Agent結構的形式化描述分析及研究

焦蕾

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 陜西 咸陽 712000）

軟件Agent技術的誕生和發(fā)展是人工智能和網(wǎng)絡技術相結合的產(chǎn)物。從20世紀60年代起，傳統(tǒng)的人工智能技術開始致力于對知識表達、智能推理、機器學習等領域的研究，這些研究成果在計算機軟件中的應用使得軟件有了一定程度上的主動性，并在自主判斷和行為選擇上有了一定的智能性。

在Internet這一目前最龐大的互聯(lián)網(wǎng)絡環(huán)境中，計算機軟件體系結構和組織結構的復雜性不斷增加，傳統(tǒng)的軟件設計方法己經(jīng)無法滿足實際需要，分布式、智能化才是今后軟件發(fā)展的基本方向。軟件分布式的目標是要將問題進行分解[1]，由多個實現(xiàn)了知識共享的軟件模塊或網(wǎng)絡節(jié)點來共同完成問題求解，而智能化的目標是要在智能主機之間實現(xiàn)智能行為的協(xié)調，兩者的結合就產(chǎn)生了軟件Agent的概念

1 Agent概念引入

到目前為止，許多研究者提出了各自對Agent的定義，但至今沒有一個被大多數(shù)人認可的統(tǒng)一的定義。但人們大致認為：軟件Agent是運行于動態(tài)環(huán)境的、具有高度自治能力的實體，它能夠接受其他實體的委托并為之服務。不難看出，軟件Agent首先具有智能特性，它對環(huán)境有響應性、自主性和主動性。同時，軟件Agent還具有社會特性。它在一定程度一上模擬了人類社會的行為和關系，具有一定的智能并能夠自主運行，向其它軟件實體提供相應的服務。軟件Agent具有極大的靈活性和適應性，更加適合于開放、動態(tài)的網(wǎng)絡環(huán)境，也更能體現(xiàn)人類的社會職責。

與傳統(tǒng)的對象概念比較，Agent和對象存在一定的相似性，雖然它們都使用消息傳遞的方式來進行通信，但Agent不是簡單的對象。對象是一種靜態(tài)概念，不具備自主、推理和社會特征，而Agent是動態(tài)的，可以鑒別不同類型的消息，使用復雜協(xié)議來協(xié)商，Agent具有精神狀態(tài)，同時具備上文描述的一些特征。具有更強的Agent問題求解和自制能力。此外，Agent之間可以相互感知與協(xié)作，從而可以協(xié)作求解一個共同的任務。Agent的概念更貼近現(xiàn)實世界，使用Agent來分析、設計、模仿和實現(xiàn)現(xiàn)實世界中的系統(tǒng)，無論從概念上，還是從結構上，都更加清晰和容易。

移動Agent[2]可以看成是軟件Agent技術與分布式計算技術相結合的產(chǎn)物。移動Agent是一個全新的概念，目前還沒有統(tǒng)一的定義。20世紀90年代初，GeneralMagic公司在推出其商業(yè)系統(tǒng)Telescript時第一次提出了移動Agent的概念，即一個能在異構網(wǎng)絡環(huán)境中自主地從一臺主機遷移到另一臺主機，并可與其他Agent或資源交互的軟件實體（4d）。移動Agent除了具有軟件Agent的基本特性外，還具有移動性、自治性、響應性、主動性、推理性和適應性等特性。移動Agent必須可以自主地從一個節(jié)點移動到另一個節(jié)點，這是移動Agent最基本的特征，也是它區(qū)別與其他Agent的標志。

移動Agent不同于遠程過程調用（RPC），這是因為移動Agent能夠不斷地從網(wǎng)絡中的一個節(jié)點移動到另一個節(jié)點，而且這種移動是可以根據(jù)自身需要進行選擇的。移動Agent也不同于一般的進程遷移，因為一般來說進程遷移系統(tǒng)不允許進程自己選擇什么時候遷移以及遷移到哪里，而移動Agent卻可以在任意時刻進行移動，并且可以移動到它想去的任何地方。移動Agent更不同于Java語言中的Applet，因為Apples只能從服務器向客戶機做單方向的移動，而移動Agent卻可以在客戶機和服務器之間進行雙向移動。

2 Agent形式化結構模型

2.1 BDI模型

Bratman 的 BDI （Belief-Desire-Intention）理 論[3]是被 公 認的Agent理論基礎。Bratman從哲學的角度對人們的意圖進行了深入研究，認為只有保持信念（Belief）、愿望（Desire）和意圖（Intention）的理性平衡才能有效地解決問題，他認為在開放世界中，理性Agent的行為不能直接由信念與愿望以及有這兩者組成的規(guī)劃所驅動，在愿望與規(guī)劃之間應有一個基于信念的意圖存在，一個理性Agent的行為是受制于意圖的，Agent不會毫無理由地改變自己的意圖，也不會堅持不切實際的意圖。信念是Agent對世界的認識，愿望是分配給Agent的任務，在通常情況下，Agent不可能滿足所有的愿望，因此，Agent只能集中有限的資源用于某些愿望，這些愿望就是意圖。下面分別介紹基于BDI理論的3種主要理論模型。

Cohen和Levesque最早開始這方面的形式化概念工作，其邏輯基礎建立在Bratman哲學觀點之上。采用基于線性時序邏輯，分別引入并表示了時間、事件、行為目標和意念等概念，給出了一個形式模型，但該模型并不能完全實現(xiàn)Bratman的哲學思想，沒有解決意圖和目標的關系，十分抽象而且難于實現(xiàn)。Rao和George 1991年和1992年采用了非線性分支時態(tài)邏輯，分別給出了PRS結構的形式化描述和完整的語義描述。與Cohen和Levesque的BDI模型相比，Rao和George的理性 Agent的BDI模型描述了意圖和目標的關系，語義較為明確，仍過于抽象，難于實現(xiàn)。

2.2 其他Agent模型

Agent屬于非線性系統(tǒng)，其中的變化過程屬于動力學演變過程。Kiss利用動力學系統(tǒng)范形為Agent的目標、喜好等基本概念給出一個理論模型，為形式化描述Agent和多Agent提供了基礎。不過，對Agent內部到底該如何構造等的本質問題，人們尚未充分認識。 Haddadi認為，可以將通常應用于人類自身行為描述的一些概念如信念、意圖、承諾等賦予Agent，形成所謂的意識系統(tǒng)。另一方面，可以為機器建立比較簡單的信念、知識和愿望理論，并最終將其應用于人。也就是說，人腦的研究和Agent的研究可以相輔相成，互相促進，而在現(xiàn)階段大都是將前者的一些研究成果應用于后者。

2.3 存在的問題

雖然許多研究者從不同角度研究了Agent的理論模型，為形式化描述Agent提供了基本的方法，因而是十分重要的，但這些理論模型仍存在以下問題[4]：

1）各模型并不能完全實現(xiàn)Bratman的哲學思想，模型描述不夠完整，不能反應Agent的社會特性，沒有解決意圖和目標的關系，十分抽象而且難于實現(xiàn)。

2）Agent模型和具體Agent結構沒有明確的映射關系。各模型中沒有細化Agent的內部結構，所以并不能很好地把Agent行為與其內部狀態(tài)的變化過程聯(lián)系起來，無法體現(xiàn)Agent的外部交互行為應與其內在意識、精神狀態(tài)密切相關這一基本思想。在實際的構造Agent過程中，很難用現(xiàn)有的程序語言進行編程實現(xiàn)。

3）Agent模型中普遍存在“邏輯上無所不知”的問題，使得Agent系統(tǒng)過于復雜，在實際的構造Agent系統(tǒng)過程中，缺乏實用性。

4）Agent的求解過程和Agent狀態(tài)變化的關系還沒能充分地進行動態(tài)描述，尤其存在Agent狀態(tài)變化控制關系的不確定性。

3 HSA模型

3.1 模型的形式化描述

上述研究一般建立在Agent是一個意識系統(tǒng)的基礎之上，這種不依賴于具體的物理實現(xiàn)就可以得到Agent行為的規(guī)則和模式，對Agent行為研究有很大的好處。從結構上看，Agent屬于非線性系統(tǒng)，其中的變化過程屬于動力學演變過程。從動力學角度來看，行為是可以按時間展開的具有一定完整意義的狀態(tài)變化過程。

Kiss利用動力學系統(tǒng)范形為Agent的目標、喜好等基本概念給出一個理論模型，為形式化描述Agent和Multi-agent提供了基礎。不過，對Agent內部到底該如何構造等的本質問題，人們尚未充分認識。在Bratman，Wooldrige和Kiss的研究基礎上，具體化Agent的內部結構，文中將給出一個具有人類社會行為特征的Agent模型，即HSA （Human-Society-Actions）模型。模型定義[5]如下：

定義 Agent可描述為一個3元組的智體，

其中，H代表Agent的機體，它是Agent的物質和精神載體；S代表Agent在社會中的角色、職能、任務和目標等；A是Agent對自我行為與活動的表述，它是按時間展開的序列，該序列中既有有意識的行為與活動表述，又有一些自我的無意識狀態(tài)與意識的轉換過程，反應了Agent的自治、主動及相互間的聯(lián)系。

人們通常從3個方面看待Agent：1）物理立場，基于系統(tǒng)的物理特性和規(guī)律；2）設計立場，基于系統(tǒng)的設計目標；3）意識立場，把系統(tǒng)看作理性主體，通過信念、愿望和其他意屬性來預測其行為。BDI研究建立在Agent是一個意識系統(tǒng)的基礎之上，模型描述不夠完整、抽象且沒有反應Agent的社會特性。Agent是一個智能實體，HSA模型模擬人類意識及行為設計的，擁有完整的內部結構屬性，反應了Agent的社會特性；Agent模型和具體Agent結構、行為和目標有明確的映射關系；動態(tài)描述了Agent的任務求解過程和Agent的狀態(tài)變化的關系。HSA模型的正確性和有效性在電子談判模型中加以驗證。HSA對于進一步研究基于Multi-Agent的電子商務系統(tǒng)打下了一定的理論基礎。

3.2 HSA模型的工作過程

研究者提出了不同的Agent結構模型，試圖從不同的角度對Agent進行實現(xiàn)。主要的Agent結構模型有慎思Agent、反應Agent和混合Agent等。給出了一個Agent的結構模型，該模型包含兩個部分：Agent內部結構和外部環(huán)境，該模型沒有反應Agent社會特性，未能定義Agent的角色、職能和目標等社會屬性。在此模型的基礎上，HSA結構模型增加了Agent的社會屬性，把Agent看作一個黑箱，通過感知外部環(huán)境，經(jīng)過意識系統(tǒng)的推理，對外部環(huán)境的事件輸入產(chǎn)生相應的輸出活動。Agent社會是聯(lián)系其內部結構和外部環(huán)境的紐帶。一個反應Agent的工作過程[6]如圖1所示。

圖1 Agent的工作過程Fig.1 Process of Agent

Agent通過外部接口感知外部環(huán)境，與外部環(huán)境進行交互，通過感知模塊接受外部信息，并對輸入信息進行過濾和分類，把信息傳遞給意識模塊，社會賦予Agent角色和任務，意識模塊根據(jù)知識庫模塊的歷史經(jīng)驗和知識進行推理，最后決策模塊根據(jù)推理和規(guī)則做出決策，把動作指令交給執(zhí)行模塊，通過外部接口對外部環(huán)境產(chǎn)生動作。

3.3 執(zhí)行Agent結構

除了接口Agent它由Agent機體H表示。具有用戶圖形接口以外，執(zhí)行Agent的結構是相同的社會S、和執(zhí)行模塊A和通信設施4部分組成。如圖2所示。

1）Agent機體

Agent機體相對于HSA模型中的H元組，由Agent屬性、意識系統(tǒng)和知識庫組成。系統(tǒng)Agent管理Agent的基本屬性，如標識ID、名字、位置和狀態(tài)等，安全代理負責執(zhí)行Agent的注冊、身份認證；意識模塊具有感知、學習、推理和決策功能，控制執(zhí)行模塊完成社會賦予的任務目標；知識庫存儲推理規(guī)則、約束條件和學習的知識。

2）社會

社會是執(zhí)行Agent與用戶的接口，它相對于HSA模型中的S元組。用戶通過系統(tǒng)Agent定義它的角色、分配任務和提取相關策略。這里策略與結構分開，使它更具靈活性；角色決定Agent的類型及移動與否。

3）執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊相對于HSA模型中的A元組。存儲Agent的代碼，它由一系列相對獨立的子模塊構成。代碼可以動態(tài)裝載，使之具有動態(tài)結構特征。動態(tài)Agent把數(shù)據(jù)、知識和程序作為對象，新創(chuàng)建的Agent都是一樣的，它們的具體行為來自對動態(tài)裝載的數(shù)據(jù)、知識和程序類修改而得。

4）通信設施

通信設施是Agent之間進行信息交換的機制。Agent之間采用的通信語言是KQML（Knowledge Query Manipulation Language）a KQML規(guī)范定義了可擴充的行為原語，行為原語是根據(jù)“言談行為理論”獲得的能夠對知識和目標進行各種操作，并以此為基礎開發(fā)代理間更高級的通信模型，例如合同網(wǎng)、談判機制等。

圖2 執(zhí)行Agent結構Fig.2 Implementation of Agent structure

KQML語言分為3層：內容層、通信層和消息層。內容層是消息所包含的真正內容，用XML語言表示。XML是基于Web文檔數(shù)據(jù)結構交換的規(guī)范，為開發(fā)人員提供了標識數(shù)據(jù)結構的框架，其中的DTD（Document Type Definition）規(guī)定了XML文件的文檔格式，定義了XML文件的元素、元素的屬性以及元素和元素屬性之間的關系，它可以幫助XML文件的分析程序校驗XML文件標記的合法性。通信設施包含KQML和XML解釋器，XML解釋器對需要傳送給另一個Agent的KQML消息進行分析，然后生成新的含有XML內容的KQML消息，以便進行Agent之間的通信。

4 移動Agent在電子商務中的應用

由于移動Agent具有動態(tài)適應環(huán)境、自然的異構性、異步自主執(zhí)行功能、降低網(wǎng)絡負載、包裝不同的協(xié)議和很強的健壯性及容錯性等優(yōu)越性，使它在諸多領域得以應用。

商務活動一直由人與人之間的交往來實現(xiàn)，由人來決定買什么東西、什么時候買以及花多少錢等。但隨著網(wǎng)上信息的豐富化和多樣化，由人來負責信息搜索并完成交易將越來越困難，信息篩選和信息搜集是解決信息過載問題的有效方式，人工是很難完成的?？蛻襞c商家都要尋找最為合適的合作伙伴，并迅速與其信息系統(tǒng)集成以實現(xiàn)在線交易。目前可以通過UDDI或ebXML實現(xiàn)。然而，但由于這兩種方法均是基于第三方的注冊機制實現(xiàn)的，需要有相當?shù)淖砸?guī)模和共同遵守的標準。同時UDDI或ebXML站點是一個高度集權的中樞節(jié)點，站點管理隨著注冊規(guī)模的增大和鏡像站點的增多而變得越來越復雜，維護費用也迅速增加，其頻繁的交互還將會造成很大的系統(tǒng)開銷?？梢姡琔DDI或ebXML能否領導電子商務時代，還有待于實踐檢驗。因此，如果能有一種不借助第三方的具有自組織特性的機制來描述、發(fā)現(xiàn)和集成企業(yè)的應用系統(tǒng)，實現(xiàn)全球范圍內的企業(yè)動態(tài)聯(lián)盟，必將給電子商務增添新的活力。移動Agent可在一定程度上勝任上述要求，建立企業(yè)敏捷的電子商務系統(tǒng)。

電子商務常常要求實時訪問遠程信息，如股票報價，甚至是進行實時談判。不同的Agent擁有不同的目標，采取不同的策略，實現(xiàn)各自的目標。

5 結束語

在己有的Agent形式化描述基礎上，具體化Agent的內部結構，設計了一個具有人類社會行為特征的完整的Agent模型，即HSA模型。HSA模型是模擬人類意識及行為設計的，擁有完整的內部結構屬性，反應了Agent的社會特性；Agent模型和具體Agent結構、行為和目標有明確的映射關系；動態(tài)描述了Agent的任務求解過程和Agent的狀態(tài)變化的關系。

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