多Agent系統(tǒng)理論及其應(yīng)用研究

楊永健

摘要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用軟件變得越來越復(fù)雜，其智能化程度也越來越高。多Agent技術(shù)就是在此背景下應(yīng)運而生的，并迅速成為軟件工程領(lǐng)域的一個研究熱點。在介紹Agent定義和特點的基礎(chǔ)上，全面闡述了多Agent系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和兩種主要的Agent通信語言（KQML， FIPA-ACL），最后對多Agent系統(tǒng)的主要應(yīng)用做了詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞： Multi-Agent；KQML；FIPA-ACL

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）22-5293-04

多Agent技術(shù)是近年來軟件工程領(lǐng)域里的一個研究重點。多Agent系統(tǒng)（Multi-Agent System）是由分布式計算環(huán)境中的多個可交互的智能Agent組成的。其中，每個Agent被認(rèn)為是一個獨立的計算實體。在分布式環(huán)境下，它們有能力控制自身的行為和狀態(tài)，并且能對環(huán)境的變化做出應(yīng)激反應(yīng)。更為重要的是，其能與環(huán)境中的其他Agent進(jìn)行交互并協(xié)同工作，完成一個大規(guī)模、復(fù)雜的計算任務(wù)。這也正是多Agent系統(tǒng)較之單Agent智能系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。

1 Agent定義及其特點

1.1 Agent定義

Agent技術(shù)是人工智能、分布式計算、現(xiàn)代軟件工程等技術(shù)融合的產(chǎn)物。那么，agent的具體含義是什么呢？這里我們援引Wooldridge和Jennings為Agent下的定義[1]：Agent是處在復(fù)雜計算環(huán)境中的計算機(jī)軟件或硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)有能力在此環(huán)境中自主行動以實現(xiàn)其設(shè)計目標(biāo)。

1.2 Agent的基本特性

通常認(rèn)為，Agent具有自治性、反應(yīng)性、社會性和能動性四個主要特點。

1） 自治性：Agent具有高度的智能性，它可以依據(jù)內(nèi)部設(shè)定的規(guī)則在沒有其他對象干預(yù)的情況下完成既定的功能目標(biāo)，并且有能力控制自己的行為和內(nèi)部狀態(tài)。

2） 反應(yīng)性：每個Agent可以通過特定的感受器（如傳感器等硬件設(shè)備）感知周圍環(huán)境的各類信息，在環(huán)境參數(shù)發(fā)生改變時，能夠根據(jù)其所掌握的知識規(guī)則進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和狀態(tài)調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境的改變。

3） 社會性：在分布式計算環(huán)境中，存在著功能各異的眾多Agent實體。當(dāng)處理一些復(fù)雜問題時，通常需要許多Agent相互協(xié)作，共同完成任務(wù)。

4） 能動性：Agent應(yīng)該主動的采取某些動作來完成特定的任務(wù)。

2 多Agent系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)進(jìn)入了一個“數(shù)據(jù)大爆炸”時代，云計算、大數(shù)據(jù)處理等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)并應(yīng)用到人們的日常生活中。由于人們所要解決的應(yīng)用問題變得越來越復(fù)雜，而單Agent系統(tǒng)在自主學(xué)習(xí)、知識挖掘以及數(shù)據(jù)分析處理等方面存在諸多限制，無法滿足人們的需求。因此，多Agent系統(tǒng)的研究逐漸成為分布式人工智能領(lǐng)域的熱點。

2.1 多Agent系統(tǒng)的定義

多Agent系統(tǒng)包含多個互相通信的Agent，不同的Agent 有不同的作用范圍。某些情況下，作用范圍可能會重疊，而同時Agent之間還存在著依賴關(guān)系，它們之間既有競爭關(guān)系也有協(xié)作關(guān)系，如圖1所示。

從體系結(jié)構(gòu)圖中可以看出，多Agent系統(tǒng)是一種“自組織”系統(tǒng)，可以以一種幾乎透明的方式添加或移除Agent。此外，該系統(tǒng)非常適合于計算資源分散的分布式計算環(huán)境，通過Agent之間的協(xié)作和互操作，不僅可以極大擴(kuò)展系統(tǒng)的計算能力用以解決復(fù)雜的實際問題，也可以很好地提高系統(tǒng)的易維護(hù)性和功能擴(kuò)展性。

2.2 基于FIPA規(guī)范的MAS框架結(jié)構(gòu)

圖2展示了基于FIPA（Foundation for Intelligent Physical Agents 智能物理Agent基金會）規(guī)范的MAS結(jié)構(gòu)[2]。可以看出這是一個三層的框架。首先，非Agent技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用程序與Agent提供的用戶接口進(jìn)行交互，利用Agent的計算功能來實現(xiàn)自己的目標(biāo)。每個Agent都設(shè)計了與用戶程序交互的API接口，用戶程序可以以一種完全透明的方式使用Agent系統(tǒng)所提供的功能。第二，多個Agent之間的管理和通信是由AMS（Agent管理系統(tǒng)）和DF（目錄管理器）實現(xiàn)的。AMS提供了命名服務(wù)功能（在同一個平臺下的每個Agent都擁有唯一的一個名字），具有在某個容器（環(huán)境）內(nèi)創(chuàng)建和撤銷Agent的功能。DF則提供了黃頁功能和白頁功能，Agent可以查詢環(huán)境中具有某種特定功能的Agent。ACL（Agent通信語言）是整個系統(tǒng)的核心，它規(guī)定了Agent的通信方式以及消息格式。位于整個系統(tǒng)最底層的是通信協(xié)議，包括HTTP，IIOP，SMTP等常見的協(xié)議均可以作為Agent的通信協(xié)議。

2.3 Agent之間的通信機(jī)制

通信一直都是計算機(jī)科學(xué)的核心問題之一。多Agent系統(tǒng)的一個重要特性就是社會性，Agent并不是孤立存在的，他們共處在一個環(huán)境之中，彼此之間存在著合作，競爭等機(jī)制，而Agent之間的通信是實現(xiàn)合作和競爭等機(jī)制的基礎(chǔ)。表1給出了Agent通信的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。從中可以看出，Agent通信語言提供的是一種高層的通信機(jī)制。下面重點介紹最為重要的兩種Agent通信語言：KQML（Knowledge Query and Manipulation Language）和FIPA-ACL（Agent Communication Language）。

1） KQML通信語言

KQML（Knowledge Query and Manipulation Language）是一種基于言語行為（Speech Act）理論的知識和信息交換協(xié)議和語言，是KSE（Knowledge-Sharing Effort）項目的一部分，該項目旨在構(gòu)建可共享的大規(guī)模知識庫。KQML[3，4]是一種基于消息的通信語言，消息具有固定的格式：每條消息有一個語義詞，可將其看作消息的標(biāo)志，此外KQML消息中含有多個具有特定語義的參數(shù)，如表2所示。

這條消息的含義是：發(fā)送者想查詢圖書《C++ Programming》的價格。在這條消息中，ask-all是動作原語詞，它的含義是一個Agent向其他所有Agent征詢，并且需要得到應(yīng)答。消息的內(nèi)容是查詢圖書的價格。：receiver即消息的接收者，為存儲著圖書信息的服務(wù)器。：language規(guī)定了內(nèi)容的表達(dá)語言，本例中使用的是標(biāo)準(zhǔn)LISP語言。：ontology規(guī)定了消息所用的術(shù)語集，本例中的術(shù)語集為所有圖書的價格信息。

盡管KQML為多Agent間的通信提供了一種較好的機(jī)制，并且取得了成功，但是其自身仍存在某些缺陷：

· KQML的基本語義詞集合缺乏嚴(yán)格的約束，這就造成不同的KQML系統(tǒng)間的不可互操作性。

· KQML的語義沒有嚴(yán)格的定義，這就造成在使用KQML時的隨意性很大，這也是導(dǎo)致互操作性差的一個重要原因。

· KQML的消息傳送機(jī)制缺乏嚴(yán)格定義。

KQML存在的這些缺陷使人們開始研究新的Agent通信語言，F(xiàn)IPA隨后開發(fā)出一種新型的Agent通信語言，它彌補了KQML的眾多缺陷，與此同時也保留了KQML的優(yōu)點。

2） FIPA-ACL通信語言

ACL表面上與KQML很相似，其消息的語法也與KQML非常類似。表3給出了ACL的參數(shù)說明。

3 多Agent技術(shù)的應(yīng)用

近年來，多Agent技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，多Agent技術(shù)在工業(yè)、商業(yè)、教育等領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用。下面重點介紹一下該技術(shù)的一些典型應(yīng)用領(lǐng)域。

1） 在智能信息檢索中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的信息檢索方式需要建立在穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)上，并且客戶端每次檢索除了從服務(wù)端獲取到有用的數(shù)據(jù)外，還會下載很多無用信息，不僅浪費了寶貴的網(wǎng)絡(luò)通信資源而且智能化程度很差。多Agent系統(tǒng)可以提供動態(tài)執(zhí)行檢索和異步計算功能，Agent根據(jù)用戶請求，在服務(wù)端動態(tài)執(zhí)行搜索并返回用戶感興趣的內(nèi)容，既降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗又提高了檢索效率。

2） 在工作流中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的工作流系統(tǒng)只是按照預(yù)先定義好的流程執(zhí)行相應(yīng)的工作處理流程，無法對外界的新情況及時做出反應(yīng)，系統(tǒng)各模塊之間也缺乏協(xié)同機(jī)制，致使系統(tǒng)靈活性較差，而這些方面恰恰是多Agent系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。因此，將Agent技術(shù)引入工作流系統(tǒng)中，可以有效提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性。

3） 在電子商務(wù)中的應(yīng)用

Agent技術(shù)應(yīng)用于電子商務(wù)可以為用戶和商家提供資源智能發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)上虛擬市場交易等一系列個性化服務(wù)?；贏gent技術(shù)的電子商務(wù)平臺不但可以為商業(yè)主體提供在Internet上搜索所需商品的智能技術(shù)，并且可以創(chuàng)造出獨立于交易雙方的調(diào)控方來全面管理線上交易，從而有效降低了交易消耗的時間和精力，同時也提供了很好的安全性保障機(jī)制。

4 結(jié)束語

本文首先從Agent的定義和特性分析入手，詳細(xì)闡述了多Agent系統(tǒng)的定義、特點和體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，重點介紹了KQML和FIPA-ACL兩種Agent通信語言。最后，就多Agent技術(shù)目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了分析和闡述。隨著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善以及高效便捷的系統(tǒng)開發(fā)平臺的出現(xiàn)，多Agent技術(shù)一定會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] FIPA Specifications. http：//www.fipa.org.

[3] Tim Finin， Don McKay， Rich Fritzson， and Robin McEntire. KQML： an information and knowledge exchange protocol. In Kazuhiro Fuchi and Toshio Yokoi， editors， Knowledge Building and Knowledge Sharing. Ohmsha and IOS Press， 2010.

[4] Yannis Labrou and Tim Finin. A semantics approach for KQML-a general purpose communication language for software agents. In Third International Conference on Information and Knowledge Management，2000.