基于層次化模型的多智能體系統(tǒng)設(shè)計方法

周超然，張昕，趙建平

（長春理工大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022）

基于層次化模型的多智能體系統(tǒng)設(shè)計方法

周超然，張昕，趙建平

（長春理工大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022）

在開展系統(tǒng)設(shè)計時，系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和行為特性使其自身呈現(xiàn)出顯著的不確定性，進(jìn)而造成系統(tǒng)控制難度的提高。在此條件下，當(dāng)系統(tǒng)面臨結(jié)構(gòu)、行為或功能的變動時，會導(dǎo)致其在特定場景下產(chǎn)生設(shè)計期望之外的行為表現(xiàn)，引發(fā)系統(tǒng)局部甚至是全局失能，進(jìn)而加劇了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度。出于上述考慮，基于提出的用于分析系統(tǒng)引入變動產(chǎn)生響應(yīng)的模型框架，針對產(chǎn)品開發(fā)項目過程開展層次化的系統(tǒng)建模，圍繞用以表征系統(tǒng)行為特性的直接參數(shù)開展對系統(tǒng)引入變動后產(chǎn)生反饋效應(yīng)的分析，提供對系統(tǒng)設(shè)計過程管理的改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，提出基于智能體技術(shù)的計算機輔助分析技術(shù)方案，為系統(tǒng)設(shè)計過程中的變動因素識別及效應(yīng)追蹤提供技術(shù)基礎(chǔ)。

系統(tǒng)設(shè)計；層次化分析；智能體技術(shù)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜度也在相應(yīng)提高，對于設(shè)計過程而言，需要合理引入改進(jìn)以推動系統(tǒng)解決方案的演進(jìn)，從而保持和提升系統(tǒng)的可用性、適用性。在上述過程涉及到的多個知識領(lǐng)域中，如何應(yīng)對系統(tǒng)設(shè)計方案的變動以推動其演進(jìn)是重要的研究課題。在產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計過程中，能夠有效地開展對系統(tǒng)變動因素的識別以及相關(guān)特性的分析，對于驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)創(chuàng)新具有重要意義。在此基礎(chǔ)上，通過對引入變動產(chǎn)生效應(yīng)的感知和跟蹤，能夠進(jìn)一步輔助改進(jìn)產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計的過程管理，實現(xiàn)在時間、成本、質(zhì)量等多方面約束條件下對產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的有效控制和管理。

1 相關(guān)研究工作

根據(jù)Browning提出的定義，產(chǎn)品開發(fā)項目指的是從定義一個技術(shù)或市場機遇至產(chǎn)品開始量產(chǎn)的進(jìn)展過程，其間要執(zhí)行完成大量涉及多個知識領(lǐng)域的項目事務(wù)［1］?；谟蒔immler等人提出的集成分析方法［2］以及電子工業(yè)聯(lián)盟提出的用于系統(tǒng)重構(gòu)的項目規(guī)劃建模方法［3］，Browning等人通過分析產(chǎn)品開發(fā)項目管理流程及特點，將產(chǎn)品開發(fā)項目建模為五個相關(guān)子系統(tǒng)構(gòu)成的整體［1］，五個子系統(tǒng)包括目標(biāo)子系統(tǒng)，過程子系統(tǒng)，產(chǎn)品子系統(tǒng)，工具子系統(tǒng)以及組織子系統(tǒng)，分別涵蓋了產(chǎn)品開發(fā)項目的多個知識領(lǐng)域，為其他基于特定目標(biāo)開展的產(chǎn)品開發(fā)項目建模和分析提供了理論基礎(chǔ)。在系統(tǒng)理論的支持下，上述產(chǎn)品開發(fā)項目的系統(tǒng)化模型可被進(jìn)一步細(xì)化。

在開展系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，智能體技術(shù)能夠支持對所構(gòu)建模型中各子系統(tǒng)的行為以及交互實現(xiàn)模擬，以反映系統(tǒng)在引入變動后可能表現(xiàn)出的響應(yīng)，為調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計方案提供一定的靈活性［4］。通過構(gòu)建多智能體系統(tǒng)，得以觀察和分析智能體在各類場景中的表現(xiàn)，輔助分析變更事件發(fā)生及其效應(yīng)傳播的特點，從而為后續(xù)開展變更事件效應(yīng)傳播的模擬、預(yù)測提供基礎(chǔ)條件。

2 系統(tǒng)建模過程及變更效應(yīng)分析

首先開展對產(chǎn)品開發(fā)項目的層次化系統(tǒng)分析，基于直接參數(shù)的概念實現(xiàn)對產(chǎn)品開發(fā)項目各類組成要素的識別，進(jìn)而構(gòu)建獲得分析產(chǎn)品開發(fā)項目和觀察變更事件的系統(tǒng)模型?；趯ψ兏录膹V義理解，變更事件的發(fā)生會導(dǎo)致目標(biāo)系統(tǒng)相較其初始性能狀態(tài)發(fā)生偏移。本文對偏移效應(yīng)進(jìn)行細(xì)分，結(jié)合變更事件效應(yīng)傳播的場景，為定義智能體及其交互關(guān)系提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定配置智能體的行為，完成對多智能體系統(tǒng)的構(gòu)建。

2.1 產(chǎn)品開發(fā)項目的層次化系統(tǒng)模型

考慮到產(chǎn)品開發(fā)項目的復(fù)雜性，采用層次化分解的方式對其開展系統(tǒng)建模。根據(jù)Zolghadri等人提出的產(chǎn)品及合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)同步進(jìn)化模型［5］，首先將產(chǎn)品開發(fā)項目建模成為由三個關(guān)鍵知識領(lǐng)域構(gòu)成的交互系統(tǒng)：

（1）產(chǎn)品設(shè)計及開發(fā)管理領(lǐng)域：該領(lǐng)域涵蓋了產(chǎn)品要素經(jīng)過設(shè)計開發(fā)過程實現(xiàn)聚合并形成產(chǎn)品設(shè)計方案的管理內(nèi)容。

（2）供應(yīng)鏈合作關(guān)系管理領(lǐng)域：該領(lǐng)域涵蓋了產(chǎn)品開發(fā)項目過程中供應(yīng)鏈合作伙伴參與產(chǎn)品設(shè)計方案演進(jìn)過程并通過提供相應(yīng)的技術(shù)/服務(wù)解決方案達(dá)成共同業(yè)務(wù)目標(biāo)的管理內(nèi)容；

（3）項目過程管理領(lǐng)域：該領(lǐng)域涵蓋了項目過程中面向時間、預(yù)算以及質(zhì)量等約束條件實施的管理內(nèi)容。

上述三個領(lǐng)域存在顯著的協(xié)同性，其間存在的潛在關(guān)聯(lián)能夠傳播變更事件效應(yīng)，具備支持分析和跟蹤變更事件效應(yīng)傳播的基礎(chǔ)條件。

給定上述關(guān)鍵知識領(lǐng)域，基于系統(tǒng)論、系統(tǒng)工程方法以及Magee等人提出的工程系統(tǒng)分類識別方法開展單一領(lǐng)域內(nèi)的系統(tǒng)化建模［6-8］。以關(guān)鍵知識領(lǐng)域起點，通過分析其作用以及多領(lǐng)域之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而將產(chǎn)品開發(fā)項目建模為由七個子系統(tǒng)聚合形成的系統(tǒng)集合。

其中，對應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)項目的關(guān)鍵知識領(lǐng)域推導(dǎo)得出三個基礎(chǔ)核心子系統(tǒng)，分別是：

（1）產(chǎn)品子系統(tǒng)：封裝表達(dá)了伴隨項目過程持續(xù)演進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計方案；

（2）合作伙伴子系統(tǒng)：封裝表達(dá)了供應(yīng)鏈中各合作伙伴基本情況及項目參與角色；

（3）項目過程子系統(tǒng)：封裝了項目過程中各類事務(wù)及其資源和約束。

基于基礎(chǔ)核心子系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)和交互，可推導(dǎo)得出四個衍生子系統(tǒng)：

（1）工具子系統(tǒng)：封裝了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中用以推動產(chǎn)品演進(jìn)的知識/經(jīng)驗；

（2）業(yè)務(wù)子系統(tǒng)：封裝了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中為獲得階段性成果所制定的流程以及相應(yīng)約束；

（3）機構(gòu)子系統(tǒng)：封裝了開展各項業(yè)務(wù)所需的人力資源、軟硬件資源配置方案和各類參與角色及其相互關(guān)系

（4）目標(biāo)子系統(tǒng)：封裝了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中伴隨產(chǎn)品設(shè)計方案演進(jìn)所設(shè)定的階段目標(biāo)以及評價指標(biāo)。

持續(xù)對上述建模獲得的子系統(tǒng)開展分析，采用直接參數(shù)作為定性定量刻畫給定系統(tǒng)在相應(yīng)條件下表現(xiàn)響應(yīng)行為和基本屬性的手段。直接參數(shù)是由參數(shù)標(biāo)識和參數(shù)取值構(gòu)成的序?qū)?，前者用于表述選定的系統(tǒng)屬性，后者以量化方式表征相應(yīng)屬性的性能指標(biāo)。以此方式，在開展上述針對子系統(tǒng)的持續(xù)建模過程中，當(dāng)給定子系統(tǒng)在建模劃分中表現(xiàn)的粒度能夠通過確定個數(shù)的直接參數(shù)進(jìn)行表達(dá)時，則認(rèn)定上述系統(tǒng)化建模過程完成。在此，將采用上述建模過程最終推導(dǎo)獲得的個體稱為終態(tài)對象，并且該終態(tài)對象的粒度至多與上述衍生子系統(tǒng)持平。層次化系統(tǒng)建模方法框架如圖1所示。

圖1 層次化的系統(tǒng)建模方法框架

上述建模過程得以采用統(tǒng)一形式特征的終態(tài)對象及其聚合關(guān)系實現(xiàn)對產(chǎn)品開發(fā)項目的系統(tǒng)化表達(dá)。

2.2 變更事件及其效應(yīng)傳播的識別與分析

給定單一的終態(tài)對象，其直接參數(shù)刻畫了對應(yīng)的屬性特征，并由屬性特征表達(dá)了該對象具備的單項性能表現(xiàn)。當(dāng)直接參數(shù)取值超出預(yù)設(shè)的有效區(qū)間時，則認(rèn)為其對應(yīng)的屬性特征可能無法達(dá)到相應(yīng)的性能表現(xiàn)。據(jù)此，我們將變更事件進(jìn)一步表述為“由于引入變動產(chǎn)生偏移效應(yīng)使直接參數(shù)的重新取值無法保證對應(yīng)性能表現(xiàn)符合預(yù)設(shè)期望的現(xiàn)象”。

根據(jù)上述對變更事件的表述，引入變動產(chǎn)生偏移效應(yīng)所引發(fā)的后果分為以下三種類型：（1）容許偏移：直接參數(shù)的取值變化在其預(yù)設(shè)的可行區(qū)間之內(nèi)，該情況下變更事件處于已有的認(rèn)知和可管理范圍之內(nèi)，無需采取應(yīng)對；（2）常規(guī)變更事件：直接參數(shù)的取值變化超出了預(yù)設(shè)的可行區(qū)間，但新的參數(shù)取值仍可保證對應(yīng)屬性的正確表達(dá)；（3）失能變更事件：直接參數(shù)的取值變化超出了預(yù)設(shè)的可行區(qū)間，并且新的參數(shù)取值已無法保證對應(yīng)屬性的正確表達(dá)，該情況下引發(fā)的變更事件已超出系統(tǒng)認(rèn)知范圍或可管理范圍，無法采用預(yù)設(shè)的變更管理過程實現(xiàn)應(yīng)對，進(jìn)而造成所在系統(tǒng)可能不滿足項目進(jìn)展的相關(guān)約束。

由上述變更事件類型，給定具備關(guān)聯(lián)的兩個終態(tài)對象（分別標(biāo)識為起始對象和傳導(dǎo)對象），變更事件效應(yīng)傳播則呈現(xiàn)如下場景：

（1）起始對象的容許偏移引發(fā)傳導(dǎo)對象的容許偏移，此種場景反映了產(chǎn)品設(shè)計方案的系統(tǒng)動力學(xué)特征，不在本文對變更事件效應(yīng)分析的范圍內(nèi)，故不對其作進(jìn)一步討論；

（2）起始對象的容許偏移引發(fā)傳導(dǎo)對象的常規(guī)變更事件；

（3）起始對象的容許偏移引發(fā)傳導(dǎo)對象的失能變更事件；

（4）起始對象的常規(guī)變更事件引發(fā)傳導(dǎo)對象的容許偏移；

（5）起始對象的常規(guī)變更事件引發(fā)傳導(dǎo)對象的常規(guī)變更事件；

（6）起始對象的常規(guī)變更事件引發(fā)傳導(dǎo)對象的失能變更事件。

2.3 面向效應(yīng)傳播的系統(tǒng)流程

通過分析上述識別得出的五種變更事件效應(yīng)傳播場景，參考其涉及的變更事件類型和特點，識別得出變更事件效應(yīng)傳播呈現(xiàn)以下演進(jìn)情況，具體描述如表1所示。

表1 變更事件效應(yīng)傳播的演進(jìn)

表1中闡述的變更事件隨效應(yīng)傳播產(chǎn)生的演進(jìn)情況，為定制變更管理策略提供了依據(jù)。其中，衰減的演進(jìn)情況提供了利用系統(tǒng)設(shè)計自身實現(xiàn)變更應(yīng)對進(jìn)而持續(xù)保證產(chǎn)品開發(fā)項目按既定目標(biāo)進(jìn)展的解決方案，是在產(chǎn)品設(shè)計中成功融入設(shè)計可變性的具體體現(xiàn)；傳導(dǎo)的演進(jìn)情況反映了變更事件效應(yīng)傳播的普遍性以及變更管理與系統(tǒng)設(shè)計方案的相關(guān)性；加劇的演進(jìn)情況反映了產(chǎn)品開發(fā)項目中為實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新可能面臨的問題和風(fēng)險，需要在變更管理中通過具體措施弱化或避免此類變更事件效應(yīng)傳播。

3 多智能體系統(tǒng)建模及設(shè)計方案

通過層次化系統(tǒng)建模過程識別獲取的終態(tài)對象用于觀察和分析變更事件的發(fā)生和效應(yīng)傳播。對應(yīng)單個終態(tài)對象構(gòu)建基本的智能體，用以收集引入的直接參數(shù)取值偏移效應(yīng)、識別變更事件發(fā)生、跟蹤變更事件效應(yīng)傳播以及分析變更事件發(fā)生的后果影響。

3.1 智能體識別與構(gòu)建

在對應(yīng)單個終態(tài)對象構(gòu)建基本智能體的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)動態(tài)的變更事件識別、分析，另外構(gòu)建了其他輔助智能體。本文中，識別創(chuàng)建的智能體類型具體包括：

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體：該智能體對應(yīng)建模過程中識別獲得的終態(tài)對象，在后續(xù)構(gòu)建的多智能體系統(tǒng)中存在多個此類智能體，體現(xiàn)了系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)化特性；

（2）控制臺輔助智能體：該智能體按照預(yù)設(shè)參數(shù)構(gòu)建和激活其他智能體；

（3）效應(yīng)傳播輔助智能體：該智能體基于預(yù)設(shè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體之間邏輯關(guān)系，為變更事件效應(yīng)傳播提供路由參數(shù)；

（4）變更事件生成輔助智能體：該智能體根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體引入變更事件；

（5）變更事件效應(yīng)評估輔助智能體：該智能體在多個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體協(xié)調(diào)應(yīng)對變更事件情況下，提供綜合的變更事件效應(yīng)評估服務(wù)，以實現(xiàn)系統(tǒng)層面的變更管理策略。

上述智能體的邏輯交互關(guān)系如圖2所示。

圖2 智能體邏輯交互關(guān)系

在上述類型智能體中，控制臺輔助智能體通過多智能體系統(tǒng)的配置被構(gòu)建激活，其他類型智能體則由控制臺輔助智能體根據(jù)預(yù)設(shè)的系統(tǒng)模型相應(yīng)創(chuàng)建并在特定條件下予以激活。效應(yīng)傳播輔助智能體是控制臺輔助智能體激活運行后創(chuàng)建的第一種智能體，其根據(jù)預(yù)設(shè)的產(chǎn)品開發(fā)項目系統(tǒng)模型規(guī)格，構(gòu)建保存反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體之間的邏輯關(guān)系以及基于此生成的變更事件效應(yīng)傳播路由參數(shù)。在創(chuàng)建激活效應(yīng)傳播輔助智能體后，控制臺輔助智能體按照前者提供的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體規(guī)格，依次創(chuàng)建激活系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體，并使其保持與效應(yīng)傳播輔助智能體的交互。之后，控制臺輔助智能體創(chuàng)建并激活變更效應(yīng)評估輔助智能體，并將后者的具體參數(shù)廣播知會已創(chuàng)建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體，以配置變更事件效應(yīng)評估機制，為后續(xù)開展變更事件效應(yīng)分析建立條件；當(dāng)所有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體完成初始化并進(jìn)入就緒狀態(tài)后，控制臺輔助智能體創(chuàng)建并激活變更事件生成輔助智能體，后者將根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)以及用戶交互請求生成變更事件，并相應(yīng)地引入到選定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體。

3.2 技術(shù)框架及系統(tǒng)設(shè)計方案

由上述各類型智能體組成的系統(tǒng)采用多層架構(gòu)進(jìn)行部署，以有效降低多智能體系統(tǒng)的管理復(fù)雜度如圖3所示。多層架構(gòu)主要包含：

圖3 多智能體系統(tǒng)的多層架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層：該層封裝了層次化產(chǎn)品開發(fā)項目系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)抽象，為多智能體系統(tǒng)的運行提供數(shù)據(jù)管理支撐；

（2）網(wǎng)絡(luò)層：該層封裝了智能體之間的通信規(guī)則以及邏輯通路，用以為變更事件效應(yīng)傳播提供交互通道；

（3）操作層：該層封裝了智能體交互的行為規(guī)則，以支持各類場景下的變更事件效應(yīng)生成及演進(jìn)的實現(xiàn)；

（4）展示層：該層封裝了用于展示智能體交互及數(shù)據(jù)信息反饋的可視化方法，用以向用戶提供變更事件效應(yīng)生成及演進(jìn)效果表達(dá)。

在本文的研究工作中，根據(jù)多智能體系統(tǒng)的設(shè)計方案，采用“JADE（全稱為Java Agent Development Framework）”開源開發(fā)框架實現(xiàn)對多智能體系統(tǒng)軟件原型的搭建，并相應(yīng)配置了各類型智能體的行為規(guī)則，實現(xiàn)了對變更事件發(fā)生及其效應(yīng)傳播的模擬及展示如圖4所示，其中構(gòu)建了6個具備邏輯關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)智能體以及其他相關(guān)的輔助智能體，主要用于驗證多智能體系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性以及各類型智能體行為規(guī)則的合理性和有效性。

通過對多智能體系統(tǒng)的運行驗證，證實了上述技術(shù)設(shè)計方案具備可行性以及建模過程中推導(dǎo)得出的變更事件效應(yīng)傳播演進(jìn)情況。另外，通過對系統(tǒng)運行日志的分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品開發(fā)項目的系統(tǒng)模型中如存在邏輯關(guān)系環(huán)路，則相應(yīng)變更事件效應(yīng)傳播存在較高的失能風(fēng)險，在開展變更管理過程中，應(yīng)對所涉及的終態(tài)對象以及相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行重新評估和構(gòu)建。

圖4 多智能體系統(tǒng)軟件原型運行效果

4 結(jié)語

本文面向產(chǎn)品開發(fā)項目構(gòu)建了層次化的系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了迭代式的系統(tǒng)建模分析過程以識別獲得基于直接參數(shù)表征的終態(tài)對象，并以此作為開展變更事件及其效應(yīng)傳播分析的客觀載體。以此為基礎(chǔ)，提出了用于變更事件效應(yīng)分析的多智能體系統(tǒng)設(shè)計方案，初步建立了基于智能體技術(shù)的軟件原型，用以輔助開展變更管理。在接下來的研究工作中，我們將細(xì)化對各類型智能體行為規(guī)則的配置，開展基于直接參數(shù)取值特征的變更事件處理方法研究，并改進(jìn)多智能體系統(tǒng)的實現(xiàn)，使其具備更接近實際場景的變更事件效應(yīng)模擬性能，為開展變更管理提供技術(shù)解決方案。

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Hierarchical Model-based Methodology of Multi-Agent System Design

ZHOU Chaoran，ZHANG Xin，ZHAO Jianping
（School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In a product development project，the occurred changes would bring opportunities as well as challenges simultaneously to companies.The former could encourage the company to modify or improve its product design and the other management aspects in order to keep its competitiveness in market，while the latter would lead the company into some potential dilemma in which the brought in changes could not be handled properly under various constraints and then propagates into some other worse consequences.Regarding the issues，we propose，in this paper，a hierarchical methodology of iteratively modeling product development projects.Relying on the suggested conceptual model of identifying change occurrence and propagation，we are then enabled to consider analyzing change occurrence and change propagation through investigating the characteristics of direct parameters specifying a product development project so as to inspire discovering the potential change propagation scenarios.With the established hierarchical model of product development project and the identified characteristics of change propagations，we suggest an agent-based technical solution to assistant analyzing change occurrence that could elicit identifying and tracking change propagations.In this way，the design of the multi-agent system prototype，as the theoretical and practical contribution to companies，could be employed to build up computer-aided decision making tool for better change management.

system design；hierarchical model；agent technology

TP391

A

1672-9870（2016）06-0105-05

2016-09-21

吉林省科技發(fā)展計劃國際合作項目（20150414055GH）

周超然（1994-），男，碩士研究生，E-mail：544818904@qq.com

張昕（1983-），男，博士，講師，E-mail：zhangxin@cust.edu.cn