MAS模型仿真研究進(jìn)展綜述

摘 要：MAS（Multi-Agent System，多主體系統(tǒng)）仿真模型的研究是從20世紀(jì)90年代開始興起的，是當(dāng)今人工智能（AI）的前沿學(xué)科，如今MAS模型已被廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)。本文對(duì)MAS仿真模型的研究文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理，分別基于層次、動(dòng)態(tài)、規(guī)范化角度進(jìn)行了分類評(píng)述，并對(duì)該領(lǐng)域MAS未來的研究前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：Agent；MAS模型；仿真研究；人工智能

中圖分類號(hào)：TP399

1 Agent與MAS

1.1 Agent的概念緣起

Agent的概念最早可以追溯到Hewtti[1]于1974年提出的演員（Actor）模型。在復(fù)雜系統(tǒng)（Complex System）的研究中，把組成復(fù)雜系統(tǒng)的具有主動(dòng)性的個(gè)體或單位稱為Agent，研究這些Agent的個(gè)體行為及其相互之間的作用。主體的概念源自人工智能（Artificial Intelligenee，AI）學(xué)科，由于主體（Agent）這個(gè)詞在不同的學(xué)科應(yīng)用中有不同的含義，到目前為止，學(xué)術(shù)界尚未形成一個(gè)統(tǒng)一的、確定的主體的定義。但是，在眾多關(guān)于Agent的定義中，Wooldridge和Jennings[2-3]的有關(guān)Agent的弱定義和強(qiáng)定義的討論被廣為接受。在弱定義中，Agent主要具有自治性（Autonomy）、社會(huì)性（Social-ability）、應(yīng)激性（Reactivity）、預(yù)動(dòng)性（Pro-activeness）四個(gè)特性。

在有關(guān)Agent弱定義的概念上再加上信念（Belief）、承諾（Commimtent）、愿望（Desire）、責(zé)任（Obligation）、意圖（Intention）、能力（Capability）等心智狀態(tài)方面的描述，就成為Agent的強(qiáng)定義。其中，Rao和Georgeff[4]提出的BDI（Belief-Desire-Intention-Theory）模型，就是使用信念（Belief）、愿望（Desire）、意圖（Intention）三個(gè)基本概念來描述Agent的特征。

1.2 MAS研究緣起

MAS的研究最早可追溯到R.Davis和R.Smith[5]提出的合同網(wǎng)協(xié)議。MAS可以看作是一個(gè)由多個(gè)可交互作用的主體（Agent）的計(jì)算單元構(gòu)成的松散耦合的系統(tǒng)。MAS的一個(gè)主要目標(biāo)和特點(diǎn)就是它可以通過成員之間的合作完成一個(gè)Agent不能或難以實(shí)現(xiàn)的較為復(fù)雜的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)MAS目標(biāo)的最基本條件就是成員Agent之間要能有效地溝通。MAS表現(xiàn)出的并行性（Parallelism）、協(xié)作性（Cooperation）、健壯性（Robusrness）、分布性（Distribution）、可擴(kuò)展性（Scalability）等特征，這些特征使MAS適合對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行描述，因而MAS被認(rèn)為是研究復(fù)雜系統(tǒng)重要理論基礎(chǔ)。

MAS宏觀層面的涌現(xiàn)性問題的研究將MAS看成是一類特殊的復(fù)雜系統(tǒng)，且借用復(fù)雜性科學(xué)研究中的一些概念來描述MAS在涌現(xiàn)性研究中的問題。這些概念如復(fù)雜性（Complexity）、自組織（Self-Organization）、涌現(xiàn)（Emergence）、適應(yīng)（Adaptation）和進(jìn)化（Evolution）等。這些概念之間既各有所指，又緊密聯(lián)系。然而，人們對(duì)這些概念的認(rèn)識(shí)并沒有達(dá)成一致，不同的研究領(lǐng)域中對(duì)他們都有特殊的理解。通過對(duì)這些概念的研究，可以發(fā)現(xiàn)一些對(duì)面向涌現(xiàn)的MAS研究有啟發(fā)性的思想[6]。

2 MAS模型

現(xiàn)有的MAS模型研究文獻(xiàn)中可以將該模型分為：

2.1 基于層次結(jié)構(gòu)的MAS模型

層次結(jié)構(gòu)MAS模型是根據(jù)Agent之間的互相作用關(guān)系把MAS分成多個(gè)子MAS，也就是將MAS分解為若干個(gè)層次，每個(gè)層次上的子MAS可以在結(jié)構(gòu)上再分層次，直到達(dá)到最底層的最基本的子MAS。在每個(gè)層次上，都是由多個(gè)Agent組織共同工作，擁有其上一層次系統(tǒng)的功能。在組織內(nèi)部，Agent共同工作完成某個(gè)功能，組織內(nèi)部頻繁于組織之間的相互作用，使得整個(gè)系統(tǒng)更可預(yù)測(cè)。同時(shí)，層次結(jié)構(gòu)MAS模型具有便于增加新功能，使系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性，有利于軟件的重用，有利于解決突發(fā)機(jī)制的問題與數(shù)據(jù)的移動(dòng)性與持續(xù)性的問題等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)問題的規(guī)模增加時(shí)，層次結(jié)構(gòu)MAS模型因其特有的優(yōu)勢(shì)，基本上不需作相應(yīng)的改變。

對(duì)于層次結(jié)構(gòu)MAS模型的研究，F(xiàn)ilipe[7]基于社會(huì)心理學(xué)理論和知識(shí)表示框架，提出了EDA（Epistemic-Deontic-Axiological）模型。Salceda[8]等提出了一種由抽象層、具體層、規(guī)則層、和程序?qū)訕?gòu)成的多層結(jié)構(gòu)的HARMONIA模型。層與層之間是遞進(jìn)的關(guān)系。Dignum[9]等提出了由規(guī)范、組織和本體三維構(gòu)成的OMNI（Organizational Model for Normative Institutions）模型，該模型分別從抽象、具體和實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次描述MAS，可以對(duì)組織的總體需求和個(gè)體的自主性進(jìn)行平衡，并且能夠?qū)⒁?guī)范應(yīng)用到Agent之間的交互中，對(duì)組織形成的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 基于規(guī)范化的MAS模型

在MAS中，人類社會(huì)和分布式系統(tǒng)屬于不同的Agent，人或者過程的目的是為了實(shí)現(xiàn)各自不同的目標(biāo)。不論是在直接的共享信息與服務(wù)中，還是在間接的共享資源系統(tǒng)中，Agent之間的交互作用都是必須的。在分布式的系統(tǒng)中，Agent組織對(duì)規(guī)則達(dá)成一致是非常重要的——這是Agent組織提升合作、減少?zèng)_突行為的基本前提。如果某個(gè)Agent組織缺乏這樣的規(guī)范或?qū)σ?guī)范存在未解決的異議，系統(tǒng)就非常容易因?yàn)槟硞€(gè)Agent充分自由地實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)而干擾到其他Agent的正常行為，使組織目標(biāo)難以充分有效的實(shí)現(xiàn)。

Jones[10]等人對(duì)規(guī)范化MAS進(jìn)行定義，認(rèn)為Agent的交互作用受到規(guī)范的支配，規(guī)范化MAS就是一個(gè)受到規(guī)范支配的Agent的集合，規(guī)范指明了Agent在理想狀態(tài)下應(yīng)該或者不應(yīng)該的行為。規(guī)范化MAS將MAS、規(guī)范化系統(tǒng)理論和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)合，將個(gè)體智能與規(guī)范理論聯(lián)系在一起，也有學(xué)者將其看作是特殊的Agent組織。規(guī)范化MAS已經(jīng)成為研究個(gè)體信念和集成Agent，提升系統(tǒng)自身動(dòng)態(tài)適應(yīng)性的有效的途徑。

對(duì)規(guī)范化MAS的研究包括：Meyer[11]等人建立了一個(gè)基于義務(wù)邏輯的規(guī)范化系統(tǒng)，同時(shí)論述了它們之間的緊密關(guān)系。ISLANDER從組織制度的角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)組織中的規(guī)則和交流，對(duì)Agent組織進(jìn)行建模。Boella和Van[12]基于義務(wù)邏輯和BOID結(jié)構(gòu)提出了規(guī)范化MAS模型，并且通過系統(tǒng)的規(guī)范把模型形式化。

2.3 基于動(dòng)態(tài)Agent的MAS模型

MAS在執(zhí)行任務(wù)的過程中，Agent組織并不是一層不變的，而是處于動(dòng)態(tài)的變化之中，有學(xué)者考慮到Agent組織的這個(gè)性質(zhì)，對(duì)Agent組織的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行研究。DeLoach[13]等人研究了組織運(yùn)作的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換過程，并基于該研究提出了具有結(jié)構(gòu)模型、狀態(tài)模型和轉(zhuǎn)換功能的組織模型。Hoogendoorn[14]等人用計(jì)算機(jī)語言對(duì)Agent組織結(jié)構(gòu)和組織動(dòng)態(tài)性進(jìn)行描述，重點(diǎn)論述了組織變化的模型化方法，描述了變化組織的動(dòng)態(tài)特性。孫瑜[15]等人從一定環(huán)境下的Agent為完成特定任務(wù)所應(yīng)具有的能力的角度出發(fā)，引入環(huán)境狀態(tài)函數(shù)、感知函數(shù)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)等對(duì)Agent和環(huán)境進(jìn)行研究，并提出基于訪問、感知及知識(shí)的MAS模型。

2.4 其他模型

Ferber[16]等人提出的AGR模型，定義Agent為“是一個(gè)可以在多個(gè)小組中扮演不同角色的自主的實(shí)體”，AGR建立在主體（Agent）、小組（Group）和角色（Role）這3個(gè)元概念的基礎(chǔ)之上。Esteva[17]等人提出從結(jié)構(gòu)（structural）、功能（functional）以及義務(wù)（deontic）等三方面對(duì)MAS進(jìn)行建模的MOISE+（Model of Organization for multi-Agent Systems）模型。

3 多主體模型方法在仿真研究中的應(yīng)用

基于多主體模型的仿真技術(shù)隨著復(fù)雜科學(xué)的興起，越來越受到人們重視，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域：

3.1 公共政策領(lǐng)域

李璐，宣慧玉[18]以一個(gè)傳染病政策仿真系統(tǒng)為例，研究了多主體仿真在公共衛(wèi)生事件應(yīng)急管理中的應(yīng)用，展示了多主體仿真技術(shù)在研究傳染病傳播等擴(kuò)散問題的優(yōu)勢(shì)。陳海等[19]對(duì)MAS模型在土地利用/覆蓋變化中的研究進(jìn)展進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)MAS模型在微觀和中宏觀尺度的土地利用/覆蓋變化研究中有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 經(jīng)濟(jì)與管理領(lǐng)域

張鵬[20]用多主體建模仿真研究了品牌市場(chǎng)演化的模型，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)和掌握品牌規(guī)律有一定的幫助。周松華，郭鳴[21]研究了基于資源的電子商務(wù)自動(dòng)協(xié)商MAS模型，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過模擬協(xié)商，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的協(xié)商收益。

3.3 智力資源領(lǐng)域

由于智力資源系統(tǒng)的復(fù)雜，人們很難用還原的方法對(duì)其進(jìn)行研究，而多主體仿真是多主體系統(tǒng)理論與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合形成的一個(gè)關(guān)于復(fù)雜性科學(xué)研究的重要分支。通過計(jì)算機(jī)仿真模擬，進(jìn)行在實(shí)際系統(tǒng)中不能進(jìn)行的復(fù)雜行為的研究，是對(duì)智力資源中知識(shí)創(chuàng)新和知識(shí)涌現(xiàn)研究的切實(shí)可行的方法。

另外，多主體模型的仿真在組織發(fā)展、主體行為規(guī)則設(shè)計(jì)、信息資源的開發(fā)利用等方面的應(yīng)用都表現(xiàn)出了研究方法論上的優(yōu)勢(shì)。

4 總結(jié)與展望

隨著MAS在更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用，MAS模型正在被繼續(xù)不斷地建立。然而，相對(duì)于MAS模型的快速發(fā)展，MAS模型的選擇比較與檢驗(yàn)驗(yàn)證則發(fā)展緩慢。一方面，模型建立的不同平臺(tái)為模型間的選擇與比較帶來了不少困難；另一方面，人類行為的復(fù)雜性也給模型的驗(yàn)證與檢驗(yàn)增加了難度。因此，模型標(biāo)準(zhǔn)化問題被提了出來。來自不同學(xué)科的28個(gè)建模者提出了一個(gè)設(shè)想的模型原型ODD（Overview，Design concept and Details）來試圖解決模型標(biāo)準(zhǔn)化問題。雖然至今尚未形成一個(gè)統(tǒng)一認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)化模型原型，但是相信隨學(xué)者們不斷的深入研究，標(biāo)準(zhǔn)化模型原型的出現(xiàn)只是時(shí)間問題，模型的標(biāo)準(zhǔn)化一旦完成，模型的選擇比較與檢驗(yàn)驗(yàn)證就會(huì)相對(duì)容易許多，同時(shí)，也將有利于MAS模型在更廣泛領(lǐng)域的建模與應(yīng)用，筆者認(rèn)為這是模型研究者今后努力的方向。

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作者簡(jiǎn)介：劉貝貝（1988.10-），女，河南周口人，企業(yè)管理研究生，研究方向：企業(yè)管理等；金福（1964.02-），男，遼寧阜新人，教授，管理學(xué)博士，管理學(xué)院副院長(zhǎng)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)與創(chuàng)新管理研究所所長(zhǎng)，從事知識(shí)管理，決策管理仿真模擬等方向研究。

基金項(xiàng)目：自然科學(xué)基金計(jì)劃，古籍修復(fù)工藝類隱性知識(shí)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（項(xiàng)目編號(hào)：201202199）。沈陽師范大學(xué)管理學(xué)院孵化項(xiàng)目，基于復(fù)雜系統(tǒng)的知識(shí)型組織智力資源管理研究，2012年。

作者單位：沈陽師范大學(xué) 管理學(xué)院，沈陽 110034