基于多Agent的協(xié)同制造平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)

張曉燕

商洛學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系 陜西 726000

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和跨國(guó)經(jīng)營(yíng)的快速發(fā)展，企業(yè)間的協(xié)作越來(lái)越緊密，集成與協(xié)同已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)信息化發(fā)展的主旋律。這種集成與協(xié)作不僅包含企業(yè)內(nèi)各部門的繼承與協(xié)同，還包含了企業(yè)與企業(yè)之間的集成與協(xié)同，這個(gè)協(xié)同過(guò)程不僅包括了來(lái)自許多公司和信息資源異構(gòu)的大量、復(fù)雜的合作伙伴，而且還包括了交換不同格式、不同來(lái)源的制造業(yè)數(shù)據(jù)的的協(xié)同。此外，制造業(yè)的發(fā)展不僅是協(xié)作，而且知識(shí)高度密集。不同學(xué)科、不同技術(shù)水平的參與者都需要與他人分享顯性和隱性知識(shí)，獲取相關(guān)的見(jiàn)解和經(jīng)驗(yàn)，人與人協(xié)作以獲取知識(shí)。

因此，必須要達(dá)到兩個(gè)方面的要求：1)如何在合作的基礎(chǔ)上，組織一個(gè)基于知識(shí)發(fā)展的多學(xué)科參與和異構(gòu)工具。2)如何有效的支持制造業(yè)知識(shí)的表示、獲取、檢索和重利用，包括規(guī)范、設(shè)計(jì)規(guī)則、約束和理由，這可能延長(zhǎng)整個(gè)生產(chǎn)的生命周期以及跨企業(yè)的邊界。研究表明，多代理和本體技術(shù)在處理上述問(wèn)題上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文提出了基于 Agent的可伸縮的多智能體系協(xié)作框架，并提出了代理合作進(jìn)程通信和基于本體的協(xié)作與交流。

1 協(xié)同開(kāi)發(fā)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)

本文提出的基于 Agent的可伸縮的多智能體系協(xié)作框架，其中的包裝代理提供包裝服務(wù)，能使Agent通過(guò)API或標(biāo)準(zhǔn)的用戶界面來(lái)訪問(wèn)商業(yè)軟件的技術(shù)資料，參與者在基于轉(zhuǎn)換機(jī)制的基礎(chǔ)上能通過(guò)包裝代理或用戶代理共享數(shù)據(jù)信息，為系統(tǒng)提供了一個(gè)高效的方法來(lái)集成異構(gòu)應(yīng)用。

圖1 協(xié)同開(kāi)發(fā)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該體系架構(gòu)分為三個(gè)不同層次：第一層次是“環(huán)境水平”：與外部軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，包括四種類型：幾何模型的應(yīng)用(如 CAD系統(tǒng))、知識(shí)管理應(yīng)用(如知識(shí)型經(jīng)濟(jì)體系)、工程計(jì)算應(yīng)用程序(如SYS)和信息管理和應(yīng)用程序(如PDM系統(tǒng))。涵蓋整個(gè)制造業(yè)的生命周期，這些應(yīng)用程序與不同的設(shè)計(jì)階段有關(guān)。

第二個(gè)層次是“代理協(xié)作”：?jiǎn)⒂糜蒑AS體系分配用戶在虛擬環(huán)境下協(xié)同完成任務(wù)。選擇智能物理代理基金會(huì)(FIPA)參考模型，它作為系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)提供了系統(tǒng)的異構(gòu)互動(dòng)代理和基于代理的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，并指定本體和談判協(xié)議。

(1) 用戶代理：與用戶、消費(fèi)者互動(dòng)，構(gòu)成了用戶進(jìn)入系統(tǒng)的智能網(wǎng)關(guān)。它使用該系統(tǒng)的領(lǐng)域模型知識(shí)本體，以協(xié)助制定查詢和顯示代理計(jì)算結(jié)果。

(2) 包裝代理：可以由軟件說(shuō)明書中所描述的軟件系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的接口。它提供了一種在原有的包裝系統(tǒng)中使用的包裝機(jī)制，可以把包含在 ACL中的命令操作轉(zhuǎn)換為消息，通過(guò)API環(huán)境調(diào)用應(yīng)用程序，并為應(yīng)用程序捕獲特定的數(shù)據(jù)，并翻譯為ACL消息。

(3) 任務(wù)代理：用戶處理請(qǐng)求的過(guò)程可以通過(guò)坐標(biāo)確定，并請(qǐng)求路由到相應(yīng)的資源代理或包裝代理，并重組結(jié)果。通過(guò)任務(wù)代理跟蹤這一過(guò)程，并執(zhí)行處理。

(4) Facilitor代理：為所有Agent提供服務(wù)。每個(gè)代理必須說(shuō)明它的描述信息(如位置、名稱、語(yǔ)言)以及它向Facilitor代理提供的服務(wù)。在這些信息的基礎(chǔ)上，F(xiàn)acilitor代理根據(jù)它的路由的具體要求來(lái)響應(yīng)代理的查詢。

(5) 資源代理：可以利用包含在信息資源中的信息和知識(shí)來(lái)進(jìn)行檢索和更新。它可以解答并將 ACL的查詢表示翻譯為與信息資源一致的語(yǔ)言，它也可以將查詢結(jié)果翻譯成其它代理能看懂的格式。

(6) 本體管理代理：執(zhí)行本體操作。本體作為一個(gè)明確地說(shuō)明和交換應(yīng)用術(shù)語(yǔ)，能有效地支持對(duì)知識(shí)的共享、重用和一體化。本體管理代理提供了一個(gè)從普通的本體映射到數(shù)據(jù)庫(kù)模式和母語(yǔ)的資源代理模式。

第三個(gè)層次是“信息資源”：是本體庫(kù)的核心，包括各種應(yīng)用領(lǐng)域的本體，如：規(guī)則庫(kù)，案例庫(kù)，資源庫(kù)等，被稱為“廣義知識(shí)倉(cāng)庫(kù)”，用來(lái)存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)，以及所有與工程設(shè)計(jì)相關(guān)的信息和知識(shí)。每個(gè)資源連接到一個(gè)資源代理，并規(guī)定其規(guī)則和限制。

2 多Agent系統(tǒng)的協(xié)作框架

如圖2所示，按照代理的功能，可分為多種類型，每個(gè)代理具有統(tǒng)一的邏輯結(jié)構(gòu)，每個(gè)代理由六個(gè)部分組成：知識(shí)庫(kù)、感知、操作、通信、決策和內(nèi)部狀態(tài)。知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)了協(xié)作解決問(wèn)題所需的知識(shí)，依賴于代理商的組織角色知識(shí)。感知模塊獲取實(shí)例和外部環(huán)境的信息狀況，并存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)的實(shí)例庫(kù)中。通信模塊與FIPA-ACL語(yǔ)言的其它代理相互作用和協(xié)作。決策模塊根據(jù)外部環(huán)境狀況、代理商自身的內(nèi)部狀態(tài)(存儲(chǔ)在內(nèi)部狀態(tài)模塊)和其他的要求，通過(guò)知識(shí)模塊，確定當(dāng)前的操作和通信內(nèi)容。操作模塊由決策模塊通過(guò)的操作命令來(lái)采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。

圖2 多Agent系統(tǒng)的協(xié)作框架

3 多Agent系統(tǒng)的案例圖

當(dāng)包裝代理收到任務(wù)請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)從資源代理獲取必要的信息和知識(shí)(例如，以前的設(shè)計(jì)案例)，然后，計(jì)算參數(shù)值，并嵌入到底層軟件系統(tǒng)的操作命令中，結(jié)果將通過(guò)用戶代理返回到用戶。由于代理之間相互談判和協(xié)作，用戶請(qǐng)求程序自動(dòng)進(jìn)行處理。這意味著重復(fù)、常規(guī)但耗時(shí)的工程任務(wù)處理，可以代替設(shè)計(jì)人員自動(dòng)完成，其主要任務(wù)是輸入?yún)?shù)，并作出重要的設(shè)計(jì)決策。

圖3 多Agent系統(tǒng)用戶請(qǐng)求處理案例圖

圖3表示多Agent系統(tǒng)用戶請(qǐng)求處理的案例圖。在初始化時(shí)，每個(gè)代理都要說(shuō)明自己的Facilitor代理信息，并獲得本體庫(kù)中本體管理代理的本體論模型。它要求每個(gè) ACL消息必須包含代理中所使用的本體，它可以幫助其它代理商以未知信息的形式映射到它熟悉的形式，以了解信息的正確含義。典型的情況如下：

(1) 用戶向系統(tǒng)輸入一個(gè)任務(wù)請(qǐng)求，以及它在使用 CUI的用戶代理中所使用的本體。

(2) 用戶代理把任務(wù)請(qǐng)求翻譯成 ACL信息條款(含本體信息)，并處理任務(wù)代理請(qǐng)求。

(3) 任務(wù)代理把任務(wù)請(qǐng)求分解成一組有序的子請(qǐng)求，并根據(jù)實(shí)現(xiàn)子請(qǐng)求(3.1)的代理名稱查詢 Facilitor代理。然后Facilitor代理檢查注冊(cè)在包裝代理初始化基礎(chǔ)上的會(huì)議要求，并分別把正確的結(jié)果返回到通過(guò)子請(qǐng)求的任務(wù)代理(3.2)。

(4) 包裝代理可以從為完成子代理而提供信息和知識(shí)的Facilitor代理處獲取相關(guān)的資源代理，并以ACL信息格式向它傳送查詢。

(5) 資源代理由SQL查詢或其它不同類型的查詢構(gòu)造基于 ACL消息內(nèi)容的廣義知識(shí)庫(kù)，查找與所需的信息和知識(shí)有關(guān)的資源。獲取查找結(jié)果后，返回到包裝代理。

(6) 包裝代理構(gòu)成獲取的信息和知識(shí)，計(jì)算參數(shù)值，并通過(guò)一個(gè)API(應(yīng)用程序接口)(6.1)調(diào)用底層軟件，獲取應(yīng)用程序指定的數(shù)據(jù)，并把結(jié)果封裝成內(nèi)部格式，傳遞到用戶代理。

(7) 用戶代理轉(zhuǎn)換成與包裝代理結(jié)果適合在一起的結(jié)果，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為用戶可以理解的信息，向用戶提交結(jié)果以供檢查。

4 基于本體的廣義知識(shí)庫(kù)的通信基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)展過(guò)程太多的依靠設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果導(dǎo)致知識(shí)的低效率利用、重新利用、共享和繼承。隨著制造業(yè)的發(fā)展越來(lái)越多的在異構(gòu)、協(xié)作的環(huán)境下的進(jìn)行，系統(tǒng)中的代理必須通過(guò)各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)交流信息和知識(shí)。語(yǔ)義上的沖突是不可避免的，對(duì)于不同的概念，不同的術(shù)語(yǔ)表述相同或不同的觀點(diǎn)。我們提出了廣義的信息知識(shí)庫(kù)，各種與工程設(shè)計(jì)相關(guān)的信息資源和知識(shí)資源，由本體庫(kù)整合為一體，不僅有利于在一個(gè)共同的句法中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而且有利于在一個(gè)共享語(yǔ)義中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換(圖4)。

代理之間通過(guò)ACL信息中所包含的本體模型來(lái)交換信息和知識(shí)。該ACL只為編碼信息提供語(yǔ)法，而不指定編碼在郵件內(nèi)容中指定條款的語(yǔ)義信息。本體論提供了共同的詞匯或詞匯表，以及術(shù)語(yǔ)間的知識(shí)，可以使代理分享共同商定的關(guān)系。圖4顯示了制造業(yè)領(lǐng)域的Agent2可以把設(shè)計(jì)領(lǐng)域的Agent1發(fā)送的信息通過(guò)不同的本體轉(zhuǎn)換為它熟悉的格式，使代理獲得真正的、有意義的信息交換內(nèi)容，以避免談判過(guò)程中的語(yǔ)義沖突。

圖4 基于本體的廣義知識(shí)庫(kù)的通信

5 結(jié)論

制造業(yè)的協(xié)同發(fā)展已經(jīng)成為重要的商業(yè)戰(zhàn)略。在本文中提出了一種自主開(kāi)發(fā)的協(xié)同制造開(kāi)發(fā)平臺(tái)的體系架構(gòu)，其中的多Agent代理處理程序與基于本體的任務(wù)相互作用，并提供了代理之間的通信，使參與者通過(guò)代理共享分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)信息。

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