基于Agent的分布式協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究

1、基于 Agent 的分布式協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究(郭大運(yùn) 謝列衛(wèi) 歐長(zhǎng)勁 樊洪波摘要:產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜, 同時(shí)需要快速開發(fā)。 并行工程的提出為此提供了一 個(gè)很好的解決方案, 網(wǎng)絡(luò)提供了很好的技術(shù)支持。 本文在說明現(xiàn)存系統(tǒng)交互方面的不足之后, 討論了 agent 的屬性如:主動(dòng)性和自治性,并提出了一個(gè)基于 agent 的智能協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境 MAIDA(Multi-Agent Intelligent Design Architecture, 集中討論了系統(tǒng)的交互能力問題, 顯示了 agent 技術(shù)在提高系統(tǒng)交互方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:協(xié)同設(shè)計(jì) multi-agent 交互能力1.引言復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)具

2、有跨學(xué)科領(lǐng)域的特點(diǎn)。 這樣就需要組織一個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)來共同完成開 發(fā)活動(dòng)。 不幸的是, 原有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可能運(yùn)用不同的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型, 也可能應(yīng)用不同的軟件 設(shè)計(jì)包,這些包裝可能用不同的語言寫成的,例如 C,C+,Java 或者其他的語言,安裝在 不同的硬件系統(tǒng)中。相應(yīng)的,在這樣形式各異的模型、語言和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,任何協(xié)作交互與 協(xié)調(diào)可以證實(shí)是相當(dāng)?shù)睦щy的。為了克服這一問題就要提供一個(gè)計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán) 境。 在這個(gè)環(huán)境中, 開發(fā)組成員不僅能順利地交流信息, 而且能方便的獲得各種設(shè)計(jì)計(jì)算服 務(wù),并且能夠及早的發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題,通過系統(tǒng)的支持來得到解決。由于不同企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)使用的工具可能不同,

3、 它們也不可能為了協(xié)作的方便而改變計(jì) 算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具, 如何將這些地理上分散的不同工具集成起來進(jìn)行有效交互是當(dāng)前協(xié)同設(shè) 計(jì)的一個(gè)主要問題。 另外, 企業(yè)之間的聯(lián)盟具有偶然性, 這就要求協(xié)同工作環(huán)境具有很好的 伸縮性和開放性。 這決定了我們不可能開發(fā)一個(gè)新系統(tǒng)來滿足這些要求, 必須借助于一些技 術(shù)來達(dá)到現(xiàn)有系統(tǒng)的集成。應(yīng)用于人工智能的軟件 Agent 技術(shù)正好適應(yīng)這方面的需求。 2.Agent 的概念2.1 Agent的定義1995年,Wooldridge 和 Jennings 作出了權(quán)威性的 Agent 定義:(1 弱定義 Agent是一個(gè)基于軟件(多數(shù)情況下或硬件的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),具有 以下特

4、點(diǎn):自治性、社會(huì)能力、反應(yīng)性和能動(dòng)性。(2 強(qiáng)定義 Agent在弱定義的特性基礎(chǔ)上,還包括情感等模擬人類的特性。 2.2 Agent的特性 自主性 Agent具有屬于其自身的計(jì)算資源和局部于自身行為控制的機(jī)制, 能在無 外界直接操縱的情況下,根據(jù)其內(nèi)部狀態(tài)和感知到的(外部環(huán)境信息,決定和控制自身的 行為。 交互性 能與其它 Agent 進(jìn)行多種形式的交互,能有效地與其它 Agent 協(xié)同工作。 反應(yīng)性 能感知所處的環(huán)境,并對(duì)相關(guān)事件作出適時(shí)反應(yīng)。 能遵循承諾采取主動(dòng)行動(dòng),表現(xiàn)出面向目標(biāo)的行為。3.基于 Agent 的協(xié)同智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本組織結(jié)構(gòu)基于 Agent 的協(xié)同智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)涉及到的問題

5、包括產(chǎn)品模型,設(shè)計(jì)過程模型,設(shè)計(jì)知 識(shí)代理,代理的結(jié)構(gòu),多代理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),代理間的交互等等。應(yīng)用程序的協(xié)作和交互性是 基于這些問題清晰的理解。 這一部分打算討論一些重要的問題并提供一個(gè)多代理協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán) 境叫 MAIDA。要實(shí)現(xiàn) agent 的各個(gè)特性需要合適的模塊。目前,對(duì)于 agent 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組織沒有一 個(gè)共識(shí)。 許多當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)也只是在自身理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)造的。 我們期望將來能夠出現(xiàn)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),能夠符合大多數(shù)場(chǎng)合的應(yīng)用。agent 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)本質(zhì)上就是它的模型和如何一 起工作的描述。如圖 1所示,在這里,心智模塊能夠通過感應(yīng)器從外部世界獲得信息,它內(nèi) 部的解釋和推理機(jī)制對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別

6、, 翻譯和分解。 心智模塊主要才用了擬人化的模型, 擁 有自己的目標(biāo)、承諾、意圖、信念等,能夠根據(jù)其內(nèi)部的知識(shí)主動(dòng)地進(jìn)行運(yùn)作,知道各個(gè) agent 所處的位置。它們是在任務(wù)建立的時(shí)候進(jìn)行初始化。心智模塊利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息以 及自身的狀態(tài), 產(chǎn)生一定的方案。 計(jì)劃模塊通過各種規(guī)則和知識(shí)將方案轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行的序列。 執(zhí)行模塊執(zhí)行這個(gè)序列, 將運(yùn)行結(jié)果送給心智模塊。 心智模塊再通過協(xié)商得到問題的解。 如 果在執(zhí)行的過程中產(chǎn)生異?；虬l(fā)生沖突, 由心智模塊根據(jù)沖突源作出合理的調(diào)整, 重新進(jìn)行 處理。圖 1 Agent的結(jié)構(gòu)根據(jù)我們的理解,設(shè)計(jì)是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的過程,是設(shè)計(jì)者根據(jù)一些規(guī)則來實(shí)現(xiàn)的,用 一些工具

7、來處理任務(wù)中的一些產(chǎn)品數(shù)據(jù)。 因而, 在我們的智能設(shè)計(jì)環(huán)境中, 代理被基本的分 為六類:過程管理代理, 設(shè)計(jì)任務(wù)代理, 工具代理和產(chǎn)品數(shù)據(jù)代理資源管理代理和協(xié)同代理。 這些代理的結(jié)構(gòu)有一些共同的模塊如交互界面, 檢測(cè)模塊等等, 再完整一點(diǎn)包括推理模塊和 決議模塊等等。 然而, 任何一個(gè)包括這六種類型模塊的結(jié)構(gòu)有自己的特征。 這些代理將在以 后部分得到進(jìn)一步的討論。設(shè)計(jì)任務(wù)代理的結(jié)構(gòu)是一種普通代理結(jié)構(gòu)。它所基于的知識(shí)可以被分成三個(gè)主要的模 塊,詳細(xì)如下:1. 過程知識(shí)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程的本地單元;2. 產(chǎn)品數(shù)據(jù)知識(shí)是整個(gè)生命周期產(chǎn)品數(shù)據(jù)的本地視圖;3. 現(xiàn)存資源的知識(shí)如工具,服務(wù),相關(guān)代理,經(jīng)

8、驗(yàn),知識(shí)等等是整個(gè)工程資源的本 地資源。大多數(shù)應(yīng)用工具和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)是經(jīng)過多年發(fā)展起來的代理系統(tǒng)。這些代理系統(tǒng)提供了 分離的個(gè)體應(yīng)用軟件包間的交互性。 傳統(tǒng)的技術(shù)對(duì)集成這些代理系統(tǒng)沒有一個(gè)滿意的解決方 案。 假定他們擁有足夠的好的編程接口, 代理技術(shù)提供了一個(gè)包裝代理系統(tǒng)的很自然的方法。 工具代理是普通代理和遺留應(yīng)用如 CAD 工具,基于知識(shí)的應(yīng)用,基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)等等 的一般中間產(chǎn)物。 工具代理負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)任務(wù)中的發(fā)現(xiàn), 提供和管理工具, 它們通常是獨(dú)立于特 定的工程的。因而工具代理的結(jié)構(gòu)主要包括與其它代理的交互和應(yīng)用工具接口的封裝。 產(chǎn)品數(shù)據(jù)代理是普通代理和遺留工程數(shù)據(jù)庫(kù)的一般中間產(chǎn)物, 它負(fù)責(zé)為

9、代理保存和管 理產(chǎn)品數(shù)據(jù)。 類似于工具代理, 她們通常有一個(gè)與其它代理進(jìn)行交互的封裝層和一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù) 接口。任何一項(xiàng)活動(dòng)的執(zhí)行都需要計(jì)算機(jī)軟硬件資源的支持, 資源管理 agent 主要負(fù)責(zé)軟硬 件資源的收集和分類,并將它們分配給所需要的 agent。使資源得到合理、高效的運(yùn)用,同 時(shí)維護(hù)負(fù)載的平衡。 協(xié)同 agent 主要負(fù)責(zé)在產(chǎn)生系統(tǒng)不能自主解決的沖突的情況, 為人工協(xié) 商提供一個(gè)有效的交互界面。3.2基于 multi-agent 的智能協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境:MAIDA多代理系統(tǒng)是我們對(duì)協(xié)同智能設(shè)計(jì)環(huán)境的一個(gè)解決方案,它由許多單獨(dú)的代理組成 (包括 PMA,DTA,TA,PDA 和人代理等等 ,能夠進(jìn)

10、行合作以有效的方式來實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)工 程。支持代理體合作的底層組織應(yīng)該包括至少三個(gè)共同關(guān)鍵的成分:z共同的代理交互語言和協(xié)議,如 FIPA ,ACL 或者 KQML;z共享的實(shí)體,如企業(yè)主體,STEP 等等;z交互內(nèi)容的共同格式,如 KIF,EXPRESS 或者 XML。多代理系統(tǒng)協(xié)作的過程就是信息傳遞的過程,圖 2展示了這樣一個(gè)多代理系統(tǒng)的底層 結(jié)構(gòu)。主要包括四個(gè)部分:交互,心智模塊,觀測(cè)機(jī)制和應(yīng)用層。交互機(jī)制是建立在對(duì)象請(qǐng) 求代理(ORB上的消息傳輸機(jī)制。它以 agent 交互語言(ACL的語法來傳遞信息給容器, 容器對(duì)信息進(jìn)行解析。 心智模塊解釋消息的內(nèi)容, 推理并請(qǐng)求應(yīng)用層以完成任務(wù)。

11、應(yīng)用將結(jié) 果返回到心智模塊。心智模塊產(chǎn)生合適的回應(yīng)并轉(zhuǎn)寄給請(qǐng)求 agent。觀測(cè)機(jī)制和心智模塊信 念,渴望,意圖(BDI相關(guān),允許 agents 自己決定它們需要觀察其它系統(tǒng)中的哪個(gè)對(duì)象以 及采取什么樣的行動(dòng)。另外,建立在 STEP AP231上的公共產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型允許 agents 具有一 致的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的存取接口。Agent 1 Agent 2 圖 2 系統(tǒng)交互的底層機(jī)制MAIDA 采用 Web 技術(shù)將不同專業(yè)的設(shè)計(jì)人員和不同區(qū)域的資源組織在一起,提供一個(gè)協(xié)同完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境, 將產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)過程一體化集成使得設(shè)計(jì)環(huán)境具有 良好的擴(kuò)展性和開放性。它的功能模型如圖 3所示。過程

12、管理 agent 能夠?qū)υO(shè)計(jì)中的各個(gè)階段提供事務(wù)支持與維護(hù)。任務(wù)管理 agent 負(fù)責(zé) 任務(wù)的分解與調(diào)度。 資源管理 agent 負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的軟硬件資源進(jìn)行收集與分配。 協(xié)同 工具提供了設(shè)計(jì)者之間進(jìn)行協(xié)同交互的手段。 產(chǎn)品信息模型表達(dá)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中使用的各 種信息,包括數(shù)據(jù)庫(kù)、文件、圖形、圖象等多種格式數(shù)據(jù)源。不同功能的 agent 群組通過 multi-agent 交互界面使用各種工具和共享全域設(shè)計(jì)信息、設(shè)計(jì)資源與設(shè)計(jì)管理工具。各個(gè) agent 組以樹形層次方式組織。群組之間以一種松耦合的、動(dòng)態(tài)聯(lián)邦的形式進(jìn)行合作,隨著 任務(wù)的完成它們就執(zhí)行解散。 圖 3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)的框架3

13、.3 MAIDA中的協(xié)作設(shè)計(jì)是一個(gè)解決問題的過程,包括需求查詢,全局設(shè)計(jì)任務(wù)的定義,整個(gè)任務(wù)到子任 務(wù)的分解, 分配子任務(wù)給設(shè)計(jì)者, 子任務(wù)解決方案的綜合以及最后提供整個(gè)產(chǎn)品的解決方案。 因此,設(shè)計(jì)過程是一組活動(dòng)。MAIDA 環(huán)境被開發(fā)出來以保證 Agent 擁有這些活動(dòng)。在 MAIDA 中,一個(gè)設(shè)計(jì)過程通常由一個(gè)設(shè)計(jì)工程管理者(一個(gè)人類設(shè)計(jì)者來初始化, 但是它也可以由一個(gè)外部系統(tǒng)自動(dòng)地引發(fā)。 當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)過程初始化之后, 全局目標(biāo) PMA 負(fù)責(zé) 定義整個(gè)目標(biāo)和設(shè)計(jì)任務(wù), 根據(jù) DTA 的實(shí)用性將整個(gè)任務(wù)分解為分層次的子任務(wù)。 同時(shí)這個(gè) PMA 能夠知道 TAs 的全局分布, 通過與 TAs 和

14、 PDA 的互操作產(chǎn)生一個(gè)現(xiàn)存產(chǎn)品數(shù)據(jù)的全局視 圖。這樣,PMA 有一個(gè)關(guān)于設(shè)計(jì)過程的全局視圖。之后 PMA 通過一些合作機(jī)制分配子任務(wù)給 DTA,例如合同網(wǎng)協(xié)議,由于許多 DTA 能夠做同樣的子任務(wù),它們可以決定共同地做這個(gè)子 任務(wù)。由于子任務(wù)是按等級(jí)分解的,可以在所有的等級(jí)活動(dòng)中解決問題,包括產(chǎn)品,組件, 零件, 范圍和活動(dòng)單元。 設(shè)計(jì)活動(dòng)是一系列單元活動(dòng)的基本組合。 每一個(gè)單元活動(dòng)由輸入的 產(chǎn)品信息進(jìn)行初始化,由設(shè)計(jì)規(guī)則和約束進(jìn)行控制,由組織,資源,工具等支撐,最終輸出 產(chǎn)品信息。在一個(gè)活動(dòng)單元中,六種類型的代理能夠合作來完成一個(gè)基本的任務(wù)。每一個(gè)被 分配任務(wù)的 DTA 負(fù)責(zé)處理一個(gè)零件

15、,可以通過與 PDA 的協(xié)作來進(jìn)行零件產(chǎn)品數(shù)據(jù)的存取和處理.每一個(gè) DTA 也知道利用必要的工具處理這些產(chǎn)品數(shù)據(jù)來與 TA 協(xié)作。 子任務(wù)的解決過程是通過 PMA 的協(xié)調(diào)和控制來達(dá)到的。 這個(gè)過程通常要迭代許多次。 在產(chǎn)生沖突的情況下, 通過由于各 agent 個(gè)體知識(shí)的不完備性、不相容性及資源等問題往往不可避免的,從而可能導(dǎo)致 agent 間各種沖突的產(chǎn)生,進(jìn)而影響到 agent 間的協(xié)作。這里我們采用文獻(xiàn)2中的方法:對(duì)沖突進(jìn)行分類,建立三層式的沖突表示模型。沖突分類允許 agent 查明沖突源,以便決定為了消除沖突什么必須改變。 這個(gè)策略能夠在系統(tǒng)執(zhí)行的過程中動(dòng)態(tài)的決定采取什么樣的沖突消解

16、方法。4 結(jié)束語通過研究,我們發(fā)現(xiàn)代理技術(shù)能夠在協(xié)同智能設(shè)計(jì)環(huán)境中提供一個(gè)靈活和動(dòng)態(tài)的協(xié)作方法。 基于現(xiàn)存系統(tǒng)交互的標(biāo)準(zhǔn), 我們的基于代理的 MAIDA 環(huán)境能夠提高應(yīng)用程序的交互性,建立高水平的自動(dòng)協(xié)作。 在這里, 交互的關(guān)鍵是采用廣泛接受的標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)造基于代理基本組織結(jié)構(gòu).參考文獻(xiàn)Classification in a Domain-Independent Conflict Management Framework.TechnicalReport TR98-UT-LIPS- AGENT-02 1998.Classification in a Domain-Independent Confli

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