基于黑板的多Agent體育訓(xùn)練管理DSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張維

摘 要： 目前我國(guó)的體育訓(xùn)練管理中仍然存在著不科學(xué)、訓(xùn)練目的性不強(qiáng)、輔助決策手段落后等缺點(diǎn)。將Agent和DSS技術(shù)運(yùn)用到系統(tǒng)當(dāng)中，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于黑板的多Agent智能體育訓(xùn)練管理決策支持系統(tǒng)方案，并進(jìn)行具體的實(shí)施，從而有效地提高了決策系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和智能性。

關(guān)鍵詞： Agent； 智能DSS； 體育訓(xùn)練管理； 輔助決策手段

中圖分類號(hào)： TN710?34； G807?04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）11?0111?03

Abstract： The shortcomings that sports training management is not science， the training purpose is not clear， and the auxi?liary decision means lags behind， still exist in China at present. A scheme to realize the multi?Agent intelligent DSS based on blackboard for sports training management was designed， in which Agent and DSS technology are applied. The system was implemented， so as to effectively improve the accuracy and intelligence of DSS.

Keywords： Agent； intelligent DSS； sports training management； auxiliary decision means

0 引 言

伴隨著全民健身活動(dòng)的蓬勃開展，人們的生活觀念發(fā)生巨大變化。在一些大中城市，為健康而消費(fèi)成為新時(shí)代提高生活質(zhì)量的一種時(shí)尚。全民健身運(yùn)動(dòng)也成為我國(guó)一項(xiàng)長(zhǎng)期國(guó)策，據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)民整體身體素質(zhì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中，大學(xué)生身體素質(zhì)下降趨勢(shì)最為嚴(yán)重[1]。目前，對(duì)于這一困擾問(wèn)題，我國(guó)政府高度重視，先后出臺(tái)了很多相應(yīng)的政策和方法來(lái)應(yīng)對(duì)，但都效果不明顯。影響因素很多，其中體育訓(xùn)練計(jì)劃的制定和體育訓(xùn)練方法的實(shí)施不夠科學(xué)是最為重要的因素之一。由于體育教師水平殘差不齊，在制定體育訓(xùn)練計(jì)劃、體育訓(xùn)練方法時(shí)個(gè)人主觀意識(shí)比較濃厚，不能有效地根據(jù)學(xué)生的個(gè)人身體素質(zhì)有針對(duì)性的科學(xué)的制定計(jì)劃和方法，從而導(dǎo)致學(xué)生對(duì)體育訓(xùn)練的主動(dòng)參與性不夠高，訓(xùn)練效果不明顯，在一定程度上制約了學(xué)生身體素質(zhì)的有效發(fā)展。

20世紀(jì)70年代，由美國(guó)麻省理工大學(xué)教授M.S.Scott Morton首次提出決策支持系統(tǒng)（Decision Support Systen，DSS）。在眾多智能化信息技術(shù)當(dāng)中，將DSS運(yùn)用到體育運(yùn)動(dòng)的計(jì)劃、訓(xùn)練、日常管理等領(lǐng)域當(dāng)中，在實(shí)踐和系統(tǒng)應(yīng)用的過(guò)程中均取得了大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和成果[2]。從原有的二庫(kù)結(jié)構(gòu)的DSS逐步發(fā)展到以人工智能相結(jié)合的智能決策支持系統(tǒng)，經(jīng)歷了一段相當(dāng)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。智能決策系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅引起了人們的廣泛關(guān)注，也成為業(yè)界乃至世界各國(guó)科學(xué)研究的熱點(diǎn)。目前，智能決策系統(tǒng)大多采用科學(xué)理論的方法，通過(guò)人與計(jì)算機(jī)相互交流的方法為使用者提供科學(xué)合理的決策。然而，世界各國(guó)專家學(xué)者在體育訓(xùn)練管理領(lǐng)域的相關(guān)研究?jī)H僅局限于某一運(yùn)動(dòng)員或某個(gè)具體項(xiàng)目，而對(duì)于如何提高大學(xué)生身體素質(zhì)的專業(yè)智能決策系統(tǒng)研究少之甚少。本文就是針對(duì)目前體育訓(xùn)練管理中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題進(jìn)行完善，幫助他們制定出科學(xué)有效的符合大學(xué)生的體育訓(xùn)練計(jì)劃和訓(xùn)練方法。

1 DDS，Agent與MAS概述

DSS是以計(jì)算機(jī)為主要手段，運(yùn)用管理科學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、控制學(xué)等理論和技術(shù)，通過(guò)與計(jì)算機(jī)之間的相互交流操作，智能化地支持決策活動(dòng)的系統(tǒng)。從而幫助管理人員在半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化之間做出決策，提高決策效率，營(yíng)造一個(gè)知識(shí)和信息相結(jié)合處理的工作環(huán)境。

Agent技術(shù)是一種在動(dòng)態(tài)環(huán)境中能夠自治運(yùn)行，并具有較高自治能力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或?qū)嶓w。能感知不同環(huán)境下的變化，并隨變化主動(dòng)做出相對(duì)應(yīng)的調(diào)整。在眾多Agent的研究中，最經(jīng)典和廣為教授的是Wooldridge等人有關(guān)Agent的“弱定義”和“強(qiáng)定義”的討論。每個(gè)Agent最基本的特性包括自主性、反應(yīng)性、面向目標(biāo)和針對(duì)環(huán)境性。強(qiáng)定義在此基礎(chǔ)上加入知識(shí)、目標(biāo)、責(zé)任、能力等精神概念[3]。如何解決Agent間的相互協(xié)作問(wèn)題，是人們?cè)谘芯緼gent的過(guò)程中經(jīng)常遇到的其中一個(gè)問(wèn)題。MAS的產(chǎn)生就是在Agent的原有基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究Agent之間的相互協(xié)商和協(xié)作等問(wèn)題。MAS協(xié)作解決問(wèn)題的能力要比單獨(dú)的Agent強(qiáng)，為復(fù)雜問(wèn)題提供了自然便捷和最佳的解決方案，并于現(xiàn)有軟件系統(tǒng)進(jìn)行有效地銜接，有效提高系統(tǒng)的執(zhí)行能力，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)[4]

根據(jù)大學(xué)生體育訓(xùn)練管理的特點(diǎn)，結(jié)合Agent和Multi?Agent的特性，基于Multi?Agent的DSS大學(xué)生體育訓(xùn)練管理決策系統(tǒng)框架圖如圖1所示，共定義4類Multi?Agent。

界面Agent主要用于實(shí)現(xiàn)和決策者之間實(shí)施交互，界面Agent在實(shí)施交互過(guò)程中，能夠根據(jù)主動(dòng)探測(cè)環(huán)境的變化，獲取決策用戶的習(xí)慣、愛(ài)好、習(xí)性等主要特征信息，從而在決策時(shí)，提供最佳的用戶界面，為決策用戶提供統(tǒng)一思想的輔助決策。如圖2所示。

黑板控制Agent。黑板控制Agent是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，它主要對(duì)黑板和系統(tǒng)中其他Agent進(jìn)行直接或間接地控制[5]。通過(guò)自身的知識(shí)庫(kù)和Agent之間的協(xié)作原則，把需要解決的問(wèn)題劃分為若干個(gè)相應(yīng)的子問(wèn)題，然后分配到黑板中不同層次中，對(duì)各層次進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的管理，消除Agent之間不同決策的沖突。如圖3所示。

功能Agent。其功能是對(duì)于從黑板接收過(guò)來(lái)的信息進(jìn)行分類整理，從中獲取需要解決問(wèn)題的目標(biāo)，之后對(duì)相關(guān)目標(biāo)進(jìn)行分割，劃分成若干個(gè)小任務(wù)，轉(zhuǎn)交給各自的一個(gè)或多個(gè)決策Agent來(lái)加以執(zhí)行。如圖4所示。

決策Agent。各個(gè)決策Agent與系統(tǒng)中的決策者或有關(guān)部門相對(duì)應(yīng)，完成全部系統(tǒng)每個(gè)具體決策任務(wù)，在相應(yīng)功能Agent的制約下，借助決策Agent相互之間的的協(xié)作[6]，實(shí)現(xiàn)決策。

3 系統(tǒng)Agent的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 Agent的實(shí)現(xiàn)

如今，面向系統(tǒng)Agent的軟件開發(fā)僅處于一個(gè)嶄新的軟件開發(fā)范疇，由于Agent領(lǐng)域的相關(guān)理論知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)還不夠成熟，還沒(méi)有形成統(tǒng)一的開發(fā)模式，目前絕大多數(shù)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的方法，研發(fā)出擁有Agent一些基本特性的系統(tǒng)[7]， 實(shí)現(xiàn)思路試將對(duì)象改裝成Agent，使改變裝后對(duì)象具有Agent的反應(yīng)性、自治性等一些基本的特性。Agent的功能實(shí)現(xiàn)需要三個(gè)部分組成[8]：知識(shí)推理、通信和執(zhí)行模塊。通信模塊主要任務(wù)是負(fù)責(zé)接收外部環(huán)境或別的Agent傳輸過(guò)來(lái)的信息，并將信息轉(zhuǎn)變成Agent所能理解的模式，同時(shí)向外部環(huán)境或其他Agent發(fā)送此信息。知識(shí)推理模塊，它具有Agent的特性、方法和行為規(guī)范。自動(dòng)進(jìn)行更行，為Agent自主活動(dòng)的實(shí)施提供事實(shí)依據(jù)。執(zhí)行模塊，是Agent內(nèi)部的具體決策部件，依據(jù)知識(shí)模塊中的屬性、方法和行為原則作出具體的判斷，同時(shí)及時(shí)更新知識(shí)推理單元的知識(shí)。Agent的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖5所示。

3.2 Agent間的通信機(jī)制

在基于Multi?Agent的大學(xué)生體育訓(xùn)練管理決策系統(tǒng)中，Multi?Agent之間采用黑板模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)Agent間的通信。如圖6所示。

在Multi?Agent中黑板提供工作范圍，Agent可以相互交換信息、數(shù)據(jù)和知識(shí)，Agent在最初創(chuàng)建時(shí)就已經(jīng)在黑板上填寫了信息項(xiàng)，同時(shí)可分享給其他Agent所使用，并根據(jù)Agent的具體需要可隨時(shí)訪問(wèn)黑板，以便獲取更多新的信息[10]。Agent采用篩選的方法提取自己所需的信息，Agent在黑板系統(tǒng)中，他們之間不產(chǎn)生相互通信，每個(gè)Agent獨(dú)立解答求解的子問(wèn)題。功能Agent，把一個(gè)問(wèn)題分解成若干個(gè)子問(wèn)題，讓更多的Agent參與到求解的工作當(dāng)中，暫時(shí)性的組成一個(gè)聯(lián)盟，一起去求解問(wèn)題，聯(lián)盟求解工作結(jié)束后（任務(wù)完成后聯(lián)盟自動(dòng)解散）利用功能Agent將其信息傳回給黑板匯總[11]，最終反饋給相應(yīng)的Agent界面，轉(zhuǎn)交給用戶。

在黑板系統(tǒng)中，Agent從黑板提供的公共區(qū)域提取和相互交換信息，他適合頻率較低、容量較大通信方式，這種方式符合體育訓(xùn)練管理DSS中決策方案的協(xié)商合作討論過(guò)程的通信方式。

4 系統(tǒng)模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)

4.1 模型庫(kù)管理系統(tǒng)

基于Multi?Agent的大學(xué)生體育訓(xùn)練管理決策系統(tǒng)中，采用面向?qū)ο蟮哪Ｐ蛠?lái)表現(xiàn)模型庫(kù)，還可把若干模型對(duì)看成一個(gè)對(duì)象進(jìn)行儲(chǔ)存和管理[12]，并提供與知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)相匹配的接口。模型庫(kù)系統(tǒng)自身功能如下：

（1） 具有知識(shí)的表述和處理能力，能夠有效地提供模型系統(tǒng)的建造與操縱、體育訓(xùn)練領(lǐng)域的知識(shí)以及決策者的使用經(jīng)驗(yàn)。

（2） 提供模型操縱的基本方法，提供最佳的選擇策略。

（3） 具有學(xué)習(xí)和自我分析能力。

（4） 提供模型之間的相分離機(jī)制。

（5） 提供模型最終結(jié)果的解釋機(jī)制。

4.2 知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)

第一步要做好知識(shí)庫(kù)基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)建工作，然后按照有關(guān)體育方面的專家所提供的知識(shí)，經(jīng)過(guò)吸收提取產(chǎn)生規(guī)則，并儲(chǔ)存在知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)中。知識(shí)庫(kù)主要用于儲(chǔ)存與決策有關(guān)的規(guī)則，每一個(gè)規(guī)則都會(huì)被自動(dòng)或人為地加上一個(gè)權(quán)重系數(shù)，知識(shí)規(guī)則進(jìn)行工作時(shí)會(huì)有很多規(guī)則符合相應(yīng)的條件，這時(shí)就會(huì)提取權(quán)重系數(shù)最高的規(guī)則來(lái)進(jìn)行推理，以便解決匹配問(wèn)題的沖突現(xiàn)象[13]，產(chǎn)生式規(guī)則儲(chǔ)存的同時(shí)決策過(guò)程中所產(chǎn)生的新的規(guī)則也一同儲(chǔ)存到知識(shí)庫(kù)里。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

體育訓(xùn)練管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于陜西工院學(xué)生信息管理系統(tǒng)、服裝學(xué)院體育成績(jī)管理系統(tǒng)，體育訓(xùn)練計(jì)劃數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)等，模型分為預(yù)測(cè)和優(yōu)化模型、例聚類模型、回歸模型、EMSR模型等，規(guī)則庫(kù)中有預(yù)測(cè)計(jì)劃規(guī)則，例身體素質(zhì)綜合評(píng)估規(guī)則、體育訓(xùn)練手段規(guī)則、體育訓(xùn)練間歇安排規(guī)則等[14]。計(jì)劃制定執(zhí)行決策過(guò)程如下（一年級(jí)40人班級(jí)制定訓(xùn)練計(jì)劃）：

（1） 采集全班40人身體素質(zhì)基本數(shù)據(jù)和達(dá)標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)，并將訓(xùn)練計(jì)劃的時(shí)間安排一同輸入到界面里。例如是制定一個(gè)周訓(xùn)練計(jì)劃還是一個(gè)學(xué)期訓(xùn)練計(jì)劃，是階段性計(jì)劃還是連續(xù)性計(jì)劃，還要有上課具體時(shí)間的安排。40人身體素質(zhì)基本數(shù)據(jù)和達(dá)標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)，時(shí)間安排數(shù)據(jù)暫時(shí)儲(chǔ)存到黑板中，并形成相對(duì)應(yīng)的規(guī)則，指導(dǎo)訓(xùn)練計(jì)劃的產(chǎn)生。

（2） 界面Agent將制定計(jì)劃信息請(qǐng)求傳輸給黑板控制Agent后，黑板控制依據(jù)知識(shí)庫(kù)和協(xié)作的規(guī)則把需要處理的問(wèn)題逐一分解成身體素質(zhì)測(cè)評(píng)、訓(xùn)練計(jì)劃安排、訓(xùn)練時(shí)間安排等若干個(gè)子問(wèn)題，然后再將這些若干個(gè)子問(wèn)題交給身體素質(zhì)測(cè)評(píng)功能Agent、訓(xùn)練計(jì)劃安排功能Agent、訓(xùn)練時(shí)間安排功能Agent等。

（3） 每個(gè)功能Agent把從黑板傳送過(guò)來(lái)的工作任務(wù)進(jìn)行分類[15]，根據(jù)任務(wù)的需要進(jìn)行歸類，分成若干個(gè)可以由Agent獨(dú)立完成的小任務(wù)。例如身體素質(zhì)測(cè)評(píng)功能Agent可分為身高、體重、視力、協(xié)調(diào)、心率、肺活量、握力等小任務(wù)，再交給相對(duì)應(yīng)的決策Agent進(jìn)行決策。

（4） 各個(gè)功能Agent將決策Agent推理所得到的子結(jié)果反饋給黑板，黑板在單元中進(jìn)行匯總，將身高、體重、視力、協(xié)調(diào)、心率、肺活量、握力、身體素質(zhì)測(cè)評(píng)最佳方法的選擇、最佳訓(xùn)練計(jì)劃安排、最佳訓(xùn)練時(shí)間安排等子結(jié)果匯總成一個(gè)總結(jié)果，最后通過(guò)界面Agent以一個(gè)固態(tài)表格的形式展示給計(jì)劃制定者，并作出行對(duì)應(yīng)的解釋。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)目前大學(xué)體育教師很難根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況制定出科學(xué)有效的訓(xùn)練計(jì)劃，結(jié)合Multi?Agent技術(shù)，設(shè)計(jì)了大學(xué)生體育訓(xùn)練管理決策系統(tǒng)，他能夠?yàn)榇髮W(xué)生量身定做科學(xué)有效的訓(xùn)練計(jì)劃。在大學(xué)體育訓(xùn)練管理中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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6 結(jié) 論

本文針對(duì)目前大學(xué)體育教師很難根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況制定出科學(xué)有效的訓(xùn)練計(jì)劃，結(jié)合Multi?Agent技術(shù)，設(shè)計(jì)了大學(xué)生體育訓(xùn)練管理決策系統(tǒng)，他能夠?yàn)榇髮W(xué)生量身定做科學(xué)有效的訓(xùn)練計(jì)劃。在大學(xué)體育訓(xùn)練管理中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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6 結(jié) 論

本文針對(duì)目前大學(xué)體育教師很難根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況制定出科學(xué)有效的訓(xùn)練計(jì)劃，結(jié)合Multi?Agent技術(shù)，設(shè)計(jì)了大學(xué)生體育訓(xùn)練管理決策系統(tǒng)，他能夠?yàn)榇髮W(xué)生量身定做科學(xué)有效的訓(xùn)練計(jì)劃。在大學(xué)體育訓(xùn)練管理中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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