基于Agent的GridGIS關鍵技術探討

馬冰冰

摘要：糧食安全是事關民生的首要問題，我國政府歷來十分重視對糧食儲備的管理。由于糧庫信息的實時更新不易實現(xiàn)、對儲糧信息的獲取和應用有其特殊要求，傳統(tǒng)的糧庫管理方式已經(jīng)不能適應現(xiàn)代糧食安全的需要。本論文旨在將Agent技術集成到Grid GIS結(jié)構(gòu)框架中，研究地理信息服務的管理以及基于Agent的服務查找與組合策略等關鍵技術，使用基于Agent的Grid GIS門戶來實現(xiàn)糧庫信息網(wǎng)格服務的管理，使儲糧系統(tǒng)更加專業(yè)化和自動化。

Abstract： Food security is the most important issue related to people's livelihood， and the China's government has always attached great importance to the management of grain reserves. As the real-time updating of grain depot information is difficult to realize， and it has special requirements for the acquisition and application of grain storage information， the traditional grain storage management mode can no longer meet the needs of modern food security. This paper is to integrate Agent technology into the Grid GIS framework， study geographical information service management and the key technology of service discovery and combination strategy based on Agent， use Grid GIS gateway based on Agent to realize grain depot information grid service management， so as to make the storage system more professional and automation.

關鍵詞：Agent技術；Grid GIS；糧庫管理

Key words： Agent technology；Grid GIS；grain storage management

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0007-03

1 研究意義

隨著Agent技術和Grid技術的發(fā)展，GIS Agent和SIG已經(jīng)成為GIS新的發(fā)展方向。糧食是季節(jié)性產(chǎn)品，而且其儲藏在地理上是分布的，因此對于糧食儲藏管理，儲糧信息的實時性和糧庫管理系統(tǒng)的靈活高效非常重要。Grid技術為實現(xiàn)糧庫GIS資源共享和協(xié)同工作提供了新的機遇和技術手段，而Agent為實現(xiàn)糧庫Grid GIS提供了一種靈活、開放的結(jié)構(gòu)，使其成為高效智能的分布式系統(tǒng)。Gird GIS與Agent技術的結(jié)合對糧庫管理具有非常重要的現(xiàn)實意義，它使糧庫管理系統(tǒng)向智慧糧庫又邁出了堅實的一步，對我國的糧食安全也具有重要的意義。

2 國內(nèi)外目前研究現(xiàn)狀

2.1 基于Agent技術的GIS研究現(xiàn)狀

20世紀80年代，人工智能學科創(chuàng)始人之一的Marvin Minsky在IT界提出了“Agent”的概念。公認的Agent定義是Wooldrige和Jennings提出來的：Agent是處在某個環(huán)境中的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)有能力在這個環(huán)境中自主行動以實現(xiàn)其設計目標。

Agent接受從環(huán)境中感知的輸入并產(chǎn)生輸出動作作用于環(huán)境，這種交互常常是一個循環(huán)的過程（如圖1所示）。根據(jù)是否包含用符號表示的世界模型，Agent分為慎思Agent、反應Agent以及綜合了二者特征的混合Agent。

在Agent的結(jié)構(gòu)研究方面：Y.shoham把Agent描述為4個智能構(gòu)件的組合，分別為beliefs、capabilities、choices和commitments，該方法適合于擬人化系統(tǒng)的刻畫，對未來的GIS智能化發(fā)展具有指導意義。鞏志國等給出了一種基于“事件（Events）—條件（Conditions）—動作（Actions）”的Agent結(jié)構(gòu)模型，該模型是一種動態(tài)集成模型，而且能與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術較好的融合，具有較高的實用價值。

使用Agent技術構(gòu)建GIS可以放松對集中式、非開放性、順序控制的限制，并提供對空間信息的分布控制、動態(tài)應急處理和并行處理。作為一種軟件中間件，GIS Agent為解決異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境下分布式GIS的互連與互操作提供了一種有效的解決方案。

在實際應用中通常把多個GIS Agent組織起來形成Multi-Agent GIS。Multi-Agent GIS按照一定的組織結(jié)構(gòu)把復雜的任務劃分成許多原子任務，并按一定邏輯次序把這些任務交給各個Agent去執(zhí)行。

對于Multi-Agent系統(tǒng)學者目前已經(jīng)提出了多種組織建模方法：J.Ferber的AGR模型是一個基于Agent、小組、角色等概念的模型。Paolo Bresciani的Tropos模型采取基于人類組織的一般結(jié)構(gòu)，但沒有考慮社會原則。D.M.Okouya的OperA模型對角色、交互和社會規(guī)范也作了描述。Jomi Fred Hubner的MOISE+模型通過結(jié)構(gòu)、功能和義務三方面建模Agent組織。

移動Agent（Mobile Agent，MA）是一種能夠在復雜網(wǎng)絡（比如異構(gòu)網(wǎng)絡）中漫游并與其他主機交互，收集信息，按主人要求執(zhí)行任務并最終返回主人所在機器的Agent。使用移動Agent技術構(gòu)造Multi-Agent GIS可以減少網(wǎng)絡負載、實現(xiàn)定制化的服務、更好地達到動態(tài)負載平衡、自然地實現(xiàn)異構(gòu)性并且具有強大的容錯性。

90年代初，IT界興起了對Agent的實現(xiàn)平臺和應用系統(tǒng)的研究。例如：General Magic公司在20世紀90年代初推出了第一個移動代理系統(tǒng)Telescript；IBM公司采用Agent+Applet的模型構(gòu)建了基于Java的代理系統(tǒng)Aglets。發(fā)展至今Agent的實現(xiàn)技術主要包括：分布式對象技術、Java語言、面向Agent的程序設計語言（Agent-Oriented Programming，AOP）、Script語言等。

21世紀初，國內(nèi)外針對基于Agent的WebGIS理論和系統(tǒng)構(gòu)建開展了一系列研究?，F(xiàn)階段Agent技術在GIS領域內(nèi)的研究主要集中在以下幾個方面：

①GIS Agent系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架。

②基于Agent的服務查找與組合策略。

北京大學人工智能實驗的Geo-Agents系統(tǒng)是一個基于Agent的分布式GIS。該系統(tǒng)主要由Application、Facilitator、GIS功能Agent、接口Agent、GuServer以及空間數(shù)據(jù)庫和空間元數(shù)據(jù)庫6部分組成。Geo-Agents系統(tǒng)運用多線程技術和DCOM技術，采用了點對點和組廣播兩種消息通信方式，并基于Agent設計了一個面向用戶任務的人格化二次開發(fā)語言GeoScript。

李鍵提出了一種基于Agent的GIS應用框架Agent-Based GIS（ABG）。該框架由Agent管理器、應用接口層、業(yè)務處理層和數(shù)據(jù)服務層4部分組成，并實現(xiàn)了一個航班優(yōu)化地理信息系統(tǒng)（FOMGIS）。該系統(tǒng)采用了MapInfo的MapX空間數(shù)據(jù)模型，業(yè)務處理層使用DCOM/COM+組件，空間數(shù)據(jù)庫采用了SQL Server2000和Spatial Ware for SQL Server。

徐妍提出了一種基于Agent的自適應Web服務框架。該框架分為3層：組織模型、協(xié)同模型和服務模型。其中服務模型由基于Petri網(wǎng)的服務組合方法建立；協(xié)同模型包含MAS，并具有包括“分裂”、“復制”、“合并”等自適應調(diào)整算法。該框架采用WS-BPEL描述業(yè)務流程，可通過Java和.NET平臺調(diào)用。Agent系統(tǒng)的實現(xiàn)采用基于Java的JADE平臺。

馬宏鋒等給出了一種基于智能決策的Agent遷移策略及其算法描述，并通過仿真實驗驗證了該遷移策略和算法的有效性。

李勝等提出了基于Web和Agent的GIS動態(tài)服務模型；闡述了GIS Agent的遷移策略以及GIS Agent和Web服務的交互操作和集成技術。該研究實現(xiàn)了用功能構(gòu)件的移動代替海量空間數(shù)據(jù)的的移動，提高了分布式網(wǎng)絡的計算速度。

然而我們可以看到，目前對于GIS Agent技術尚無標準的體系，在GIS Agent系統(tǒng)的建設上仍然存在一些問題：

①現(xiàn)有的Web Service技術標準已無法滿足GIS Agent系統(tǒng)的要求。

②已經(jīng)提出的GIS Agent技術體系之間的兼容性并不理想。

③基于Agent的服務查找與組合策略效率不高，仍有待改善。

因此，我們需要用更為開放的思路來設計GIS Agent，而“網(wǎng)格”的出現(xiàn)恰好為我們提供了這樣一種思路。

2.2 SIG研究現(xiàn)狀

20世紀90年代中期，網(wǎng)格技術的出現(xiàn)為我們提供了解決信息共享與協(xié)同工作的新視角、新理念和新技術。“網(wǎng)格”（Grid）一次來源于“電力網(wǎng)格”（PowerGrid），它為人們像使用電力資源一樣方便使用計算機資源、網(wǎng)絡資源和信息資源描繪了美好藍圖。美國Globus項目的領導人Ian Foster提出了網(wǎng)格必須同時滿足的三個條件：在非集中控制的環(huán)境中協(xié)同使用資源；使用標準的、開放的協(xié)議和接口；提供非平凡的服務。

2000年至今網(wǎng)格技術飛速發(fā)展，典型代表是Web服務技術和開放網(wǎng)格服務結(jié)構(gòu)（Open Grid Service Architecture，OGSA）。為了將這兩種標準整合，2004年5月，Web服務資源框架規(guī)范（Web Service Resource Framework，WSRF）應運而生。目前，發(fā)展網(wǎng)格被認為是下一代Internet的核心任務之一。

自互聯(lián)網(wǎng)誕生以來，網(wǎng)絡環(huán)境下分布異構(gòu)GIS之間的地理信息共享和空間數(shù)據(jù)互操作一直是GIS行業(yè)研究的核心課題之一。喬治梅森大學的Liping Di教授從地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量和計算量兩個角度闡述了在地理空間信息科學領域應用網(wǎng)格技術的必要性。在這種背景下，地理空間信息科學或測繪科學領域提出將網(wǎng)格技術與空間信息技術融合集成，構(gòu)建空間信息網(wǎng)格（Spatial Information Grid，SIG）。

依據(jù)李德仁院士的定義，可以從廣義和狹義兩個方面來理解SIG。廣義的SIG是指在網(wǎng)格技術支持下的天、空、地一體化的各種服務高度集成的實時/準實時空間信息系統(tǒng)。狹義的SIG是指用網(wǎng)格技術構(gòu)建的GIS，即Grid GIS。

綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)況，目前對于SIG的研究主要集中在：

①SIG的結(jié)構(gòu)框架。

②SIG服務的管理。

③基于Agent的SIG服務查找與組合策略。

④SIG的安全性。

Globus項目由美國Argonne國家實驗室和南加州大學信息科學學院（ISI）合作發(fā)起。Globus工具包（Golbus Toolkit）是Golbus最重要的實踐成果。作為一種開放架構(gòu)和開放標準基礎設施，Golbus Toolkit把所有用于共享的實體定義為資源，并提供了構(gòu)建網(wǎng)格應用所需的基本協(xié)議和服務。目前大部分重大的網(wǎng)格項目都采用Golbus Toolkit，可以說Golbus是網(wǎng)格體系及應用的事實標準。

OGF-OGC合作計劃是開放網(wǎng)格論壇（Open Grid Forum，OGF）和開放地理信息聯(lián)盟（Open Geospatial Consortium，OGC）聯(lián)合發(fā)起的，自2008年10月啟動，目的是促進分布式地理處理和網(wǎng)格標準融合的實踐。該計劃最終要完成的目標是構(gòu)建透明、交互、可伸縮的SIG應用。

國內(nèi)也有較多的學術論文成果面世。張建兵探討了基于網(wǎng)格的空間信息服務體系結(jié)構(gòu)，以及在地圖服務、空間信息搜索、空間信息服務協(xié)同以及空間信息服務遷移中的應用；劉峰針對網(wǎng)格環(huán)境下的地理信息服務組合、空間數(shù)據(jù)存儲等關鍵技術進行了探討；倪金生提出了基于SIG的空間信息共享與智能服務模型，探索并實現(xiàn)了基于SIG環(huán)境下移動位置服務系統(tǒng)的若干關鍵技術；李孝玲結(jié)合網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)和Grid GIS的安全需求，針對用戶、通信網(wǎng)絡、應用程序和網(wǎng)格資源這四個環(huán)節(jié)提出了一個安全體系。

然而作為一種前沿技術，空間信息網(wǎng)格的發(fā)展仍存在著一些問題：

①目前的Grid GIS服務大都是遵循OGC Web服務規(guī)范開發(fā)的，與標準Web Service技術體系之間的兼容性不理想，導致一系列后續(xù)應用的問題。

②不同網(wǎng)格系統(tǒng)采用異構(gòu)的服務注冊和發(fā)現(xiàn)機制且互不兼容。

③國內(nèi)的空間信息網(wǎng)格服務研究集中于理論層面，缺乏實踐。

綜上所述，構(gòu)建Grid GIS的目標是按需提供動態(tài)的GIS服務，而Agent技術提供了在動態(tài)的環(huán)境中智能的解決問題的能力。因此，實現(xiàn)Agent與Grid的集成，是實現(xiàn)基于網(wǎng)格的地理空間信息管理與服務的基礎。

2.3 基于Agent的Grid GIS在糧庫管理中的應用現(xiàn)狀

我國現(xiàn)有糧庫6萬余個，在建糧庫近300個，糧庫數(shù)量多、地域分布廣。糧庫管理部門迫切希望利用最新的GIS技術來改進糧庫管理系統(tǒng)。

目前GIS在國內(nèi)糧庫管理中已得到比較廣泛的應用，大多數(shù)為基于WebGIS的糧庫管理系統(tǒng)，采用的技術主要有J2EE、DCOM/COM+和CORBA等。

李魯群等根據(jù)糧庫管理內(nèi)容、特點，基于統(tǒng)一建模語言（UML）開發(fā)了一套中央直屬儲備糧食GIS系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用VB，Java和Map Info構(gòu)建，極大地提高了糧庫信息管理的效率。

麻日坪運用ASP.NET開發(fā)WEB應用程序的關鍵技術構(gòu)建基于B/S結(jié)構(gòu)的糧庫管理系統(tǒng)，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)添加、更新、刪除等糧庫管理功能。

祝玉華給出了一種MAGIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，即基于SVG/XML Java+Multi Agents的體系結(jié)構(gòu)。該體系以Multi-Agents作為構(gòu)建WebGIS的基石，基于Bayesian構(gòu)造了HCI Agent、JavaBayes Agent、JESS專家系統(tǒng)Agent三類智能Agent；構(gòu)造了MAGIS系統(tǒng)中的移動Agent并提出船塢構(gòu)想來解決遷移失敗問題；建立了基于SVG/XML技術的MAGIS模型并為不同用戶設計了實施策略；針對MAGIS系統(tǒng)的安全問題設計了對主機和GIS Agent進行保護的安全策略并給出了MAGIS的安全模型；實現(xiàn)了一個基于多Agents的WebGIS原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)被成功用于國家糧庫信息及智能決策系統(tǒng)。

由于國內(nèi)對網(wǎng)格技術的研究集中在科學理論，成果投入使用并產(chǎn)生效能的比率較低。我國目前尚沒有建立用于糧食儲藏管理的網(wǎng)格體系，基于Agent的Grid GIS在糧庫管理中的應用比較滯后。

參考文獻：

[1]錢秋霞.我國糧食儲備主體價格反應行為分析[J].中國農(nóng)業(yè)信息，2014（6）：21-24.

[2]倪鵬.淺析網(wǎng)格與校園網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)[J].吉林廣播電視大學學報，2009（6）：114-115.

[3]張建兵.基于網(wǎng)格的空間信息服務關鍵技術研究[D].北京：中國科學院遙感應用研究所，2006.