12/3154协作规规划协作的的动机机：某个主主体相相信通通过协协作能能带来来好处处（如如提高高效率率，完完成以以往单单独无无法完完成的的任务务）多个主主体在在交流流的过过程中中，发发现它它们能能够通通过协协作来来实现现更大大的目目标。。2022/12/3155协作过过程产生需需求、、确定定目标标协作规规划、、求解解协作作结构构寻求协协作伙伙伴选择协协作方方案实现目目标评估结结果2022/12/315610.8多多主体体环境境MAGEMAGE的主要要特点点：运行于于分布布式网网络环环境用java编写使用模模块化化的能能力通过ADL来描述述并生生成主主体主体之之间通通过ACL通信2022/12/315710.9面面向主主体的的软件件技术术在面向向主体体的软软件开开发方方法中中，应应用程程序编编写为为软件件主体体，这这些主主体之之间通通过主主体通通信语语言可可以进进行比比普通通消息息传递递更规规范、、更明明确的的通讯讯。2022/12/3158主体与与对象象的异异同共同点点：都具有有封装装性、、继承承性和和多态态性。。对象的的内部部状态态映射射为主主体的的心智智状态态。互操作作。不同点点：主体具具有自自治性性，对对象只只能被被动的的被调调用。。主体之之间交交互使使用通通信语语言，，对象象之间间交互互是通通过互互相调调用方方法。。2022/12/3159AO与OO对象象是是对对现现实实世世界界中中的的被被动动实实体体的的抽抽象象，，主主体体是是对对主主动动实实体体的的很很好好的的抽抽象象。。主体体支支持持用用于于表表示示智智能能的的结结构构，，如如信信念念、、承承诺诺等等。。主体体支支持持基基于于言言语语行行为为理理论论的的高高级级交交互互，，不不同同于于对对象象之之间间频频繁繁的的消消息息发发送送和和接接收收。。对象象是是通通过过外外部部来来进进行行控控制制的的（（白白箱箱控控制制）），，相相反反，，主主体体有有自自治治性性，，不不能能直直接接从从外外部部进进行行控控制制（（黑黑箱箱控控制制））。。2022/12/3160主要要的的基基于于主主体体的的方方法法Gaia方法法：Wooldridge，Jennings和Kinny在1999年提提出出了了面面向向主主体体分分析析与与设设计计的的Gaia方法法学学。。多主主体体工工程程方方法法学学：Wood和DeLoach提出出了了多多主主体体工工程程方方法法学学MaSE。AUML：：Odell等人人提提出出了了对对UML语言言的的扩扩充充————主主体体UML语言言AUML语言言。。2022/12/3161Gaia方法法Gaia是一一种种同同时时支支持持微微观观级级（（主主体体结结构构））和和宏宏观观级级（（主主体体社社会会与与组组织织结结构构））的的主主体体开开发发的的一一般般方方法法。。分析析过过程程第一一步步是是找找到到系系统统中中的的角角色色，，第二