基于MAS的跨領(lǐng)域集成化推理系統(tǒng)設(shè)計

謝 天,韋瑤瑤

（1. 南華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，湖南衡陽，421001；2. 南華大學(xué)政治與公共管理學(xué)院，湖南衡陽，421001）

基于MAS的跨領(lǐng)域集成化推理系統(tǒng)設(shè)計

謝 天1,韋瑤瑤2

（1. 南華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，湖南衡陽，421001；2. 南華大學(xué)政治與公共管理學(xué)院，湖南衡陽，421001）

Multi-S-BOX空間理論為跨領(lǐng)域集成管理提供了新的方法。然而，基于集中式的知識表達(dá)和推理限制了跨領(lǐng)域存儲、交互、與協(xié)同求解的能力。通過分析Multi-S-BOX空間結(jié)構(gòu)與決策機(jī)理，利用MAS技術(shù)，設(shè)計各類功能Agent組件及其交互模式，定義其推理任務(wù)序列，提出Multi-S-BOX空間分布式推理系統(tǒng)架構(gòu)，為跨領(lǐng)域集成化決策的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。

多代理系統(tǒng)；智能代理；多領(lǐng)域語義X列表；集成

0 引言

面向海量異構(gòu)、無序、復(fù)雜多領(lǐng)域系統(tǒng)要素集成化決策需求，文獻(xiàn)[1, 2]提出了基于多領(lǐng)域語義X列表（Multi-domain Semantic Bill Of X，Multi-S-BOX）空間的集成方法。該方法通過空間映射和語義建模的方式，將源物理空間地理分散、異質(zhì)異構(gòu)、功能多樣的多個領(lǐng)域系統(tǒng)遷移到目標(biāo)Multi-S-BOX空間的領(lǐng)域語義X列表（Semantic Bill of X，S-BOX）模型，統(tǒng)一處理；通過建立空間各領(lǐng)域要素的語用/語義互操作調(diào)解模型，支持跨領(lǐng)域系統(tǒng)要素集成互操作；通過構(gòu)造跨領(lǐng)域系統(tǒng)有序化推理規(guī)則，通過空間決策推理的方式實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域系統(tǒng)的按需集成與重構(gòu)。

由于Multi-S-BOX空間要素關(guān)系復(fù)雜，推理過程多以異步形式進(jìn)行，集中式的知識表達(dá)和推理難以描述異步更新的領(lǐng)域系統(tǒng)本體信息，極大地限制了跨領(lǐng)域知識存儲、交互、與協(xié)同求解的效率。因此，設(shè)計具有智能、分布式的Multi-S-BOX空間推理系統(tǒng)對跨領(lǐng)域集成化決策具有重要支撐意義。

本文引入多代理系統(tǒng)（Multi-agent System，MAS）技術(shù)，構(gòu)造Multi-S-BOX空間分布式領(lǐng)域知識表達(dá)代理、知識推理代理，以及跨領(lǐng)域互操作與推理代理，設(shè)計空間分布式知識表達(dá)與推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，以支持靈活、自治的Multi-S-BOX空間推理需求。

1 Agent和MAS的基本理論

Agent通常具有自主、反應(yīng)、協(xié)調(diào)、協(xié)同、主動、推理能力等特性，作為滿足其功能目標(biāo)的計算主體，可在特定環(huán)境中自主運(yùn)行與交互[3,4]。假定某Agent代理置于一個可用離散狀態(tài)有限集E表示的環(huán)境中，e為瞬時環(huán)境的狀態(tài)。對任意環(huán)境變化，該Agent的反應(yīng)描述為活動集：， a為代理的活動，代理與環(huán)境通過活動交互，環(huán)境狀態(tài)發(fā)生改變?？捎胑與a交互的序列r來表示Agent運(yùn)行過程，。若用表示環(huán)境與活動交互運(yùn)行的序列全集，則以a活動為結(jié)束的序列子集可表示為，以e狀態(tài)為結(jié)束的序列子集可表示為。那么，可用以下狀態(tài)變遷函數(shù)來表示環(huán)境在Agent活動的影響下狀態(tài)的變化。故可表示r不存在后繼狀態(tài)，意味著r是可停止的有限運(yùn)行序列。因此，當(dāng)環(huán)境表示為三元組時，Agent模型可表示為，意味著將其一次以環(huán)境狀態(tài)為結(jié)束的運(yùn)行映射到活動，即該代理根據(jù)歷史以及目前的環(huán)境狀態(tài)決定來其行動。某代理Ag一次運(yùn)行序列可表示為，其中；。作為由多個相互協(xié)調(diào)的Agent構(gòu)成的松耦合分布式網(wǎng)絡(luò)，MAS具有社會性、自治性、協(xié)作性等方面的特征[3]，用于解決Agent難以單獨(dú)解決的復(fù)雜問題[5]。MAS中每個Agent或許有相同或不同的求解任務(wù)，具備不完整的知識和求解能力，以分布式的知識/信息存儲方式，與其他相關(guān)代理進(jìn)行自主協(xié)作，進(jìn)而協(xié)同求解復(fù)雜的問題。

考慮到MAS技術(shù)的智能性、分布性、社會性和協(xié)作性，適用于分布式跨領(lǐng)域系統(tǒng)集成化決策過程中，同時也為Multi-S-BOX空間分布式知識描述與協(xié)同推理求解的突破提供了有效途徑。

2 基于MAS的Multi-S-BOX空間分布式推理系統(tǒng)

2.1 Multi-S-BOX空間結(jié)構(gòu)與決策機(jī)理

Multi-S-BOX空間包括跨領(lǐng)域集成需求列表（Multidomain Bill Of Demand Ontology，Multi-BODO）、領(lǐng)域語義X列表（Semantic Bill of X，S-BOX）等部件。Multi-BODO封裝了跨領(lǐng)域集成需求本體；領(lǐng)域S-BOX由各領(lǐng)域資源（Bill of Resource Ontology，BORO）、服務(wù)（Bill of Service Ontology，BOSO）和需求本體列表（Bill of Demand Ontology，BODO）構(gòu)成，是領(lǐng)域系統(tǒng)在Multi-S-BOX空間的映射[1,2]。

Multi-S-BOX集成過程包括四個步驟：Step-1：“Binding”推理，用以確定各領(lǐng)域S-BOX內(nèi)資源-服務(wù)的綁定關(guān)系，是根據(jù)特定約束條件將空間可用資源封裝為標(biāo)準(zhǔn)化可執(zhí)行服務(wù)的過程。Step-2：“M-matching”推理，即根據(jù)跨領(lǐng)域需求分解結(jié)構(gòu)，根據(jù)子需求的領(lǐng)域?qū)傩裕⑵渑c領(lǐng)域S-BOX匹配關(guān)系的推理環(huán)節(jié)。Step-3：“Service Compositing”推理，即根據(jù)特定領(lǐng)域內(nèi)需求自動匹配或組合服務(wù)。Step-4：“Mcompositing”，即跨領(lǐng)域服務(wù)組合推理，該過程將根據(jù)領(lǐng)域內(nèi)服務(wù)組合結(jié)構(gòu)的基于輸入-輸出約束銜接上下游協(xié)作服務(wù)要素，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域服務(wù)組合的功能。各步推理范式和規(guī)則詳見文獻(xiàn)[1,2]，依此可設(shè)計推理系統(tǒng)架構(gòu)及其推理任務(wù)。

2.2 系統(tǒng)Agent功能組件設(shè)計

（1）互操作代理（Interoperability Agent，IA）：針對領(lǐng)域S-BOX間可能存在的語用、語義互操作沖突，引入Mediator服務(wù)本體調(diào)解模型，構(gòu)造互操作IA以封裝相關(guān)調(diào)解模型，支持?jǐn)y載領(lǐng)域知識的Agent交互。（2）跨領(lǐng)域需求本體代理（Multi-BODO Agent，MDA）：封裝了Multi-BODO的本體知識，用以管理跨領(lǐng)域需求本體，并建立其與領(lǐng)域S-BOX間的交互。（3）S-BOX本體列表代理（S-BOX Ontology Bill Agent，SOBA）和S-BOX推理代理（S-BOX Reasoning Agent，SRA）：各領(lǐng)域S-BOX均具備知識表達(dá)與推理兩項功能，故將其分離構(gòu)造成兩類代理：一方面，將BODO、BOSO、BORO本體列表封裝為SOBA，用于管理領(lǐng)域內(nèi)資源、服務(wù)、需求等要素本體知識；另一方面，構(gòu)建SRA，用來封裝了領(lǐng)域內(nèi)推理規(guī)則，通過與SOBA交互執(zhí)行Step-1“Binding”和Step-2“Service Compositing”階段推理。（4）跨領(lǐng)域推理代理（Multi-S-BOX Reasoning Agent，MRA）： 封裝了跨領(lǐng)域集成的推理規(guī)則，通過IA與MDA、各領(lǐng)域SOBA間的交互，完成Step-2“Mmatching”和Step-4“Mcompositing”的推理任務(wù)。

2.3 Multi-S-BOX空間分布式推理系統(tǒng)架構(gòu)

Multi-S-BOX空間分布式推理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，各階段推理過程包括：首先，各領(lǐng)域知識代理SOBA與其推理代理SRA信息交互，執(zhí)行Step-1的“Binding”推理任務(wù)；其次，通過MDA-MRA-IA-SOBA 四類代理的交互，MDA將領(lǐng)域子需求本體信息傳遞給MRA，基于IA互操作轉(zhuǎn)化，SOBA將可相互理解的領(lǐng)域需求本體實(shí)例信息傳遞給MRA完成Step-2的“Mmatching”語義匹配推理，并將結(jié)果返回給MDA和SOBA更新知識信息；隨后，通過SOBA、SRA的通信，SOBA將其本體信息傳遞給SRA執(zhí)行Step-3的領(lǐng)域內(nèi)“Service Compositing”推理，并將得到的服務(wù)組合結(jié)果信息返回SOBA；最后，基于SOBA-IA-MRA-IA-SOBA-MDA的交互，SOBA將更新后的SC實(shí)例信息通過IA轉(zhuǎn)化傳給MRA，執(zhí)行Step-4的“Mcompositing”跨領(lǐng)域服務(wù)組合推理，并將結(jié)果返給MDA，完成一次跨領(lǐng)域集成推理執(zhí)行序列。

3 結(jié)語

為更好地滿足靈活、自治的集成化決策的推理計算需求，本文根據(jù)Multi-S-BOX空間結(jié)構(gòu)及其集成化重構(gòu)推理的基本機(jī)理，面向不同的推理計算任務(wù)，將跨領(lǐng)域空間知識與推理規(guī)則封裝在不同功能的Agent中，設(shè)計了基于MAS的Multi-S-BOX空間分布式推理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，以支持空間有序化推理系統(tǒng)的5個推理階段的分布式實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)今云計算、大數(shù)據(jù)的海量異構(gòu)信息融合時代，新的管理范式和決策方法應(yīng)運(yùn)而生。本模型的提出，為跨領(lǐng)域集成化決策方法的進(jìn)一步完善提供了基于分布式推理計算的新思路。限于篇幅，本文聚焦于推理系統(tǒng)的Agent組件與整體架構(gòu)的設(shè)計，對于Agent間具體的交互協(xié)議、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方面的研究，將成為下一步研究的重心。

圖1 基于MAS的Multi-S-BOX空間分布式推理系統(tǒng)架構(gòu)

[1]謝天. 基于語義X 列表的跨領(lǐng)域系統(tǒng)集成方法研究[D]. 暨南大學(xué)管理學(xué)院，2013.

[2] 謝天, 李從東, 湯勇力, 曹策俊. 面向突發(fā)性制造需求的跨領(lǐng)域語義X 列表集成方法[J]. 計算機(jī)集成制造系統(tǒng). 2015, 21(4): 1063-1076.

[3]史忠植. 智能主體及其應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[4]唐蘇妍，朱一凡，李群，雷永林. 多Agent系統(tǒng)任務(wù)分配方法綜述[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2010, 32(10): 2155-2161.

[5] Luca Greco, Liliana Lo Presti, Agnese Augello. A Decisional Multi-Agent Framework for Automatic Supply Chain Arrangement[J]. Studies in Computational Intelligence, 2013, 439:215-232.

Designing for the Cross-Domain Integrated Reasoning System based on MAS

Xie Tian1,Wei Yaoyao2
（1. School of Economics & Management, University of South China, Hengyang 421001, China; 2 .School of Political Science and Public Administration, University of South China, Hengyang 421001, China）

Multi-S-BOX Space theory brings a series of new methods for cross-domain integration. However, the abilities for cross-domain storage, computing and communicating are limited by centralized knowledge representing and reasoning. By analyzing the structure and the decision-making mechanism of the Multi-SBOX, and based on MAS, the relevant agent components, the reasoning task sequence are designed. And then, for supporting the cross-domain integrated decision-making processes, the architecture of the distributed Multi-S-BOX space reasoning system is proposed.

Multi-Agents System, Agent, Multi-domain Semantic Bill of X, Integration

TP302.1

A

謝 天（1984-），男，湖南醴陵人，博士，南華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院講師，研究方向：信息管理與信息系統(tǒng)、集成化管理等；韋瑤瑤（1987-），女，廣西大化人，碩士研究生，南華大學(xué)政治與公共管理學(xué)院，研究方向：信息管理、管理哲學(xué)等。

國家自然科學(xué)基金青年項目（71501087）；教育部人文社科青年項目(14YJCZH168)；湖南省自然科學(xué)基金青年項目（2015JJ3107）；湖南省教育廳課題資助項目（14C0976）；南華大學(xué)博士科研啟動基金資助項目（2013XQD27）