面向Agent軟件工程方法的研究

李麗

青海廣播電視大學(xué) 青海 810001

0 引言

面向?qū)ο蟮挠?jì)算思想強(qiáng)調(diào)直接從待解的問題域出發(fā)，認(rèn)為現(xiàn)實(shí)世界是由具有本質(zhì)特征的事物組成，可以根據(jù)這些本質(zhì)特征將其抽象為系統(tǒng)的基本單位—對象，通過對象間的分工和合作構(gòu)成現(xiàn)實(shí)世界運(yùn)行，并利用封裝、繼承等機(jī)制來構(gòu)建計(jì)算系統(tǒng)。而面向Agent的計(jì)算是一種基于Agent社會觀的新興計(jì)算模式，其思想是從人類、事物和環(huán)境的現(xiàn)實(shí)世界出發(fā)，強(qiáng)調(diào)事物的屬性是動態(tài)的，且在很大程度上受到與其密切相關(guān)的人和環(huán)境的影響，將影響事物的主觀和客觀特征相結(jié)合，并抽象為系統(tǒng)的基本單位—Agent，通過Agent的協(xié)商、合作來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體目標(biāo)。

與面向?qū)ο蟮乃枷氩煌珹gent通過引入心智屬性，一方面將人類主觀意識與客觀世界緊密結(jié)合，另一方面使得Agent對環(huán)境的感知在經(jīng)過一系列的心智活動后，能相應(yīng)地調(diào)整其解決問題的意圖和策略。因而面向Agent方法更貼近客觀世界的真實(shí)情況，更準(zhǔn)確地反映了客觀世界事物之間的深層聯(lián)系及其靜態(tài)和動態(tài)特征的本質(zhì)和根源，更接近人類解決問題的一般方法和習(xí)慣。

1 面向Agent軟件工程方法

面向Agent軟件工程(Agent—Oriented Software Engineering AOSE)研究有效的面向Agent的軟件方法和支持方法的工具，用以開發(fā)高質(zhì)量的復(fù)雜軟件產(chǎn)品—多Agent系統(tǒng)(MAS)。AOSE的方法是基于Agent交互和組織關(guān)鍵抽象集問題域和計(jì)算域建立模型的原則和活動集。AOSE方法可以分為形式化和非形式化兩類。

(1) 形式化方法：形式化方法以數(shù)理邏輯作為模型語言。認(rèn)為形式方法的過程由系統(tǒng)規(guī)范、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)驗(yàn)證三個(gè)階段組成。系統(tǒng)規(guī)范是說明Agent系統(tǒng)的框架。目前最成功的框架是用時(shí)序模態(tài)邏輯表示的規(guī)范，兩個(gè)著名的邏輯框架是Cohen-Levesque的意圖理論和Rao-Georgeff的BDI模型。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將抽象規(guī)范轉(zhuǎn)換為具體的計(jì)算系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有解釋執(zhí)行和編譯兩種方法，解釋執(zhí)行是指給定用邏輯語言L描述的系統(tǒng)規(guī)范S，將S作為執(zhí)行規(guī)范，直接解釋S以產(chǎn)生Agent行為；編譯是把Agent規(guī)范通過自動編譯過程將抽象的規(guī)范轉(zhuǎn)換成具體的計(jì)算模型，編譯后的系統(tǒng)執(zhí)行很少或根本不需要進(jìn)行符號推理。系統(tǒng)驗(yàn)證用來確定計(jì)算系統(tǒng)是否正確地實(shí)現(xiàn)了規(guī)范。系統(tǒng)驗(yàn)證可分為公理驗(yàn)證和模型檢查兩種方法。

(2) 形式化方法的主要問題在于以下幾點(diǎn)：

① 時(shí)序模態(tài)邏輯的可能世界語義存在邏輯全知問題，認(rèn)為Agent具有無限的推理能力，而實(shí)際的Agent無法滿足這種要求。

② 可能世界語義缺乏現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，Agent狀態(tài)的抽象表示與具體計(jì)算模型沒有直接的聯(lián)系。

③ 對交互、組織的形式化描述問題研究不足。

(3) 非形式化方法：非形式化方法以圖、表、文本等作為模型語言。相對于形式化方法，非形式化方法的研究比較活躍。以下是集中非形式化方法的介紹。

① Prometheus是基于功能分解的方法，使用文本和AUML作為模型語言，其過程分為系統(tǒng)說明、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。Prometheu的目標(biāo)是為開發(fā)者提供一個(gè)包括全部開發(fā)活動的、迭代的、具備模型一致性檢查能力的方法。Prometheus將待求解問題劃分為Agent系統(tǒng)和環(huán)境兩部分，將從環(huán)境的輸入信息稱為感知,將Agent系統(tǒng)對環(huán)境的影響稱為行動。

② ODAC使用 RM-ODP(開放分布過程參考模型)的框架和模型，以UML作為模型語言，其過程分為分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)三個(gè)階段。ODAC的目標(biāo)是以標(biāo)準(zhǔn)化的方法有效降低由復(fù)雜軟件系統(tǒng)的分布性而產(chǎn)生的開發(fā)難度。RM-ODP是由ISO和ITU-T共同制定的開發(fā)分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，包括對象模型和結(jié)構(gòu)模型兩部分，結(jié)構(gòu)模型含有企業(yè)、信息、計(jì)算、工程、技術(shù)等六個(gè)視圖，其中企業(yè)視圖由企業(yè)對象、對象社會等組成，計(jì)算視圖描述交互等分布式計(jì)算結(jié)構(gòu)。ODAC的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段目前仍在發(fā)展中。ODAC的主要問題是沒有區(qū)分Agent與對象，使用UML作為模型語言不能充分描述AOSE的關(guān)鍵抽象集。

③ SONIA的目標(biāo)是使用獨(dú)立于設(shè)計(jì)的一般性分析方法和自底向上識別Agent的設(shè)計(jì)過程，以自然的方式開發(fā)Agent系統(tǒng)。SONIA分析階段使用問題域術(shù)語為模型語言，設(shè)計(jì)階段沒有指定模型語言。SONIA的主要問題是沒有建立組織模型，分析與設(shè)計(jì)階段使用不同的模型語言，不利于分析模型到設(shè)計(jì)模型的平滑轉(zhuǎn)換。

(4) 將已提出的非形式化方法劃分為以下三類：

① 基于Agent和多Agent技術(shù)的方法。該類方法將Agent作為與傳統(tǒng)對象不同的新抽象，如Gaia、SONIA等。

② 基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的方法。該類方法將Agent作為復(fù)雜對象，擴(kuò)展OO技術(shù)以表示Agent的復(fù)雜行為，如Prometheus、ODAC、MaSE等。

③ 基于知識工程的方法。該類方法著重于對Agent使用知識的識別、獲取和建模，如MAS-CommonKADS。

(5) 非形式化方法研究存在的主要問題是：

① 沒有形成較一致的Agent、交互、組織建模原則。

② 求解結(jié)構(gòu)是固定的，不能體現(xiàn)Agent靈活的問題求解能力。

③ 沒有對 Agent本身具備的獨(dú)立控制線程的控制機(jī)制建模。

④ Agent模型達(dá)不到系統(tǒng)級抽象程度和粒度的要求。

⑤ 使用自頂向下的分解還原方法而不是復(fù)雜系統(tǒng)要求的綜合集成方法。

2 面向Agent軟件工程工具

2.1 Agent統(tǒng)一模型語言(AUML)

統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language,UML)是一種圖形化的表示語言，最初用于標(biāo)準(zhǔn)化對象類的設(shè)計(jì)，后來被擴(kuò)展為支持面向?qū)ο笙到y(tǒng)中所涉及的所有部件。如組件、包等。Odell，Parunak和 Bauer提出了 AIP(Agent Interactions Protocols)的三層表示模型。在UML的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了擴(kuò)展。擴(kuò)展后的模型被定義為AUML(Agent UML)。在AUML中。對 UML中的其本元素作了適當(dāng)?shù)母淖儯饕ǎ喊?Packages)、模板(Templates)、序列圖(Sequence Diagrams)、合作圖(Collaboration Diagrams)、活動圖(Activity Diagrams)和狀態(tài)圖(Statecharts)。OMG和FIPA(Foundation of Intelligent Physical Agent)都支持?jǐn)U展 UML作為 Agent統(tǒng)一模型語言(AUML)，主要擴(kuò)展工作包括：

(1) 擴(kuò)展包和模板描述交互協(xié)議。

(2) 擴(kuò)展UML中的類圖、對象圖以允許Agent承擔(dān)多個(gè)角色。

(3) 擴(kuò)展動態(tài)模型中的順序圖、協(xié)作圖、狀態(tài)圖等支持并發(fā)描述，使UML能夠描述Agent的復(fù)雜交互行為。

(4) 擴(kuò)展部署圖支持描述Agent的移動性。AUML研究存在的主要問題是擴(kuò)展工作集中于描述Agent的描述。

2.2 開發(fā)工具

開發(fā)工具大多基于Java語言，如ZEUE，JACK等利用Java語言的解釋執(zhí)行、支持分布式計(jì)算、平臺無關(guān)等特性滿足復(fù)雜軟件系統(tǒng)開放、分布、異構(gòu)的要求，Java環(huán)境是多線程的而且內(nèi)置多線程控制，支持Agent的多線程運(yùn)行。

3 結(jié)束語

面向Agent軟件工程是軟件工程領(lǐng)域重要的新技術(shù)，發(fā)展有原則的非形式化Agent系統(tǒng)開發(fā)方法是Agent技術(shù)被廣泛使用的根本。Agent理論和技術(shù)源于人工智能領(lǐng)域，在AI的研究中Agent的對應(yīng)物是人，MAS的對應(yīng)物是人類社會，人和人類社會是社會學(xué)的研究對象；AOSE的目標(biāo)是建造具備正確性、可維護(hù)性等質(zhì)量因素的高質(zhì)量多Agent系統(tǒng)，社會學(xué)是研究人類社會良性運(yùn)行和協(xié)調(diào)發(fā)展的條件和機(jī)制的綜合性具體社會科學(xué)；MAS本質(zhì)上是自底向上建造的系統(tǒng)，人類社會本身也是自底向上形成的復(fù)雜系統(tǒng)；面向Agent編程范型是一種計(jì)算的社會觀點(diǎn)，而人類社會是開發(fā)者最為熟悉和理解的社會，因此我們認(rèn)為以社會學(xué)理論為原則的非形式化Agent系統(tǒng)開發(fā)方法是AOSE的下一步發(fā)展方向。

[1]Lin Padgham and Michael Winiko.Prometheus:A brief summary.Technical note, available from the authors.2003.

[2]Weiss G.Multi-Agent Systems:A Modern Approach to Distributed Artificial Intelligence [M]. Cambridge, MA: The MIT Press.2005.

[3]M E Bratman1 Intentions, Plants, and Practical Reason[M].Cambridge,MA: Harvard University Press.1987.

[4]Rao A S,Georgeff M P.BDI Agents: From Theory to Practice[A]. Proc of the 1st Int’l Conf on Multi-Agent Systems(IC2MAS295) [C].1995.