基于認(rèn)知的情感多Agent交互建模研究

周豪+謝昕

摘? 要：以多角色CVLE建模和角色情感為研究主線，在結(jié)合國內(nèi)外虛擬環(huán)境、認(rèn)知理論、情感理論、多Agent系統(tǒng)（Multi-Agent System，MAS）理論等相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)CVLE具有多角色、開放式、協(xié)作性、感知性的特點(diǎn)，提出一種基于角色組織與感知的多Agent框架模型；針對(duì)虛擬角色認(rèn)知與情感交互影響特點(diǎn)，提出了基于認(rèn)知的情感交互建模，可實(shí)現(xiàn)具有開放式多角色的協(xié)同虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：CVLE；Agent；情感交互；建模

中圖分類號(hào)：TN915.5?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1?? 引言（Introduction）

隨著20世紀(jì)末e-learning的誕生與發(fā)展，將協(xié)同虛擬環(huán)境與e-learning相結(jié)合應(yīng)用成為基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)領(lǐng)域新的需求，從而推動(dòng)了對(duì)協(xié)同虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境（Collaborative Virtual Learning Environment，CVLE）這個(gè)新領(lǐng)域的研究[1]。近年來各國學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行大量研究隨著IT技術(shù)的迅速發(fā)展，我國的網(wǎng)絡(luò)教育市場也在迅猛發(fā)展，根據(jù)資料顯示到2013年底我國網(wǎng)絡(luò)教育用戶已達(dá)到2650萬人，作為網(wǎng)絡(luò)教育的新方式e-learning也逐漸被廣大人群使用[2]。CVLE作為特殊的e-learning系統(tǒng)，由于其具有語音、行為、情感上的互動(dòng)，讓教學(xué)變得更加生動(dòng)，給學(xué)習(xí)者與教育者真實(shí)的交互感受，這使得CVLE將會(huì)在職業(yè)培訓(xùn)、企業(yè)培訓(xùn)、終身學(xué)習(xí)等方面起到重要作用，尤其對(duì)推動(dòng)江西網(wǎng)絡(luò)教育的發(fā)展，改變江西教育及科技相對(duì)落后的現(xiàn)狀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

為了提高虛擬培訓(xùn)學(xué)習(xí)環(huán)境的真實(shí)感和體驗(yàn)感，情感建模也逐漸地被應(yīng)用到協(xié)同虛擬培訓(xùn)學(xué)習(xí)環(huán)境中[4]。情感模型研究起始于國外，OCC模型是第一個(gè)易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的認(rèn)知情感產(chǎn)生模型，它是對(duì)環(huán)境中事件、主體和對(duì)象感知進(jìn)行評(píng)價(jià)的情感模型[5]。Particia等結(jié)合OCC情感模型，提出一種智能學(xué)習(xí)環(huán)境中學(xué)生情感推理建模的BDI方法，該方法能有效推斷學(xué)生表情、建立表情模型和選擇合理的情感策略[6]。Sloman提出了基于情感h-cogaff斯洛曼情感描述模型，試圖描述自然發(fā)生的過程，探討內(nèi)部潛在的機(jī)制研究引起的出現(xiàn)和情感行為的變化[7]。通過以上對(duì)比可以看出，國外重點(diǎn)在認(rèn)知對(duì)情感作用的研究，但較少針對(duì)認(rèn)知與情感交互影響模型進(jìn)行研究，而國內(nèi)在情感領(lǐng)域也有眾多研究，并且結(jié)合認(rèn)知過程討情感問題，取得了一定的研究成果，但側(cè)重于情感理論研究，在研究情感應(yīng)用系統(tǒng)上有待加強(qiáng)。

2? 協(xié)同虛擬環(huán)境建模（Collaborative virtual

environment modeling）

協(xié)同虛擬環(huán)境（CVLE）是協(xié)同虛擬、人工智能技術(shù)結(jié)合應(yīng)用與e-learning的產(chǎn)物，其目的是為用戶提供共享的、真實(shí)感的虛擬學(xué)習(xí)空間，使人們更真實(shí)，自然，協(xié)同交互協(xié)調(diào)，人與人之間的討論和學(xué)習(xí)。CVLE也不完全相同于一般的協(xié)同虛擬環(huán)境系統(tǒng)，CVLE更注重于教學(xué)、指導(dǎo)與交流，其自身的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：

（1）過程的協(xié)同和互動(dòng)服務(wù)的復(fù)雜性，因?yàn)樘摂M的協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境，在分布式環(huán)境中，虛擬教室環(huán)境的建立，包括不同的參與者和合作之間的相互作用，帶來非常模擬難度大。

（2）具有多角色性和開放式，即使用者具有多種角色，且存在角色轉(zhuǎn)換、自由入場退場等開放式問題。

（3）具有情感交互性特點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)表明情感是學(xué)習(xí)效果的重要的影響因素。以上相關(guān)問題是影響CVLE發(fā)展和應(yīng)用的重要因素，也是使其成為當(dāng)前國內(nèi)外研究熱點(diǎn)的重要原因，目前國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)大部分只是從某一方面進(jìn)行討論，而沒有明確給出一個(gè)完整的解決方案。

該模型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，首先將CVLE劃分為角色類型空間、角色空間和Agent社會(huì)三個(gè)層次空間，然后根據(jù)層次映射關(guān)系分別實(shí)現(xiàn)原子角色、角色組織、角色實(shí)體三種核心對(duì)象建模，最后在Agent社會(huì)層與基于感知的多Agent框架模型融合，實(shí)現(xiàn)Agent之間數(shù)據(jù)協(xié)同交互，其主要過程如圖1所示。

圖1 角色組織設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Design structure chart of character organization

（1）原子角色模型是一種抽象的單純的角色概述，原子角色模型的定義采用抽象的規(guī)范化語言進(jìn)行描述。根據(jù)實(shí)際案例構(gòu)建角色原子模型需要按照以下操作進(jìn)行，如圖1所示，首先根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，提取場景中原子角色屬性，構(gòu)建各種基本角色的原子角色模型。

（2）提取協(xié)同虛擬環(huán)境中實(shí)際的角色需求，分析角色需求內(nèi)涵中包含的原子角色類型，然后根據(jù)角色需求與原子角色之間的繼承、依賴、關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建角色需求的角色組織結(jié)構(gòu)，多個(gè)角色組織結(jié)構(gòu)的集合組成了角色類型空間。

（3）根據(jù)上一步已經(jīng)完成的角色組織結(jié)構(gòu)，分析虛擬每個(gè)虛擬人物各自屬性與功能服務(wù)特點(diǎn)，采用量化方式對(duì)各項(xiàng)屬性賦值，并根據(jù)角色行為要求實(shí)現(xiàn)其功能與服務(wù)內(nèi)容，針對(duì)每一虛擬角色生成該虛擬人物的角色實(shí)例。

（4）角色實(shí)例中已經(jīng)包含了虛擬人物的屬性、功能和服務(wù)，因此將角色實(shí)例與Agent智能體關(guān)聯(lián)應(yīng)用，決定了Agent所扮演的角色類型；其所采用的主要方法是將角色實(shí)體的屬性、功能服務(wù)注入到Agent結(jié)點(diǎn)中，Agent根據(jù)角色實(shí)體中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行協(xié)同交互活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)角色組織與基于感知多Agent框架模型的無縫融合。

3 情感交互模型建模（Emotional interaction

modeling）

基于認(rèn)知的情感交互模型是一種以認(rèn)知、情感及其相互關(guān)系為研究內(nèi)容的情感研究模型，該模型遵循“事件感知—評(píng)價(jià)決策—情感影響—經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)”的流程設(shè)計(jì)思想，符合自然人類認(rèn)知與情感過程。本模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，其包含評(píng)價(jià)模型、場景認(rèn)知圖、情感模型、經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)模型、行為決策模型等組成部分。該模型的主要研究過程如圖2所示。endprint

圖2 基于認(rèn)知的情感交互模型框圖

Fig.2 Model diagram of emotional interaction based cognitive

（1）結(jié)合認(rèn)知學(xué)理論，研究認(rèn)知與場景、對(duì)象、事件、情感等之間交互的內(nèi)涵本質(zhì)，提出場景認(rèn)知圖概念，它是虛擬角色對(duì)場景環(huán)境和社會(huì)交互形勢的認(rèn)知積累，其包含地形認(rèn)知圖、對(duì)象認(rèn)知圖、活動(dòng)認(rèn)知圖、情感認(rèn)知圖和關(guān)系認(rèn)知圖；結(jié)合Object-Z語言采用形式化描述的方法構(gòu)建場景認(rèn)知圖的數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)中采用結(jié)構(gòu)化和圖形化方法進(jìn)行表示。

（2）結(jié)合場景認(rèn)知圖、模糊規(guī)則庫，構(gòu)建基于認(rèn)知的事件模糊評(píng)價(jià)模型；通過該評(píng)價(jià)模型，對(duì)外部事件和活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而推測情感影響因子。

（3）從情緒心理學(xué)基本理論出發(fā)，分別從性格、心境、情緒三個(gè)層次分析情感組成要素，如五元組的使用（Frank、負(fù)責(zé)、性格外向、開朗的性格、神經(jīng)質(zhì)）表示的空間，使用PAD（快樂的覺醒的樂趣、激發(fā)、顯性）方法是心靈的空間，根據(jù)五種典型的情感參數(shù)在OCC模型（憤怒、厭惡、恐懼、快樂、悲傷）表達(dá)的情感空間，根據(jù)OCC模型中五個(gè)典型情感參數(shù)（憤怒、厭惡、恐懼、高興、悲傷）表示情緒空間，采用非線性方程描述情感影響因子、性格、心境、情緒之間相互影響關(guān)系，從而構(gòu)建情感因子影響的情感模型。

（4）對(duì)于虛擬角色經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)與行為決策功能，通過構(gòu)建事件交互知識(shí)庫，對(duì)每次事件交互進(jìn)行記錄，對(duì)每一種事件目的、動(dòng)作及所產(chǎn)生的情感影響因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇目的相似，而且影響情感因子能量概率最大的行為動(dòng)作，作為其決策行為。

4?? 結(jié)論（Conclusion）

針對(duì)CVLE具有多角色、開放式、協(xié)同性的特點(diǎn)，建立一種基于多角色組織與感知的多Agent框架模型；針對(duì)虛擬人物智能體具有認(rèn)知與情感相互影響的特點(diǎn)，建立一種基于認(rèn)知的情感交互模型。通過這兩種模型的結(jié)合應(yīng)用，最后實(shí)現(xiàn)具有情感感知交互、開放式多角色的協(xié)同虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 張雪元，王志良，永井正武.機(jī)器人情感交互模型研究[J].計(jì)算

機(jī)工程，2006，32（24）：6-8.

[2] 楊宏偉，潘志庚，劉更代.一種綜合可計(jì)算情感建模方法[J].計(jì)

算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45（4）：579-587.

[3] 石琳，等.智能虛擬環(huán)境中主體的情感計(jì)算研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)

用，2010，30（5）：1367-1370.

[4] 李海芳，何海鵬，陳俊杰.性格心情和情感的多層情感建模方

法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（4）：725-730.

[5] 薛為民.基于認(rèn)知機(jī)制的情感虛擬人交互技術(shù)研究[J].北京聯(lián)

合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，24（4）：1-6.

[6] 張志勇，等.基于角色和協(xié)作場景的MAS管理模型及應(yīng)用[J].

計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，2005，22（10）： 109-111.

[7] 周留軍，等.基于學(xué)習(xí)者個(gè)性因素的多Agent協(xié)同學(xué)習(xí)系統(tǒng)[J].

計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，30（255）：93-95.

作者簡介：

周? 豪（1988-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，電

子政務(wù).

謝? 昕（1969-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信

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圖2 基于認(rèn)知的情感交互模型框圖

Fig.2 Model diagram of emotional interaction based cognitive

（1）結(jié)合認(rèn)知學(xué)理論，研究認(rèn)知與場景、對(duì)象、事件、情感等之間交互的內(nèi)涵本質(zhì)，提出場景認(rèn)知圖概念，它是虛擬角色對(duì)場景環(huán)境和社會(huì)交互形勢的認(rèn)知積累，其包含地形認(rèn)知圖、對(duì)象認(rèn)知圖、活動(dòng)認(rèn)知圖、情感認(rèn)知圖和關(guān)系認(rèn)知圖；結(jié)合Object-Z語言采用形式化描述的方法構(gòu)建場景認(rèn)知圖的數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)中采用結(jié)構(gòu)化和圖形化方法進(jìn)行表示。

（2）結(jié)合場景認(rèn)知圖、模糊規(guī)則庫，構(gòu)建基于認(rèn)知的事件模糊評(píng)價(jià)模型；通過該評(píng)價(jià)模型，對(duì)外部事件和活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而推測情感影響因子。

（3）從情緒心理學(xué)基本理論出發(fā)，分別從性格、心境、情緒三個(gè)層次分析情感組成要素，如五元組的使用（Frank、負(fù)責(zé)、性格外向、開朗的性格、神經(jīng)質(zhì)）表示的空間，使用PAD（快樂的覺醒的樂趣、激發(fā)、顯性）方法是心靈的空間，根據(jù)五種典型的情感參數(shù)在OCC模型（憤怒、厭惡、恐懼、快樂、悲傷）表達(dá)的情感空間，根據(jù)OCC模型中五個(gè)典型情感參數(shù)（憤怒、厭惡、恐懼、高興、悲傷）表示情緒空間，采用非線性方程描述情感影響因子、性格、心境、情緒之間相互影響關(guān)系，從而構(gòu)建情感因子影響的情感模型。

（4）對(duì)于虛擬角色經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)與行為決策功能，通過構(gòu)建事件交互知識(shí)庫，對(duì)每次事件交互進(jìn)行記錄，對(duì)每一種事件目的、動(dòng)作及所產(chǎn)生的情感影響因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇目的相似，而且影響情感因子能量概率最大的行為動(dòng)作，作為其決策行為。

4?? 結(jié)論（Conclusion）

針對(duì)CVLE具有多角色、開放式、協(xié)同性的特點(diǎn)，建立一種基于多角色組織與感知的多Agent框架模型；針對(duì)虛擬人物智能體具有認(rèn)知與情感相互影響的特點(diǎn)，建立一種基于認(rèn)知的情感交互模型。通過這兩種模型的結(jié)合應(yīng)用，最后實(shí)現(xiàn)具有情感感知交互、開放式多角色的協(xié)同虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)（References）

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機(jī)工程，2006，32（24）：6-8.

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法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（4）：725-730.

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[7] 周留軍，等.基于學(xué)習(xí)者個(gè)性因素的多Agent協(xié)同學(xué)習(xí)系統(tǒng)[J].

計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，30（255）：93-95.

作者簡介：

周? 豪（1988-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，電

子政務(wù).

謝? 昕（1969-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信

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圖2 基于認(rèn)知的情感交互模型框圖

Fig.2 Model diagram of emotional interaction based cognitive

（1）結(jié)合認(rèn)知學(xué)理論，研究認(rèn)知與場景、對(duì)象、事件、情感等之間交互的內(nèi)涵本質(zhì)，提出場景認(rèn)知圖概念，它是虛擬角色對(duì)場景環(huán)境和社會(huì)交互形勢的認(rèn)知積累，其包含地形認(rèn)知圖、對(duì)象認(rèn)知圖、活動(dòng)認(rèn)知圖、情感認(rèn)知圖和關(guān)系認(rèn)知圖；結(jié)合Object-Z語言采用形式化描述的方法構(gòu)建場景認(rèn)知圖的數(shù)學(xué)模型，并在計(jì)算機(jī)中采用結(jié)構(gòu)化和圖形化方法進(jìn)行表示。

（2）結(jié)合場景認(rèn)知圖、模糊規(guī)則庫，構(gòu)建基于認(rèn)知的事件模糊評(píng)價(jià)模型；通過該評(píng)價(jià)模型，對(duì)外部事件和活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而推測情感影響因子。

（3）從情緒心理學(xué)基本理論出發(fā)，分別從性格、心境、情緒三個(gè)層次分析情感組成要素，如五元組的使用（Frank、負(fù)責(zé)、性格外向、開朗的性格、神經(jīng)質(zhì)）表示的空間，使用PAD（快樂的覺醒的樂趣、激發(fā)、顯性）方法是心靈的空間，根據(jù)五種典型的情感參數(shù)在OCC模型（憤怒、厭惡、恐懼、快樂、悲傷）表達(dá)的情感空間，根據(jù)OCC模型中五個(gè)典型情感參數(shù)（憤怒、厭惡、恐懼、高興、悲傷）表示情緒空間，采用非線性方程描述情感影響因子、性格、心境、情緒之間相互影響關(guān)系，從而構(gòu)建情感因子影響的情感模型。

（4）對(duì)于虛擬角色經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)與行為決策功能，通過構(gòu)建事件交互知識(shí)庫，對(duì)每次事件交互進(jìn)行記錄，對(duì)每一種事件目的、動(dòng)作及所產(chǎn)生的情感影響因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇目的相似，而且影響情感因子能量概率最大的行為動(dòng)作，作為其決策行為。

4?? 結(jié)論（Conclusion）

針對(duì)CVLE具有多角色、開放式、協(xié)同性的特點(diǎn)，建立一種基于多角色組織與感知的多Agent框架模型；針對(duì)虛擬人物智能體具有認(rèn)知與情感相互影響的特點(diǎn)，建立一種基于認(rèn)知的情感交互模型。通過這兩種模型的結(jié)合應(yīng)用，最后實(shí)現(xiàn)具有情感感知交互、開放式多角色的協(xié)同虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 張雪元，王志良，永井正武.機(jī)器人情感交互模型研究[J].計(jì)算

機(jī)工程，2006，32（24）：6-8.

[2] 楊宏偉，潘志庚，劉更代.一種綜合可計(jì)算情感建模方法[J].計(jì)

算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45（4）：579-587.

[3] 石琳，等.智能虛擬環(huán)境中主體的情感計(jì)算研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)

用，2010，30（5）：1367-1370.

[4] 李海芳，何海鵬，陳俊杰.性格心情和情感的多層情感建模方

法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2011，23（4）：725-730.

[5] 薛為民.基于認(rèn)知機(jī)制的情感虛擬人交互技術(shù)研究[J].北京聯(lián)

合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，24（4）：1-6.

[6] 張志勇，等.基于角色和協(xié)作場景的MAS管理模型及應(yīng)用[J].

計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，2005，22（10）： 109-111.

[7] 周留軍，等.基于學(xué)習(xí)者個(gè)性因素的多Agent協(xié)同學(xué)習(xí)系統(tǒng)[J].

計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，30（255）：93-95.

作者簡介：

周? 豪（1988-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，電

子政務(wù).

謝? 昕（1969-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信

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