MOOC平臺(tái)的MAS系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)模型研究

張少龍+李翼鴻+余奇?zhèn)?/p>

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.02.006

摘 ?要： MOOC平臺(tái)是一個(gè)具有動(dòng)態(tài)性、開放性、智能化和社會(huì)性等特征的復(fù)雜系統(tǒng)。采用MAS（Multi-Agent System）系統(tǒng)建模方法對(duì)MOOC平臺(tái)建模時(shí)，需要解決MOOC平臺(tái)的組織結(jié)構(gòu)模型描述問題。目前MAS建模常用的角色-組織模型方法難以描述MOOC平臺(tái)組織結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性和開放性，因此提出一種映射-算子方法，該方法采用基于元素集合之間的映射定義來描述系統(tǒng)元素之間的靜態(tài)關(guān)系，算子定義導(dǎo)致系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的行為，反映系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，兩者有機(jī)地結(jié)合在一起，能夠較好地解決MOOC平臺(tái)組織結(jié)構(gòu)描述的動(dòng)態(tài)性和開放性問題，而且具有可實(shí)現(xiàn)性，具有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： MOOC; MAS系統(tǒng)模型; Agent; 組織結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP302 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2016）02-18-04

Research on the using of MAS in MOOC platform organization structure modeling

Zhang Shaolong， Li Yihong， Yu Qiwei

（Information Center， Zhejiang Radio&Television University， Hangzhou， Zhejiang 310012， China）

Abstract： MOOC is a complex system which is open， dynamic and social intelligent. When trying to build MOOC system model by using MAS （Multi-Agent System）， it is difficult to describe and define the agent organization， so current prevailing agent organization theory （role-organization） faces problems in defining the open and dynamic Multi-Agent System. In this paper， a new method is proposed which defines the organization with mappings and operators. Mappings define the static relations in the system while operators describe the dynamic actions; it is a satisfying method to describe the open， dynamic MOOC system model.

Key words： MOOC; MAS system model; agent; organization structure

0 引言

基于互聯(lián)網(wǎng)和Web2.0技術(shù)的大規(guī)模開放在線課程（MOOC）具有免費(fèi)、方便、省時(shí)、高質(zhì)量和不受時(shí)/空限制等特征[1]，隨著Coursera、Udacity、edX等MOOC平臺(tái)在全球的推廣，越來越多的學(xué)習(xí)者通過MOOC平臺(tái)參與到網(wǎng)絡(luò)課程的學(xué)習(xí)中[2]。目前在遠(yuǎn)程教育技術(shù)界，關(guān)于MOOC平臺(tái)的應(yīng)用研究比較多，但對(duì)MOOC平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)-MOOC平臺(tái)的系統(tǒng)模型的相關(guān)研究則很少。MOOC平臺(tái)由平臺(tái)運(yùn)營(yíng)者、課程提供者、學(xué)習(xí)者、課程資源等多種要素構(gòu)成，這些要素之間存在著學(xué)習(xí)、評(píng)價(jià)、推薦等多種交互關(guān)系，同時(shí)平臺(tái)中的組成要素每時(shí)每刻發(fā)生著變化，因此平臺(tái)具有動(dòng)態(tài)性、開放性、智能化和社會(huì)性等典型的復(fù)雜系統(tǒng)特征[3]。

源于人工智能領(lǐng)域的Agent技術(shù)和Multi-Agent System（MAS）系統(tǒng)方法是目前對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模的一種有效的抽象方式和研究方法，其中系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)模型是對(duì)MAS系統(tǒng)中所涉及的對(duì)象以及對(duì)象之間關(guān)系的抽象描述，是整個(gè)MAS系統(tǒng)模型的建立基礎(chǔ)。角色-組織模型是目前最常用的MAS系統(tǒng)建模方法，但MOOC平臺(tái)是一種完全動(dòng)態(tài)的、開放的MAS系統(tǒng)，系統(tǒng)中Agent隨時(shí)可能加入/退出系統(tǒng)，Agent與其他系統(tǒng)組成要素之間的關(guān)系也可能隨時(shí)發(fā)生變化，系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)變化的特性，使用角色-組織模型則難以描述這種結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化特性。本文提出一種基于映射-算子描述的方法對(duì)MOOC平臺(tái)的MAS系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了描述。

1 Agent和MAS系統(tǒng)模型理論概述

Agent的定義最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代的人工智能領(lǐng)域，作為人工智能研究對(duì)象的一種抽象而提出來的。Wooldridge和Jennings將Agent定義為具有自治性、社會(huì)性、反應(yīng)性和預(yù)動(dòng)性特性的計(jì)算機(jī)軟件或硬件系統(tǒng)。MAS（Multi-Agent System）系統(tǒng)，是指由多個(gè)Agent組成的系統(tǒng)，MAS系統(tǒng)從復(fù)雜系統(tǒng)的分解、復(fù)雜系統(tǒng)的抽象、復(fù)雜系統(tǒng)的綜合三方面提供了一個(gè)可供實(shí)踐的復(fù)雜系統(tǒng)的分析模式[4]。

目前MAS系統(tǒng)模型的構(gòu)建方法以基于角色-組織模型的構(gòu)建方法最為流行，也是研究最多的構(gòu)建方法，基于角色-組織模型的構(gòu)建方法包括Gaia[5]、AGR[6]、MOISE+[7]、OMNI[8]等。角色-組織模型借助于社會(huì)學(xué)和組織學(xué)等學(xué)科的理論，通過角色和組織的概念來構(gòu)建。組織是有一定目標(biāo)和能力的Agent的集合，組織由設(shè)計(jì)者預(yù)先定義，組織有一個(gè)共同的預(yù)先定義的目標(biāo);集合內(nèi)的Agent視為系統(tǒng)中承擔(dān)某個(gè)或某些角色的自主行為實(shí)體，Agent之間的協(xié)作模式是特定的，通過互相交互以達(dá)到特定的目標(biāo)或任務(wù)。

角色-組織模型以基于角色的概念模型為基礎(chǔ)，可以創(chuàng)建出符合MAS系統(tǒng)概念的軟件分析、設(shè)計(jì)與開發(fā)語言。但是，其對(duì)動(dòng)態(tài)的、開放的MAS系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模時(shí)，不足之處也是明顯的：首先，模型要求系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)是靜態(tài)的，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段確定，同時(shí)系統(tǒng)的全局目標(biāo)也需預(yù)先完全確定，系統(tǒng)中各個(gè)Agent通過合作來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局的目標(biāo);其次，Agent交互的組織關(guān)系和Agent的能力定義在系統(tǒng)運(yùn)行期間是靜態(tài)的，不能適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系。

2 基于映射-算子組織結(jié)構(gòu)的描述方法

由于MOOC平臺(tái)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、開放的復(fù)雜系統(tǒng)，采用角色-組織描述方法對(duì)開放式MAS系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述時(shí)，會(huì)遇到的組織目標(biāo)難以定義、角色定義的無限膨脹等問題，為此本文提出一種映射-算子方法描述MOOC平臺(tái)的MAS系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)。該方法將MAS系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)描述分為映射的定義和算子的定義兩部分。

2.1 映射的定義

將系統(tǒng)中元素劃分為多個(gè)同類元素的集合，元素與元素之間關(guān)系定義為集合之間的映射關(guān)系。

對(duì)MAS系統(tǒng)S，S中的構(gòu)成元素可以被劃分成多個(gè)子集合。

S={A1，A2，A3，…An}，

設(shè)S中各子集合內(nèi)的元素之間不存在關(guān)系。

若元素集合Ai中的元素與元素集合Aj中的元素之間存在關(guān)系，則定義元素集合Ai與元素集合Aj之間存在映射關(guān)系f，記作f：Ai→Aj。對(duì)集合Ai中的每個(gè)元素x，集合Aj有一個(gè)且僅有一個(gè)元素y與x相對(duì)應(yīng)，記作：

f（x）=y（x∈Ai，y∈Aj）

在某個(gè)時(shí)刻，系統(tǒng)S中的元素集合之間所有的映射關(guān)系共同構(gòu)成了系統(tǒng)S的關(guān)系狀態(tài)向量。記作：

STAT（Tt）={f1（t），f2（t），f3（t），…fn（t）}。

2.2 算子的定義

算子是定義系統(tǒng)S中的元素在集合上的操作，操作的結(jié)果能夠改變集合之間的映射關(guān)系。系統(tǒng)中的算子主要有三類：元素加入算子、元素退出算子、Agent行為算子。

元素加入算子描述新的元素加入系統(tǒng)的行為，加入的元素加入到相應(yīng)的元素集合中，并與系統(tǒng)其他的元素之間形成的新的關(guān)系，改變相關(guān)集合上的映射關(guān)系。

元素退出算子描述系統(tǒng)中的元素離開系統(tǒng)的行為，元素退出后，會(huì)影響其所在的相應(yīng)的元素集合，并撤銷與系統(tǒng)其他的元素之間形成的關(guān)系，改變相關(guān)集合上的映射關(guān)系。

Agent行為算子是指Agent發(fā)起的操作行為，其行為的結(jié)果能夠改變?cè)刂g關(guān)系，進(jìn)而改變相關(guān)集合上的映射關(guān)系。

2.3 映射-算子方法

采用映射-算子方法描述系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)有以下。

⑴ 映射-算子方法將系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的描述分解為兩部分：映射關(guān)系描述和算子描述。映射關(guān)系描述著重于對(duì)系統(tǒng)中元素集合的劃分和集合上的映射關(guān)系定義，反映系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的靜態(tài)信息;算子則定義了導(dǎo)致系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的行為，反映系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。兩者有機(jī)地結(jié)合在一起，能夠較好地描述系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)。

⑵ 關(guān)系映射方法將元素之間的關(guān)系描述上升為元素集合之間關(guān)系映射，采用基于集合之間的映射定義來描述元素之間的關(guān)系，能夠體現(xiàn)同類元素關(guān)系的相似性，簡(jiǎn)化了大量同質(zhì)的關(guān)系定義。

⑶ 關(guān)系映射方法將元素上存在的多個(gè)關(guān)系分解為多個(gè)映射關(guān)系，每個(gè)映射關(guān)系相對(duì)獨(dú)立，易于控制。當(dāng)某個(gè)Agent與其他元素的關(guān)系發(fā)生變動(dòng)時(shí)，只會(huì)影響與其相關(guān)的集合關(guān)系映射。

3 MOOC平臺(tái)的MAS系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)模型

本文采用映射-算子方法將MOOC平臺(tái)的MAS系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)模型視為一個(gè)代數(shù)結(jié)構(gòu)，用集合論的描述方法給出來了一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型定義。囿于篇幅所限，本文僅對(duì)系統(tǒng)模型中主要的關(guān)系和算子進(jìn)行了描述。

⑴ 集合定義

定義1.1 時(shí)刻集合T≡{t0，t1，t2，…}，是時(shí)間軸上所有時(shí)間點(diǎn)的集合。

定義1.2 “<”是集合T中的元素時(shí)間點(diǎn)ti，tj之間的一種關(guān)系。當(dāng)ti和tj之間具有“<”關(guān)系時(shí)，就說ti先于tj，記為ti<tj。關(guān)系“<”表示了時(shí)間的順序性。

定義1.3 時(shí)間狀態(tài)集合TIME≡{T，<}。TIME是由時(shí)刻集合T，以及定義在T上的關(guān)系<構(gòu)成。

定義1.4 學(xué)習(xí)主體集合L_AGENT≡{l_agent1，l_agent2，…}。學(xué)習(xí)主體集合是由所有有可能加入組織的學(xué)習(xí)者的集合。

定義1.5 課程提供主體集合T_AGENT≡{t_agent1，t_agent2，…}。課程提供主體集合是由所有有可能加入組織的課程提供者的集合。

定義1.6 課程資源集合COURSE≡{course1，course2，…}。課程資源集合是由所有有可能加入組織的課程資源描述的集合。

定義1.7 學(xué)習(xí)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)主體P_AGENT。學(xué)習(xí)平臺(tái)主體代表組織中MOOC平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)者。

定義1.8 推薦策略集合POLICY≡{policy1，policy2，…}。策略集合是組織中學(xué)習(xí)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)主體所有可以使用的推薦策略的集合。

定義1.9 DATADASE是整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)了平臺(tái)中各個(gè)學(xué)習(xí)主體進(jìn)行學(xué)習(xí)、評(píng)價(jià)、推薦的歷史行為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫是執(zhí)行推薦策略的基礎(chǔ)。

⑵ 向量及空間定義

定義2.1 主體狀態(tài)空間S_L_AGENT為非空的學(xué)習(xí)主體集合L_AGENT的冪集，它是由集合L_AGENT的一切非空子集所構(gòu)成的。

定義2.2 主體狀態(tài)空間S_T_AGENT為非空的課程提供主體集合T_AGENT的冪集，它是由集合T_AGENT的一切非空子集所構(gòu)成的。

定義2.3 課程資源狀態(tài)空間S_COURSE為非空的資源集合COURSE的冪集，它是由集合COURSE的一切非空子集所構(gòu)成的。

定義2.4 組織狀態(tài)向量定義

org≡<t，t_l_agent，t_t_agent，P_AGENT，t_course，

t_policy，DATABASE| t∈TIME，t_l_agent∈S_L_AGENT，

t_t_agent∈S_T_AGENT，t_course∈S_COURSE，

t_policy∈POLICY>

定義說明 組織狀態(tài)向量org是一個(gè)七元組。由某一時(shí)刻t下，組織中的學(xué)習(xí)主體集合t_l_agent，課程提供主體集合t_t_agent，學(xué)習(xí)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)主體P_AGENT，課程資源集合t_course，推薦策略t_policy和數(shù)據(jù)庫DATADASE組成。

定義2.5 組織狀態(tài)向量空間定義

組織狀態(tài)向量空間S_ORG是組織狀態(tài)向量org的取值范圍。組織狀態(tài)空間S_ORG的集合笛卡爾積表示為：

S_ORG≡TIME×L_AGENT×T_AGENT×P_AGENT

×COURSE×POLICY×DATABASE

⑶ 映射定義

定義3.1 設(shè)組織狀態(tài)向量org的課程資源集合t_course∈S_COURSE，課程提供主體集合t_t_agent∈S_課程提供之間存在一個(gè)關(guān)系映射provide，對(duì)集合t_course中的每個(gè)元素x，集合t_t_agent有一個(gè)且僅有一個(gè)元素y與x相對(duì)應(yīng)，則稱provide是從課程資源集合t_course到課程提供主體集合t_t_agent的映射關(guān)系。記為provide：t_course→t_t_agent，x→y，或簡(jiǎn)寫為provide：t_course→t_t_agent，y稱為x的像，x叫做y的原像。

provide（t_course）表示t_course的每個(gè)元素的像所成的集合，provide（t_course）={provide（x）|x∈t_course}。

集合t_course稱為映射provide的定義域，provide（t_course）則稱為provide的值域。

定義3.2 設(shè)組織狀態(tài)向量org的學(xué)習(xí)主體集合t_l_agent∈S_L_AGENT和課程資源集合t_course∈S_COURSE之間存在一個(gè)關(guān)系映射learn，對(duì)集合t_l_agent中的每個(gè)元素y，集合t_course有一個(gè)且僅有一個(gè)元素z與y相對(duì)應(yīng)，則稱learn是從主體集合t_l_agent到課程資源集合t_course的映射關(guān)系。記為

learn：t_l_agent→t_course，y→z，或簡(jiǎn)寫為learn：t_l_agent→t_course，z稱為y的像，y叫做z的原像。

learn（t_l_agent）表示t_l_agent的每個(gè)元素的像所成的集合，learn（t_l_agent）={g（y）|y∈t_l_agent}。

集合t_l_agent稱為映射learn的定義域，learn（t_l_agent）則稱為learn的值域。

⑷ 算子定義

定義4.1 學(xué)習(xí)主體登錄組織算子

l_agent_login_org（t，l_agenti，org），表示學(xué)習(xí)主體l_agenti在t時(shí)刻登錄組織org。學(xué)習(xí)主體加入組織算子會(huì)使組織向量狀態(tài)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變成的新的組織向量。

定義4.2 學(xué)習(xí)主體退出組織算子

l_agent_logout_org（t，l_agenti，org），表示學(xué)習(xí)主體l_agenti在t時(shí)刻退出組織org。學(xué)習(xí)主體退出組織算子會(huì)使組織向量狀態(tài)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變成的新的組織向量。

定義4.3 課程提供主體加入組織算子

t_agent_register_org（t，t_agenti，org），表示課程提供主體t_agenti在t時(shí)刻加入組織org，可以為組織內(nèi)的學(xué)習(xí)主體提供課程。課程提供主體加入組織算子會(huì)使組織向量狀態(tài)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變成的新的組織向量。

定義4.4 課程提供算子

provide_course（t，t_agenti，coursei），表示課程提供主體t_agenti在t時(shí)刻向組織org內(nèi)的學(xué)習(xí)主體提供課程coursei。課程提供算子會(huì)使組織向量狀態(tài)中關(guān)系映射provide發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變成的新的組織向量。

定義4.5 推薦策略選擇算子

org_recommend_policy（t，P_AGENT，policyi），表示學(xué)習(xí)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)主體P_AGENT在t時(shí)刻采用推薦策略policyi作為平臺(tái)的課程推薦策略。

定義4.6 課程推薦算子

recommend_course（t，P_AGENT，l_agenti，policyi，DATABASE），表示學(xué)習(xí)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)主體P_AGENT在t時(shí)刻采用推薦策略policyi并基于DATABASE中的數(shù)據(jù)向?qū)W習(xí)主體l_agenti提供一個(gè)推薦課程集合。

定義4.7 課程選擇學(xué)習(xí)算子

l_agent_select_course（t，l_agenti，coursei，DATABASE），表示學(xué)習(xí)主體l_agenti在t時(shí)刻選擇課程coursei進(jìn)行學(xué)習(xí)。課程選擇學(xué)習(xí)算子會(huì)使組織向量狀態(tài)中關(guān)系映射learn發(fā)生變化，并更新DATABASE數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)變成的新的組織向量。

定義4.8 課程評(píng)價(jià)算子

l_agent_evaluate_course（t，l_agenti，coursei，DATABASE），表示學(xué)習(xí)主體l_agenti在t時(shí)刻向課程coursei做出評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)信息將更新DATABASE數(shù)據(jù)庫。

基于映射和算子，整個(gè)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)變化的描述如圖1所示。

4 小結(jié)

MOOC平臺(tái)是一種完全動(dòng)態(tài)的、開放的MAS系統(tǒng)。系統(tǒng)中的各類Agent隨時(shí)可能加入/退出系統(tǒng)，Agent與其他系統(tǒng)組成要素之間的關(guān)系也可能隨時(shí)發(fā)生變化。因此系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)變化的特性，目前使用的角色-組織方法難以描述這種結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化特性。

本文提出了一種映射-算子方法，該方法采用基于元素集合之間的映射定義來描述系統(tǒng)元素之間的靜態(tài)關(guān)系，能夠體現(xiàn)同類元素之間關(guān)系的相似性，簡(jiǎn)化了大量同質(zhì)關(guān)系的定義;算子則是定義元素在集合上的操作，是系統(tǒng)的組成關(guān)系改變的原因。映射-算子方法將對(duì)兩者的描述有機(jī)結(jié)合起來，能夠較好地描述MOOC平臺(tái)的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)。同時(shí)由于映射-算子方法是一種基于代數(shù)結(jié)構(gòu)和集合論的嚴(yán)格數(shù)學(xué)模型，能夠通過自動(dòng)化工具和計(jì)算機(jī)語言轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供一個(gè)可實(shí)踐操作的系統(tǒng)模型基礎(chǔ)。

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