智能虛擬環(huán)境中基于MAS的智能Agent體系結(jié)構(gòu)

張 錚

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

智能虛擬環(huán)境中基于MAS的智能Agent體系結(jié)構(gòu)

張 錚

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

智能虛擬環(huán)境是人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的產(chǎn)物。由于多Agent系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、自治性、主動性、可重構(gòu)性和敏捷性等特點(diǎn)，已成為目前最感興趣的AI技術(shù)之一。本文提出一種IVE中基于多Agent系統(tǒng)的智能Agent體系結(jié)構(gòu)，著重于智能Agent內(nèi)部機(jī)制的研究與設(shè)計，通過Agent的內(nèi)部機(jī)制來提升系統(tǒng)的整體性能。

智能虛擬環(huán)境；MAS；Agent

1．引言

虛擬環(huán)境（VE），指人處在一個由計算機(jī)模擬產(chǎn)生的3D環(huán)境中，獲得如同在相同的真實(shí)世界里的感覺，通過對人類的感覺器官產(chǎn)生人為的如聽、視、觸覺等刺激信號，使人獲得在相似真實(shí)世界中才能取得的真實(shí)感受。就現(xiàn)在的VE系統(tǒng)而言，大多數(shù)都采用靜態(tài)的三維場景，場景中的物體是靜態(tài)的、被動的、無生命的。為了更逼真地模仿世界，使得參加的用戶具有沉浸感，迫切需要在虛擬世界中加入有生命的對象，包括虛擬人或動物，此時用戶用一個代表他的用戶化身（avatar）來表示。場景中有生命的對象和用戶化身的活動都應(yīng)具有一定的智能性，從而形成為一個智能虛擬環(huán)境（IVE）。

智能虛擬環(huán)境是人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。在IVE中，有生命的對象用Agent表示，代表用戶的化身也用智能Agent表示。對智能Agent的定義，研究人員根據(jù)不同的應(yīng)用和角度，在自己的理解上做出了不同的說明。Stan和Art考察大量的Agent概念，給出：智能Agent系統(tǒng)是環(huán)境的一部分，只在特定的環(huán)境中感知環(huán)境并作用于環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)自身的日程，影響將來的感知[2]。智能Agent總是與其對應(yīng)的環(huán)境相結(jié)合，離開了所處的環(huán)境，Agent就失去了存在的意義。它通過感應(yīng)器和效應(yīng)器與環(huán)境相互作用，具有目的，有意圖的行為，使環(huán)境將來的狀態(tài)符合日程。

智能Agent技術(shù)是繼面向?qū)ο蟮慕７椒ê螅霈F(xiàn)的又一功能強(qiáng)大的建模方法[3]。智能Agent具有自主性、反應(yīng)性、社會性及推理能力等特點(diǎn)，已成為人工智能領(lǐng)域描述行為模型的通用技術(shù)框架，能夠用來解決傳統(tǒng)的人工智能所不能解決的環(huán)境適應(yīng)性、信息部完全性及實(shí)時性等問題[4]。由于多Agent系統(tǒng)（Multi-Agent Systems，MAS）具有可擴(kuò)展性、自治性、主動性、可重構(gòu)性和敏捷性等特點(diǎn)[5]，已成為目前最感興趣的AI技術(shù)之一。

在MAS領(lǐng)域，以往的研究大都集中于Agent和Agent組織之間的交互協(xié)作。而本文通過對智能虛擬環(huán)境體系結(jié)構(gòu)的需求分析，提出一種IVE中基于MAS的智能Agent體系結(jié)構(gòu)，著重于智能Agent內(nèi)部機(jī)制的研究與設(shè)計，通過Agent的內(nèi)部機(jī)制來提升系統(tǒng)的整體性能。

2．智能虛擬環(huán)境體系結(jié)構(gòu)需滿足的要求

2．1 智能化與可視化分離

為創(chuàng)建具有良好擴(kuò)展性和通用性的體系結(jié)構(gòu)，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和MAS這兩個系統(tǒng)必須獨(dú)立工作。這樣用于計算推理的智能化部分才能從用來展示推理結(jié)果的可視化部分明確地分離出來[8]。圖1給出了獨(dú)立分配可視化和智能化的抽象層次結(jié)構(gòu)，幫助擴(kuò)展IVE應(yīng)用。這種方案使用特定的圖形工作站來專門處理渲染，用其它的計算機(jī)處理AI計算，用專用的CPU周期渲染。

圖1 智能虛擬環(huán)境的獨(dú)立部分

2．2 分配AI計算任務(wù)

智能虛擬環(huán)境提供的沉浸感和環(huán)境中個體的可靠行為都由AI技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。但這些技術(shù)可能需要很高的計算代價。另外，要使環(huán)境中的智能Agent以靈活的方式自主交互，采用MAS方法更合適。MAS中，為一個應(yīng)用程序中的每個不同Agent分配一臺計算機(jī)，獨(dú)立地專用于應(yīng)用程序的可視化部分。這些Agent只知道VE的一部分，并且知道怎樣才能達(dá)到它們的設(shè)計目標(biāo)。

2．3 面向任務(wù)的行為

每個Agent被設(shè)置了一組預(yù)先設(shè)定的可在虛擬環(huán)境里執(zhí)行的基本動作，比如看和移動。這些基本動作被自動執(zhí)行。此外，Agent還能執(zhí)行專門的動作，這些動作不是直接的，因?yàn)檫@些動作需要依賴于上下文。因此Agent以任務(wù)這一高于動作的抽象方式運(yùn)行。任務(wù)的意思是：包含了上下文的動作。一個上下文就是一組定義一個動作的屬性。

3．Agent體系結(jié)構(gòu)

為滿足以上要求，本文提出了智能虛擬環(huán)境中基于MAS的智能Agent體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該體系結(jié)構(gòu)共有三層。

圖2 智能Agent的體系結(jié)構(gòu)

物理層建立每個Agent和虛擬環(huán)境之間的邏輯聯(lián)系。傳感器從仿真控制器（Simulation Controller，SC）中捕獲虛擬環(huán)境中的事件，將其傳送到認(rèn)知層以執(zhí)行必要的操作。一旦某個Agent要執(zhí)行一個動作，效應(yīng)器就把它傳送給仿真控制器。

仿真控制器（SC）是MAS子系統(tǒng)中的一個特殊Agent（在仿真過程中的唯一正在運(yùn)行的Agent），它為虛擬世界解釋所有的Agent動作，保證仿真過程中任意時刻虛擬世界的一致性。SC對虛擬世界的狀態(tài)做有效的表達(dá)，為圖形觀測儀提供所有需要的信息。由于SC發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量很大，它的體系結(jié)構(gòu)必須對虛擬世界中的任何刺激作出快速的反應(yīng)。

仿真層包含了仿真邏輯管理模塊，用來管理仿真的生命周期。該模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行管理仿真的虛擬社會的關(guān)系規(guī)則，保證該過程的同步。整個虛擬世界的狀態(tài)，都存儲在世界知識庫中，其中包含展示和管理虛擬世界的所有必須的數(shù)據(jù)。

反應(yīng)層是虛擬世界與環(huán)境的邊界。它由兩個模塊組成。感覺應(yīng)答模塊從環(huán)境中捕獲事件。它執(zhí)行虛擬世界中Agent的動作，計算這些動作對虛擬世界造成的物理后果，并解釋世界知識庫的新變化。從而，感覺應(yīng)答模塊將這些發(fā)生的影響和變化發(fā)送到其他相關(guān)的代理。另外，該層控制與觀察儀的交互。在仿真過程中，同一時刻可能有多個觀察儀運(yùn)行在不同的計算機(jī)上。為保持理想的幀速率，必要的信息都必須在每一幀發(fā)送到觀察儀。

社會層通過有效使用FIPAACL合作協(xié)議來管理Agent間的交互。

Agent的認(rèn)知層由三個模塊組成：知識庫模塊，決策模塊和執(zhí)行模塊。每個Agent都具有虛擬環(huán)境存儲在知識庫中的部分知識，作為它的記憶。決策模塊具有兩個干預(yù)層。反應(yīng)層使用快速解決方案，而協(xié)商層使用知識庫模塊來獲取更好的解決方案。協(xié)商層可以有個計劃器，通過對VW的獨(dú)立觀建立面向任務(wù)的計劃。決策模塊同時被社會層和執(zhí)行模塊使用，以解決兩個關(guān)鍵問題：重新分配任務(wù)列表中各任務(wù)的優(yōu)先級和搶占當(dāng)前活動的任務(wù)。執(zhí)行模塊包括一個任務(wù)列表，一個調(diào)度器和一個調(diào)度程序。任務(wù)列表保存了一個Agent要做的所有任務(wù)。調(diào)度器使用認(rèn)知層的決策模塊來重新分配任務(wù)列表中各任務(wù)的優(yōu)先級，并選擇優(yōu)先級最高的任務(wù)。調(diào)度程序從任務(wù)列表中選擇優(yōu)先級最高任務(wù)并執(zhí)行。另外，調(diào)度程序還可以通過決策模塊掛起當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)。

社會層管理Agent之間的交互，以讓各Agent相互合作，協(xié)調(diào)一致，達(dá)到它們各自的和全局的目標(biāo)。

4．總結(jié)

本文提出了提出一種IVE中基于MAS的智能Agent體系結(jié)構(gòu)，著重于智能Agent內(nèi)部機(jī)制的研究與設(shè)計，通過Agent的內(nèi)部機(jī)制來提升系統(tǒng)的整體性能。該方法應(yīng)用MAS，將可視化和智能化模塊分開處理，使得可擴(kuò)展性在圖形層（增加設(shè)備數(shù)量）和MAS層（增加與VE交互的Agent數(shù)量）都能實(shí)現(xiàn)。

[1]潘志庚，張明敏，許威威．智能虛擬環(huán)境[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報，2001，13(增刊)：152-155．

[2]史忠植．智能主體及其應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2000．

[3]劉箴．浙江大學(xué)博士后研究工作報告，2004．

[4]M．Wooldridge and N．R．Jennings．Intelligent agents：Theory and practice． The Knowledge Engineering Review，10(2)：115-152，1995．

[5]范輝，華臻，李晉江等．智能虛擬環(huán)境的研究[J]．微電子學(xué)與計算機(jī)，2004，21(6)：100-103．

AgentArchitecture for Intelligent Virtual Environment Base on MAS

Zhang Zheng
(Jiangxi Vocational and Technical College of Communication,Nanchang 330013,Jiangxi)

Intelligent Virtual Environment is an outcome of Artificial Intelligence and Virtual Environment.Due to its features: scalable,autonomous,proactive,reconfigurable,agile,the Multi-Agent Systems(MAS)has been the most interesting AI technique. This paper presents a new Agent architecture for Intelligent Virtual Environment base on MAS,concentrates on the internal mechanism research and design of intelligentAgent,and promotes the whole performance of the system byAgent’s internal mechanism.

intelligent virtual environment;MAS;agent

張錚，男，江西進(jìn)賢人，碩士，講師，中級項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向：計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，系統(tǒng)集成，智能化。