一種基于Agent的通訊模型設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

許新華， 龔雄濤， 唐勝群

（①湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000；②武漢大學(xué)軟件工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430072）

0 引言

人工智能作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要分支，它的目標(biāo)就是構(gòu)造能表現(xiàn)出一定智能行為的Agent。 面向Agent的程序設(shè)計(jì)被認(rèn)為是軟件發(fā)展的下一個(gè)重大突破和新的軟件革命，很可能成為繼面向?qū)ο蟮牡谖宕绦蛟O(shè)計(jì)語言之后的第六代語言[1]。廣義上的Agent 指具有智能的任何實(shí)體，包括人類、智能硬件(如機(jī)器人)和智能軟件。智能軟件Agent是一種新的智能技術(shù)，目前人們對(duì)Agent的研究大致可分為智能Agent、多Agent系統(tǒng)(Multi-Agent System，簡(jiǎn)稱 MAS)和面向 Agent的程序設(shè)計(jì)這 3個(gè)相互關(guān)聯(lián)的方面[2]。

1 Agent概述

1.1 Agent的概念及特性

關(guān)于 Agent的概念，下面是一些典型的觀點(diǎn)[3]：Agent是一個(gè)為完成某一特定任務(wù)而持續(xù)運(yùn)行的軟件實(shí)體；Agent是通過代理你完成某項(xiàng)任務(wù)來模擬人類關(guān)系的計(jì)算機(jī)程序；Agent是一個(gè)可被委托任務(wù)的軟件實(shí)體；Agent是處在某個(gè)環(huán)境中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有能力在這個(gè)環(huán)境中自主行動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)它們的設(shè)計(jì)目標(biāo)。歸納起來，軟件Agent可定義為“一個(gè)能夠根據(jù)它對(duì)其環(huán)境的感知，主動(dòng)采取決策和行為的軟件實(shí)體”。一般而言，Agent具有下列幾個(gè)關(guān)鍵特性[4]：自主性、社會(huì)性、適應(yīng)性、持續(xù)性、推理和規(guī)劃能力、移動(dòng)性、進(jìn)化性。

1.2 Agent的類型

（1）思考型Agent

思考Agent也稱為認(rèn)知Agent，是一種符號(hào)AI，它保持了經(jīng)典人工智能的傳統(tǒng)，是一種基于知識(shí)的系統(tǒng)，包括環(huán)境和智能行為的邏輯推理能力。

（2）反應(yīng)型Agent

符號(hào)AI的特點(diǎn)和種種限制給思考型Agent帶來了很多尚未解決、甚至根本無法解決的問題，這就導(dǎo)致了反應(yīng)型Agent(Reactive Agent)的出現(xiàn)。

（3）混合型Agent

混合型 Agent(Hybrid Agent)綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的靈活性和快速響應(yīng)性。

2 多Agent系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱MAS)及其內(nèi)部組織

Agent的應(yīng)用主要是以多個(gè)Agent協(xié)作的形式出現(xiàn)。MAS的求解問題的能力超過單個(gè) Agent，MAS是分布式人工智能研究的前沿領(lǐng)域，是指多Agent之間相互協(xié)調(diào)，相互服務(wù)，共同完成一個(gè)任務(wù)。MAS研究的主要內(nèi)容包括任務(wù)的分解和分配、Agent間的協(xié)同、通訊以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)組織與動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡[5]。

2.1 MAS的特性

MAS是一個(gè)松散耦合的Agent網(wǎng)絡(luò)，這些Agent通過交互、協(xié)作進(jìn)行問題求解（所解問題一般是單個(gè) Agent能力或知識(shí)所不及的），其中的每一個(gè)Agent都是自主的，它們可以有不同的設(shè)計(jì)方法和語言開發(fā)而成，因而可以是完全異質(zhì)的。

2.2 Agent的組織

Agent組織架構(gòu)采用的是一種樹型層次結(jié)構(gòu)的組織方式，根據(jù)系統(tǒng)種各Agent所擔(dān)負(fù)的職能和所在的層次的不同，將其分為三個(gè)大類:管理Agent、輔助Agent和功能Agent。

（1）組中Agent的層次

在MAS系統(tǒng)構(gòu)架模型中(見圖1 MAS系統(tǒng)中組內(nèi)結(jié)構(gòu))，一個(gè)MAS包括一個(gè)或多個(gè)組(Group),組內(nèi)Agent分為上下兩層，上層是管理Agent和輔助Agent,FA1, FA2,…,FAi,…, FAn，其中MA是管理Agent, AA是輔助Agent, FA是功能Agent,各功能Agent在管理Agent與輔助Agent的管理和協(xié)同下協(xié)作完成某一任務(wù)。

（2）Agent組GROUP

定義在問題求解過程中所需要的所有管理 Agent、功能Agent和輔助Agent的集合為一個(gè)Agent組。在系統(tǒng)中，Agent組是由具體的待求解問題的提出而產(chǎn)生的、為協(xié)同完成某一個(gè)任務(wù)臨時(shí)組成的動(dòng)態(tài)組織結(jié)構(gòu)。

2.3 Agent間的協(xié)作與通信

Agent采取聯(lián)合規(guī)劃的通訊協(xié)作方式進(jìn)行協(xié)作，Agent間的通信是系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的問題。操作性較好的通信方式，以“黑板”最為著名，也有人提出了介于黑板方式和預(yù)定點(diǎn)方式之間的類黑板方法[6](Similarity Blackboard Approach)。

每個(gè)GROUP在所屬的MAS里是被唯一標(biāo)識(shí)的，每個(gè)GROUP中包含至少一個(gè)Agent，而每個(gè)Agent在所屬的MAS內(nèi)也是被唯一標(biāo)識(shí)的。Agent必須具有通信的能力才能執(zhí)行任務(wù)，本MAS系統(tǒng)采用人工智能領(lǐng)域中經(jīng)典模型—黑板模型結(jié)構(gòu)(Black Board Architecture，BBA，見圖2)描述多Agent系統(tǒng)之間的通信方法。本模型試圖實(shí)現(xiàn) Agent間的單播(Unicast)通信、多播(Multicast)通信、選播(Anycast)通信、廣播 (Broadcast) 通信，從而保證多 Agent系統(tǒng)的協(xié)同工作效率。本系統(tǒng)需要解決如下3類通信：

① GROUP內(nèi)的單播、多播和廣播通信；

② 不同GROUP間的單播、組播、廣播和選播通信；

③ 單個(gè)Agent向MAS的廣播。

同一個(gè)組內(nèi)各Agent間發(fā)送消息的通信原語為：

Send_Message(Sender，Receiver，Message)：

① 當(dāng) Agent進(jìn)行單播通信時(shí)，通信原語為：Send_Mesaage(Agent A1，Agent A2，Message)；

② 當(dāng) Agent進(jìn)行多播通信時(shí)，通信原語為：Send_Message(Agent A1，Multicast(A)，Message)；

其中，Multicast(A)={A2，A3，… ，Ak}，Ai(i=1，2，…，k) 為該通信單元內(nèi)除了發(fā)送Agent外任意的其他Agent；

③ 當(dāng) Agent進(jìn)行廣播通信時(shí)，通信原語為：Send_Message(Agent Al， Group(default)， Message)， 其 中 ，Group(default)為發(fā)送Agent所在通信單元。

3 TTMAS通訊模型設(shè)計(jì)

MAS內(nèi)對(duì)于 Agent的組織不僅要滿足一個(gè)智能系統(tǒng)需要的恰當(dāng)?shù)膶哟谓Y(jié)構(gòu)，還應(yīng)滿足Agent間的通信路由最優(yōu)，人們求解問題的過程實(shí)質(zhì)上是把問題分解和細(xì)化的過程，最終可以將問題分解為1棵樹。因此，本系統(tǒng)構(gòu)造了一個(gè)樹形拓?fù)涞亩?Agent系統(tǒng)(Tree Topology Multi-Agent System，TTMAS)。

3.1 樹形拓?fù)涞亩郃gent系統(tǒng)TTMAS的構(gòu)建

TTMAS通信模型如下頁圖3所示，整個(gè)通信模型呈樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，TTMAS中根節(jié)點(diǎn)是命名服務(wù) Agent(NameServer-Agent)。該Agent擁有一個(gè)全局性的共享知識(shí)交換區(qū)，與 Agent命名服務(wù)器水平直接相連的 Agent為 MAS門戶Agent (MAS Gateway Agent，MGA)，它為不同MAS間的通信起紐帶作用；在TTMAS中每個(gè)節(jié)點(diǎn)Agent都擁有自己區(qū)域的共享知識(shí)交換區(qū)，并且都能起到路由的作用，所以，該通信模型能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)全局的通信服務(wù)。

3.2 TTMAS不同GROUP間的單播、組播、廣播和選播通信

不同組中各 Agent間發(fā)送消息的通信原語為：Send_Message(Sender，Receiver，Message)。

① 當(dāng)不同組間Agent進(jìn)行單播通信時(shí)，通信原語為：

Send_Message(Agent Al，Group(B)：：Agent Al，Message)；

② 當(dāng)不同組間Agent進(jìn)行多播通信時(shí)，通信原語為：

Send_Message(Agent Al，Multicast(B)，Message)；

③ 當(dāng)Agent進(jìn)行不同組間的廣播通信時(shí)，通信原語為：

Send_ Message(Agent Al，Group(B)，Message)；

④ 當(dāng)Agent進(jìn)行選播通信時(shí)，通信原語為：

Send_Message(Agent Al，Group(B)：：Any，Message)。

3.3 單個(gè)Agent向MAS的廣播

當(dāng)Agent對(duì)MAS廣播時(shí)，通信原語為：

Send_Message(Agent Al，ALL，Message),

其中：ALL為MAS內(nèi)所有Agent。

4 TTMAS通訊模型的應(yīng)用

在數(shù)據(jù)庫語義查詢優(yōu)化中運(yùn)用TTMAS通訊模型，做了二次模擬實(shí)驗(yàn)[7]，主要差別在于圖書登記表BOOKS容量的區(qū)別，第一次它有2萬個(gè)元組，第二次它有5萬個(gè)元組，二次模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果見表1。

表1 二次 SQMAS模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

理論分析和模擬對(duì)比試驗(yàn)表明，利用TTMAS模型設(shè)計(jì)的語義查詢優(yōu)化算法能夠顯著地提高查詢效率，對(duì)于中間結(jié)果可能出現(xiàn)100，000條元組的查詢操作而言，采用該TTMAS通訊模型，整體運(yùn)行時(shí)間可以節(jié)約30%以上；并且可以推測(cè)（見圖4和圖5），關(guān)系元組數(shù)目越大，查詢效率越高。

5 結(jié)語

Agent技術(shù)誕生至今的20多年的時(shí)間里， 已經(jīng)逐漸成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和人工智能的研究熱門甚至被一些文獻(xiàn)稱為“軟件開發(fā)的又一重大突破”。究其原因，主要是因?yàn)樗鼮榉治觥⒃O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)分布式信息系統(tǒng)提供了一種嶄新的方法。早在1991年Rao和Georgff就建立了基于BDI（信念，需求，意圖）觀念的Agent邏輯框架[8]。本文通過構(gòu)建一個(gè)多Agent系統(tǒng)(Multi-Agent System)，解決了多個(gè)Agent之間的組織結(jié)構(gòu)；Agent間的通信采用“類黑板”的通信方式；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè) TTMAS通訊模型，并以數(shù)據(jù)庫的查詢?yōu)槔隽藢?shí)證研究，整體效果良好，體現(xiàn)了 Agent的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 李賀華，林婧，單光慶.基于 Agent的 Web信息檢索應(yīng)用研究[J].通信技術(shù)，2009,42(08):135-136.

[2] 劉大有，楊鯤. Agent研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].軟件學(xué)報(bào)，2003，11(03):315-321.

[3] 王一賓，李心科，劉桂江.軟件Agent技術(shù)與軟件體系結(jié)構(gòu)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,41(02):30-34.

[4] 李國徽,王洪亞.基于Agent的網(wǎng)上協(xié)同學(xué)習(xí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)[J].微型電腦應(yīng)用，2004,19(03):43-45.

[5] 李志芳，馮秀芳.基于模糊模型的多Agent故障診斷系統(tǒng)的研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,36(02):20-23.

[6] 李毅，羅詡，石純一.多Agent系統(tǒng)的一種交互策略[J].軟件學(xué)報(bào)，2004,10(07):9-12.

[7] 許新華.并行數(shù)據(jù)庫的語義查詢優(yōu)化研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,8(04):77-81.

[8] 張鋒，尹東，吳文宇.基于Agent技術(shù)的遙感圖像檢索[J].通信技術(shù)，2008,41(10):119-121.