第10章分布式人工智能與Agent

人工智能技術(shù)篇分布式人工智能與Agent第十章本章導(dǎo)讀在這個信息量劇增的時代，科學(xué)技術(shù)發(fā)展所需的計算復(fù)雜度也隨之增加，集中式系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足該需求，因此，分布式系統(tǒng)應(yīng)運而生。計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的提升，以及互聯(lián)網(wǎng)和萬維網(wǎng)的出現(xiàn)與發(fā)展，推動了分布式人工智能技術(shù)的研究，使其成了人工智能的一個重點研究方向。本章首先介紹分布式人工智能的概念、特點和分類，然后介紹Agent的概念、特性、結(jié)構(gòu)和類型，以及Agent通信，最后介紹多Agent系統(tǒng)的概念、特點、基本模型、體系結(jié)構(gòu)，以及Agent間的協(xié)調(diào)、協(xié)作和協(xié)商。學(xué)習目標了解分布式人工智能的概念、特點及分類。熟悉Agent的概念、特性、結(jié)構(gòu)和類型。理解Agent的通信過程。掌握多Agent系統(tǒng)的概念、特點、基本模型與體系結(jié)構(gòu)等。目錄

4分布式人工智能AgentAgent通信01020304多Agent系統(tǒng)分布式人工智能01分布式人工智能（distributedartificialintelligence，DAI）主要研究邏輯上或物理位置上分散的智能系統(tǒng)如何并行地、相互協(xié)作地實現(xiàn)多任務(wù)問題求解。分布式人工智能具有分布性、并行性、開放性、協(xié)作性、容錯性、連接性和獨立性等特點（見表），可以有效地解決單個智能系統(tǒng)在功能上、空間分布上和資源上的局限性問題。分布式人工智能的概念與特點10.1.1特點介紹分布性整個系統(tǒng)中的信息，如數(shù)據(jù)、知識和控制等，在邏輯上或物理位置上都是分布式存儲和控制的，不存在全局數(shù)據(jù)存儲和全局控制并行性系統(tǒng)可以同時進行兩種或兩種以上的工作，并行地求解問題，提高子系統(tǒng)的求解效率開放性通過網(wǎng)絡(luò)互連的方式將不同分布的系統(tǒng)聯(lián)系在一起，不僅便于擴充系統(tǒng)規(guī)模，還使系統(tǒng)具備更強的開放性和靈活性協(xié)作性各個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，解決單個系統(tǒng)無法解決的復(fù)雜問題容錯性系統(tǒng)具有較多的冗余處理節(jié)點、通信路徑和知識，能夠使系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時，僅降低處理速度或求解精度，不影響系統(tǒng)正常工作，提高了系統(tǒng)工作的可靠性連接性在問題求解過程中，各個子系統(tǒng)可通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行相互連接，降低了求解問題的通信代價和求解代價獨立性系統(tǒng)可把求解任務(wù)劃分為多個相對獨立的子任務(wù)，不僅降低了子系統(tǒng)求解問題的復(fù)雜程度，還降低了軟件設(shè)計開發(fā)的復(fù)雜程度分布式人工智能的特點分布式人工智能一般分為分布式問題求解（distributedproblemsolving，DPS）和多Agent系統(tǒng)（multi-agentsystem，MAS）兩種類型，它們的詳細介紹如表所示。分布式人工智能的分類10.1.2分布式人工智能的分類分類分布式問題求解多Agent系統(tǒng)介紹研究如何在多個合作和共享知識的模塊、節(jié)點或子系統(tǒng)之間劃分任務(wù)，并求解問題研究如何在一群自主的Agent之間協(xié)調(diào)智能行為共同點都是研究如何劃分資源、知識和控制等不同點需要有全局的問題、概念模型和成功標準包含多個局部的問題、概念模型和成功標準采用自頂向下的設(shè)計方法采用自底向上的設(shè)計方法研究目標在于建立大規(guī)模的協(xié)作群體，通過各群體的協(xié)作實現(xiàn)問題求解先定義各個分散自主的Agent，然后研究求解問題的方法，各個Agent之間不一定是協(xié)作關(guān)系，也可能是競爭或?qū)龟P(guān)系A(chǔ)gent02在人工智能領(lǐng)域中，Agent是指能夠自主地、靈活地與某一環(huán)境進行交互的程序或?qū)嶓w，如圖所示。

其中，Agent通過傳感器感知環(huán)境，通過執(zhí)行器作用于環(huán)境，并滿足期望目標。Agent的概念與特性10.2.1

Agent與環(huán)境的交互作用例如，將人看作一種Agent，其中，眼睛、鼻子、耳朵等器官如同傳感器，可以感知環(huán)境；手、腳和嘴如同執(zhí)行器，可作用于環(huán)境。

Agent是獨立的智能實體，其自身具備多種特性，如表所示。Agent的特性特性介紹行為自主性Agent可以控制自身的行為，其行為是自發(fā)的、主動的、有目標和意圖的，并能夠根據(jù)目標和環(huán)境要求規(guī)劃短期行為結(jié)構(gòu)分布性在邏輯上或物理上分布和異構(gòu)的實體（如數(shù)據(jù)庫、知識庫、控制器、感知器和執(zhí)行器等），在多Agent系統(tǒng)中具有分布式結(jié)構(gòu)，有利于技術(shù)集成、資源共享、性能優(yōu)化和系統(tǒng)整合功能智能性Agent的功能具有較高智能性，這種智能是構(gòu)成社會智能的一部分作用交互性（反應(yīng)性）Agent可以與環(huán)境進行交互，能夠感知所處環(huán)境，并通過自己的行為結(jié)果作用于環(huán)境工作協(xié)作性各個Agent可以合作、協(xié)調(diào)工作，求解單個Agent無法處理的難題，提高處理問題的能力運行持續(xù)性Agent的程序啟動后，可以在長時間內(nèi)維持運行狀態(tài)，即使運算停止，Agent也不會立即結(jié)束運行系統(tǒng)適應(yīng)性Agent在感知環(huán)境和作用環(huán)境的同時，可以將新建立的Agent直接集成到原有系統(tǒng)中，可見，Agent具有很強的適應(yīng)性和可擴展性面向目標性Agent可以在某種目標指導(dǎo)下做出適當?shù)男袨?，并為實現(xiàn)其內(nèi)在目標采取主動行為環(huán)境協(xié)調(diào)性Agent存在于環(huán)境中，感知環(huán)境并影響環(huán)境，與環(huán)境保持協(xié)調(diào)，兩者之間相互依存、相互作用存在社會性社會是由多個Agent構(gòu)成，每個Agent都不是孤立存在的，而是具有社會性的，它們通過社會規(guī)則進行社會推理，實現(xiàn)社會意向和目標人工智能的任務(wù)可理解為設(shè)計Agent程序，即實現(xiàn)Agent從感知到動作的映射。Agent程序需要在某種計算機設(shè)備（稱為結(jié)構(gòu)）上運行。簡單的Agent結(jié)構(gòu)可能只是一臺計算機，復(fù)雜的Agent結(jié)構(gòu)可能包括用于某種任務(wù)的特定硬件設(shè)備，如圖像采集設(shè)備、聲音濾波設(shè)備等。由此可見，Agent、程序和結(jié)構(gòu)之間具有如下關(guān)系。Agent=程序+結(jié)構(gòu)在計算機系統(tǒng)中，Agent含有獨立的外部設(shè)備、輸入/輸出驅(qū)動設(shè)備、各種功能操作處理程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的輸出。Agent的結(jié)構(gòu)與類型10.2.2結(jié)構(gòu)為各個Agent在多個計算機上并行工作提供了運行環(huán)境支持，此外，它還提供了共享資源、Agent間的通信工具和Agent間的整體協(xié)調(diào)，實現(xiàn)多個Agent在同一目標下并行、協(xié)調(diào)地工作。根據(jù)人類思維的不同層次，可將Agent劃分為6類，包括反應(yīng)式Agent、慎思式Agent、跟蹤式Agent、基于目標的Agent、基于效果的Agent和復(fù)合式Agent。1．反應(yīng)式Agent反應(yīng)式Agent是一種對當時處境具備實時反應(yīng)能力的Agent，其結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，條件—作用規(guī)則是反應(yīng)式Agent內(nèi)部提前設(shè)置的相關(guān)知識，如行為集和約束條件等。它將反應(yīng)式Agent的感知和動作連接起來。當外界刺激符合一定的條件時，直接調(diào)用內(nèi)部的相關(guān)知識，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。反應(yīng)式Agent的結(jié)構(gòu)2．慎思式Agent慎思式Agent又稱為認知式Agent，是一種基于知識的系統(tǒng)，主要包括環(huán)境描述和智能行為的邏輯推理，其結(jié)構(gòu)如圖所示。慎思式Agent通過傳感器接收的外部環(huán)境信息，先依據(jù)內(nèi)部狀態(tài)進行信息融合，產(chǎn)生修改當前狀態(tài)的描述；然后，在知識庫的支持下制訂規(guī)劃；最后，在目標的指引下，形成動作序列，并對環(huán)境產(chǎn)生作用。慎思式Agent的結(jié)構(gòu)指點迷津慎思式Agent產(chǎn)生局限性的原因如下。（1）慎思式Agent結(jié)構(gòu)中的環(huán)境模型一般是提前預(yù)知的，對動態(tài)環(huán)境存在一定的局限性，不適用于未知環(huán)境。（2）由于缺乏必要的知識資源，執(zhí)行慎思式Agent時需要向模型提供有關(guān)環(huán)境的新信息，但該操作往往難以實現(xiàn)。3．跟蹤式Agent跟蹤式Agent也可稱為跟蹤世界Agent，是在反應(yīng)式Agent的基礎(chǔ)上，增加內(nèi)部狀態(tài)獲得的Agent，其結(jié)構(gòu)如圖示。跟蹤式Agent具有內(nèi)部狀態(tài)，包括原有的內(nèi)部狀態(tài)、世界如何獨立發(fā)展Agent信息和Agent自身作用如何影響世界信息。跟蹤式Agent的結(jié)構(gòu)基于目標的Agent結(jié)構(gòu)4．基于目標的Agent基于目標的Agent做決策時不僅需要了解現(xiàn)有狀態(tài)，還需要某種描述環(huán)境情況的目標信息，其結(jié)構(gòu)如圖所示?；谀繕说腁gent程序能夠與可能的作用結(jié)果信息結(jié)合起來，以便選擇能夠達到目標的行為。它可以靈活地實現(xiàn)目標，即只要指定新的目標，就能夠產(chǎn)生新的作用?；谛Ч腁gent結(jié)構(gòu)5．基于效果的Agent僅有目標還不足以產(chǎn)生高質(zhì)量的作用決策，若一個世界狀態(tài)優(yōu)于另一個世界狀態(tài)，那么它對Agent就有更好的效果。因此，效果可理解為一種把狀態(tài)映射到實數(shù)的函數(shù)，該函數(shù)描述了相關(guān)的滿意程度。

圖給出了一個完整的基于效果的Agent結(jié)構(gòu)。一個完整規(guī)范的效果函數(shù)允許對兩類情況做出理性的決策。（1）當Agent只有一些目標可以實現(xiàn)時，效果函數(shù)可指定合適的交替方法。（2）當Agent存在多個瞄準目標，但不知道哪一個一定能夠?qū)崿F(xiàn)時，效果函數(shù)可提供一種根據(jù)目標的重要性估計成功可能性的方法。由此，一個具有顯式效果函數(shù)的Agent能夠做出理性的決策，但是，在做決策之前必須比較由不同作用獲得的效果。復(fù)合式Agent的結(jié)構(gòu)6．復(fù)合式Agent復(fù)合式Agent是在一個Agent內(nèi)組合多種相對獨立和并行執(zhí)行的智能形態(tài)，其結(jié)構(gòu)包括感知器、反射、執(zhí)行器、建模、決策生成、通信和規(guī)劃等模塊，如圖所示。復(fù)合式Agent通過感知器模塊感知外界環(huán)境，并對環(huán)境信息進行抽象后，送到不同的處理模塊。若感知到簡單或緊急情況，就將信息送入反射模塊，做出決定，并把動作命令送到行動模塊，產(chǎn)生相應(yīng)的動作。Agent通信03合作可以實現(xiàn)共贏，且獲得的整體利益遠大于部分和的利益，而通信是實現(xiàn)合作必不可少的基礎(chǔ)條件。

如果Agent之間想實現(xiàn)信息交流與傳遞，就必須進行通信。通信是實現(xiàn)和提高Agent智能性的有效途徑，是Agent社會性的體現(xiàn)，是增加Agent實用價值不可或缺的一部分。Agent之間進行通信就是改變信息載體，將載體發(fā)送到接收Agent的可觀察環(huán)境中，其通信過程如圖所示。

Agent通信的過程10.3.1Agent通信過程Agent之間進行通信時，被授權(quán)的Agent可以通過調(diào)用另一個Agent的方法向其發(fā)送信息。通常Agent通信的類型可分為兩種，包括使用Tell和Ask通信，以及使用形式語言通信。Agent通信的類型10.3.2

1．使用Tell和Ask通信Agent之間分享一個共同的內(nèi)部表示語言，并通過通信界面Tell和Ask直接訪問共享的知識庫，如圖所示。由圖可知，兩個共享內(nèi)部語言的Agent使用Tell和Ask界面，并借助知識庫進行直接通信，其中每個Agent除了具有感知和行為端口之外，還具有連接知識庫的輸入/輸出端口。兩個Agent通過Tell和Ask通信添磚加瓦該通信類型不需要任何外部語言，通信時Agent

A可以使用Tell（KBB，“P”）通信把提議P傳到AgentB，就如同AgentA使用Tell（KBB，“P”）把提議P加到自己的知識庫一樣。還有，AgentA可以使用Ask（KBB，“Q”）查出AgentB是否知道提議Q。

通常將這種通信稱為靈感通信。2．使用形式語言通信多數(shù)Agent的通信是通過語言實現(xiàn)的。

圖描述了兩個Agent使用語言通信的基本結(jié)構(gòu)。其中，外部通信語言可以與內(nèi)部表示語言不同，并且每一個Agent都可以有不同的內(nèi)部語言。兩個Agent使用語言通信高手點撥只要每個Agent能夠可靠地實現(xiàn)從外部語言到內(nèi)部語言的映射，它們就無須統(tǒng)一任何內(nèi)部符號。該通信類型需要外部語言，通信時，有些Agent可以執(zhí)行表示語言的行為，有些Agent可以感知這些語言。Agent通信是多Agent系統(tǒng)實現(xiàn)問題求解的關(guān)鍵。通信方式可分為黑板系統(tǒng)和消息/對話系統(tǒng)。Agent通信的方式10.3.31．黑板系統(tǒng)黑板系統(tǒng)采用合適的結(jié)構(gòu)支持分布式問題求解。在多Agent系統(tǒng)中，黑板系統(tǒng)提供一處公共工作區(qū)，Agent可以“看”到黑板上的問題、數(shù)據(jù)和求解記錄等，并將對問題的求解結(jié)果“寫”到黑板上，供其他Agent求解問題時參考、使用等。黑板系統(tǒng)可用于任務(wù)共享系統(tǒng)和結(jié)果共享系統(tǒng)中。由于黑板系統(tǒng)中Agent增加會引起數(shù)據(jù)增加，從而導(dǎo)致Agent訪問黑板時效率下降，因此，黑板系統(tǒng)應(yīng)為Agent提供不同的區(qū)域。2．消息/對話系統(tǒng)消息/對話系統(tǒng)是實現(xiàn)協(xié)調(diào)策略的基礎(chǔ)，各Agent使用規(guī)定的協(xié)議相互交換信息，用于建立通信和協(xié)調(diào)機制。在面向消息的多Agent系統(tǒng)中，發(fā)送Agent將特定的消息傳送至接收Agent。兩Agent之間的消息是直接交換的，執(zhí)行過程中沒有緩沖。一般情況下，發(fā)送Agent要為特定消息指定唯一的地址，只有該地址的Agent才能讀該條消息。拓展閱讀目前，國際上使用比較廣泛的Agent通信語言有知識交換格式語言（KIF）和知識查詢操縱語言（KQML）。知識交換格式語言主要是基于謂詞邏輯的知識表示工具，可描述專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、多Agent等所含有的知識。知識查詢操縱語言為多Agent通信定義了一套消息表達機制和消息傳遞格式，并提供了一套建立連接識別和交換消息的協(xié)議，構(gòu)建了一種標準的通用框架。多Agent系統(tǒng)04多Agent系統(tǒng)（multi-agentsystem，MAS）是由分布在網(wǎng)絡(luò)上的多個Agent松散耦合而成的系統(tǒng)，這些Agent不僅自身具有問題求解能力和行為目標，還能夠相互協(xié)作，實現(xiàn)共同的整體目標，即解決現(xiàn)實中由單個Agent無法處理的復(fù)雜問題。多Agent系統(tǒng)的概念與特點10.4.1

多Agent系統(tǒng)是由多個Agent組成，因此，它具有和Agent一樣的特性。此外，它還具有如下特點。（1）多Agent系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分布或分散存貯。（2）多Agent系統(tǒng)的執(zhí)行過程具有并發(fā)性、并行性和異步性。（3）多Agent系統(tǒng)中每個Agent都具有不完全的信息，同時還具有問題求解能力。（4）多Agent系統(tǒng)不存在全局控制。多Agent系統(tǒng)的基本模型與其應(yīng)用環(huán)境息息相關(guān)，它的體系結(jié)構(gòu)更是直接影響系統(tǒng)異步性、一致性、自主性和自適應(yīng)性的程度。多Agent系統(tǒng)的基本模型與體系結(jié)構(gòu)10.4.21．多Agent系統(tǒng)的基本模型針對不同的應(yīng)用環(huán)境，從不同的角度提出了多種不同的多Agent系統(tǒng)，其基本模型包括BDI模型、協(xié)商模型、協(xié)作規(guī)劃模型和自協(xié)調(diào)模型等，具體介紹如表所示。2．多Agent系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)多Agent系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)決定信息的存儲方式、共享方式和通信方式。常見的多Agent系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、聯(lián)盟結(jié)構(gòu)和黑板結(jié)構(gòu)等。（1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，任何Agent之間都是直接通信的，通信和狀態(tài)知識都是固定的。（2）聯(lián)盟結(jié)構(gòu)中，若干近程Agent通過協(xié)助者Agent進行交互，而遠程Agent之間的交互則由局部Agent群體的協(xié)助者Agent協(xié)作完成。（3）黑板結(jié)構(gòu)中，局部Agent將信息存放在可存取的黑板上，實現(xiàn)局部數(shù)據(jù)共享。協(xié)調(diào)、協(xié)作和協(xié)商都是多Agent系統(tǒng)研究的核心問題。協(xié)調(diào)是指一組Agent完成一些集體活動時可以和諧地進行相互作用。協(xié)作是非對抗的Agent之間保持行為協(xié)調(diào)的一個特例，它通過適當?shù)膮f(xié)調(diào)，合作完成共同的目標。

協(xié)商是多Agent系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調(diào)、協(xié)作、沖突消解和矛盾處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多Agent系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、協(xié)作和協(xié)商10.4.31．多Agent系統(tǒng)的協(xié)調(diào)多Agent系統(tǒng)的協(xié)調(diào)是指多個Agent為了共同合作解決復(fù)雜問題而進行交互的過程。進行協(xié)調(diào)是希望避免Agent間的負面交互關(guān)系導(dǎo)致沖突，一般包括資源沖突、目標沖突和結(jié)果沖突等。

表中列舉了當前主要的4種協(xié)調(diào)方法。多Agent系統(tǒng)的協(xié)調(diào)方法協(xié)調(diào)方法介

紹基于集中

規(guī)劃的協(xié)調(diào)多Agent系統(tǒng)中至少有一個Agent可作為主控Agent對該系統(tǒng)的目標進行分解，對任務(wù)進行規(guī)劃，并指示或建議其他Agent執(zhí)行相關(guān)任務(wù)，而且，該Agent具備其他Agent的知識、能力和環(huán)境資源知識等基于協(xié)商的協(xié)調(diào)通過Agent間交換信息、討論和達成共識的方式進行分布式協(xié)調(diào)，其系統(tǒng)中沒有主控Agent基于對策論的協(xié)調(diào)該協(xié)調(diào)方法包括無通信協(xié)調(diào)和有通信協(xié)調(diào)。無通信協(xié)調(diào)是在沒有通信情況下，Agent根據(jù)對方及自身的效益模型，按照對策論選擇適當行為。在無通信協(xié)調(diào)中，Agent最多只能達到協(xié)調(diào)的平衡解。而在有通信協(xié)調(diào)中，則可得到協(xié)作解基于社會

規(guī)則的協(xié)調(diào)該協(xié)調(diào)方法是以每個Agent都必須遵循的社會規(guī)則、過濾策略、標準和慣例等為基礎(chǔ)，對Agent進行協(xié)調(diào)。這些規(guī)則對各Agent的行為加以限制，過濾某些有沖突的意圖和行為，保證其他Agent必需的行為方式，從而確保本Agent