（水工结构工程专业论文）基于MultiAgent的砼坝施工仿真通信机制研究.pdf

中文摘要 计算机仿真技术能够系统地研究混凝土坝浇筑施工中各种影响因素， 统筹各方面的制约关系，对浇筑施工进行组织安排。目前混凝土坝仿真多 是针对混凝土坝浇筑施工的工艺过程，即将混凝土坝施工系统划分为生 产、运输、浇筑三个环节进行仿真。这种方法将混凝土坝浇筑施工系统置 于各种约束条件下，使旎工过程理想化，没有考虑施工过程具有不确定性， 不能体现各个主体之间的相互交互的工作过程。研究各参与工程的主体之 间的交互关系使仿真系统更加灵活、真实，能够反映施工过程中的细节， 是混凝土坝仿真发展的重要方向。 基于m u l t i a g e n t 的系统中，系统中的各方均作为独立的实体，并构 画成单独的a g e n t ，各个a g e n t 有自身的目标，这为模拟施工中各方协作 的工作过程提供了可能。本文运用了基于m u l t i a g e n t 的思想对混凝土坝 施工过程进行了系统分析，将多线程机制和客户端服务器机制等技术引 入系统，研究了参与工程的各主体之间的通信，建立了基于m u l t i a g e n t 通信的混凝土坝浇筑施工仿真模型。 通过对混凝土坝施工系统中a g e n t 的构造，采用基于m u l t i - a g e n t 思 想的仿真技术，研究了混凝土坝施工浇筑系统中各a g e n t 之间的通信机制， 提出了基于m u l t i a g e n t 的混凝土坝通信仿真系统框架，并应用到金安桥 工程中进行检验。 关键词：混凝土坝浇筑施工，a g e n t 思想，m u l t i - a g e n t 通信，多线程，客 户端服务器 a b s t r a c t c o m p u t e rs i m u l a t i o n o fc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，c o n s i d e r i n ga l li n t e r r e l a t e d f a c t o r s ，c a nm a k ear e a s o n a b l es c h e d u l e b u tm o s tr e s e a r c hi nc u r r e n ts i m u l a t i o n c o n c e n t r a t eo nt e c h n i c a lf l o wo ft h ep r o c e s s ，i e p r o d u c i n gc o n c r e t e ，t r a n s p o r t i n g c o n c r e t ea n dp o u t i n gc o n c r e t e t h ec o n s t r u c t i o ns y s t e mr a nu n d e rs o m er u l e si d e a l l y , w h i c hd i d n tc o n s i d e rt h eu n c e r t a i nt r a i ta n dt h ei n t e r a c t i o np r o c e s so fm o d u l e s t h e r e s e a r c ho ft h ei n t e r a c t i o no ft h em o d e l st h a tp a r t i c i p a t ei nt h ep r o j e c t ，w h i c hw i l l m a k et h es i m u l a t i o nm o r ef l e x i b l ea n da c t u a l ，i st h ed i r e c t i o no ft h es i m u l a t i o n d e v e l o p m e n t t h em u l t i a g e n tp r o g r a n u n i n gm e t h o d o l o g yp r o v i d e sa ne f f e c t i v em e t h o df o r s i m u l a t i n gt h ei n t e r a c t i o nw o r k i n gp r o c e s so ft h es i d e si ns y s t e m , o fw h i c ht h es i d e s a r ec o n s t r u c t e dt 0s u b s t a n t i v ee n t i t yc a l l e da g e n tt h a to w n st h ea i m t h i sp a p e r a n a l y z e dt h ew o r k i n g r e l a t i o n si nc o n s t r u c t i o n s y s t e m i c a l l y c o m b i n e dw i t h m u l t i a g e n tm e t h o d o l o g y , i n t r o d u c e dm u l t i t h r e a d i n g , c s t ot h e s y s t e m , a n d r e s e a r c h e dt h ec o m m u n i c a t i o no ft h e s i d e s ，a tl a s t b u i l tt h e m u l t i - a g e n t c o m m u n i c a t i o ns i r e u l a t i o nm o d e lo f c o n c r e t e d a mc o n s t r u c t i o n t h ep a p e rc o n s t r u c t e dt h em u l t i - a g e n tm e t h o d o l o g yi nt h es i m u l a t i o nm o d e l a n dr e s e a r c h e dt h ei n t e r a c t i o na n dc o m m u n i c a t i o no ft h ea g e n t si nt h ec o n c r e t e - d a m c o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o ns y s t e m f i n a l l yt h ep a p e rp r e s e n t e daf r a m eo fc o n c r e t e d a m c o n s t r u c t i o nc o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h ef l o wo ft h es y s t e ma n d c h e c k e du pt h es y s t e mi nt h ep r o j e c t k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o n o f c o n c r e t e d a m , a g e n t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g m e t h o d o l o g y , m u l t i - a g e n tc o m m u n i c a t i o n , m u l t i t h r e a d i n g ，c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘茔 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： i 存码 签字日期：。加年f 月西日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权鑫壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以 供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘。 。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者躲f 存码 签字日期：寸帅易年1 月l 厂日 导师签名： 们翅 签字日期：夕彤年广月旷日 第一章绪论 1 1 问题提出 第一章绪论 混凝土坝浇筑施工是一项复杂的系统工程，大坝混凝土施工进度直接受自然 环境、坝体结构、分缝分块形式、施工期混凝土温度控制措施、施工工艺技术和 组织方式等诸多内外因素的影响，同时，又要满足防洪、渡汛、导流施工及发电 等设计要求，因此，快速、准确、可靠地提供对于不同方案下大坝混凝土浇筑的 阶段性形象面貌、整体工期、施工强度及机械效率等对于方案比选及施工组织设 计具有很重要的指导意义。因此，对混凝土施工过程进行研究时不宜采用解析法， 而是选用计算机仿真方法。通过计算机模拟，可以预先对工程实际进行显示，从 而为施工组织设计提供参考，并可以大大减轻工程技术人员的劳动强度，缩短施 工方案的制定时间。同时，计算机仿真还可以设计多种组织方案，预测不同施工 方案的执行结果，对不同方案进行比较，更有利于确定出较优方案。 在国外，计算机仿真技术应用于混凝土工程施工中，始于2 0 世纪7 0 年代， 1 9 7 3 年，第十一届国际大坝上，d h b a s s g e n 首先结合混凝土坝提出了坝体浇筑 过程仿真，在满足浇筑施工系统的各项边界条件的情况下，利用计算机仿真技术 对浇筑机械进行了仿真计算，给出了机械效率、浇筑强度等各项指标，能基本反 映出机械在坝体混凝土浇筑施工中的工作情况。 目前，计算机仿真技术已广泛应用于大坝的浇筑模拟、进度论证、方案比较、 机械配套优化等方面，并取得了很大的研究成果。 1 9 8 9 年，l e b e m o l d 在循环控制网络中考虑实体存储和故障延迟的问题， 重点研究了汽车排队限额与混凝土施工系统生产率之间的关系，以混凝土坝施工 为例，模拟出不同排队长度限额水平下混凝土施工的生产能力。 国内水利工程混凝土施工管理中应用计算机仿真技术始于2 0 世纪8 0 年代 初，由天津大学水利水电工程系朱光熙教授首次采用仿真手段来研究大坝施工仿 真问题，对二滩水电站双曲拱坝混凝土柱状块浇筑采用计算机仿真，成果符合一 般施工规律嘲。二滩水电站中计算机仿真的成功应用，为仿真技术在国内水利工 程施工中的应用开创了先河，同时也为后期大坝仿真研究奠定了坚实的理论基 础。 随着计算机仿真技术在混凝土施工中应用的不断发展，其应用范围从施工组 织设计扩展到结构设计、三维动态显示等；从确定性仿真扩展到随机性仿真；仿 真的应用目标从静态的方案选择发展到动态的实时控制等；从最初把仿真成果仅 第一章绪论 仅作为一种不重要的决策参考，逐渐发展到水电工程，尤其是大型水电工程混凝 土大坝设计和施工管理中不可缺少的技术手段。 过去在通过计算机制定和论证混凝土坝施工方案和施工进度时，常用类比 法，即根据国内外同等类型工程，按坝体月上升高度、混凝土浇筑高峰强度等指 标来拟定施工进度和总工期。进行施工机械设备选型配套时，按其平均生产能力 进行配备，对机械设备和综合机械设备生产能力在施工中出现的随机性作简化处 理，按机械的平均生产能力确定各施工机械的数量。实践证明，这种粗线条的勾 勒和简化处理，在一些中小型工程和大型工程初步进度分析中有一定价值，但精 度不高。而且，一个合理的施工方案和机械配套方案，常要进行众多方案的比较， 参数的反复调整和修改才能产生，工作量很大，尤其是大型工程，分层分块多， 浇筑仓位多，浇筑计划相当繁琐。传统的手工方法对于工程量大、工作仓面多的 大坝混凝土浇筑，不仅耗时、费力，而且灵活性差，考虑因素不全面，在方案的 比选与优化问题上具有相当的局限性。随着工程建设项目规模不断扩大，不论在 坝型、工期、地形等方面都趋于复杂化，为项目进行可行性研究、规划设计以及 施工过程中的决策问题增加了难度。1 。因此，有必要寻找一种能够快速、准确、 直观的手段来辅助决策工作，解决复杂的混凝土坝浇筑问题，构造一个具有多种 知识表示形式、多种问题求解机制的大型的、统一的智能系统，而由多个a g e n t 合作进行求解的m u l t i a g e n t 理论，无疑是一个高效的解决办法。 1 2a g e n t 技术的研究背景 a g e n t 技术在计算机领域的研究和应用源于2 0 世纪7 0 年代美国麻省理工学 院研究人员开展的一系列关于分布式人工智能的研究，可是a g e n t 的相关思路 人类由来已久。哲学家d e n n e t t 于1 9 7 1 年提出了“意图系统”( i n t e n t i o n a ls y s t e m ) 的概念，在此描述一类实体，实体的行为可用信念、愿望等理性智慧来预测，他 将意图系统分为一阶和二阶两种形式。 在此以后，d e n n e t t 又创造了“意图姿态”( i n t e n t i o n a ls t a n c e ) 的概念，启发 了a i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 学者将应用于人类自身的一些认知思想和概念( 如信 念、愿望、承诺等) 应用于a g e n t 。 m c c a n t h y 认为将信念、意图、能力等精神特性赋予机器( 尤其是内部结构 不是完全清楚的实体) 是合乎情理的，而且是非常有用的。意图姿态被分为两类： 一类是“信息态度”( i n f o r m a t i o n a t t i t u d e s ) ，它是a g e n t 关于其所处世界的信息， 如信念( b e l i e f ) 、知识( k n o w l e d g e ) ；另一类是“预先度”( p r o a t t i t u d e s ) ，即那 些以某种方式引导a g e n t 行为的态度，如愿望( d e s i r e ) 、意图( i n t e n t i o n ) 、义务 ( o b l i g a t i o n ) 、承诺( c o m m i t m e n t ) 、选择( c h o i c e ) 等。 2 第一章绪论 b r a t m a n 指出在开放世界中，理性a g e n t 的行为不能直接由信念、愿望，以 及由两者组成的规划( p l a n ) 驱动，在愿望与规划之间应有一个基于信念的意图存 在；b r a t m a n 认为只有保持信念、愿望和意图的理性平衡，才能有效地解决问题。 被公认是a g e n t 的理论基础之一。 r a o 和g e o r g e f f 提出了b d i ( b e l i e f , d e s i r e ，i n t e n t i o n ) 形式化模型，包括基础逻 辑定义，信念、愿望和意图作为模态操作符的描述，b d i 操作符之间关系定义的 公理等，把意图与信念和愿望置于相同的地位“1 。 1 3m u l t i a g e n t 技术的研究背景 直到第二次世界大战以后，随着计算机技术和控制理论的发展，类似带有自 主性或者自治性的a g e n t 装置才开始出现，但是由于交互式系统越来越成为计算 机的典型形式，几乎最普通的系统中也包含一些子系统，子系统必须互相交互来 完成任务，m u l t i - a g e n t 系统结构应运而生，m u l t i - a g e n t 系统包括多个a g e n t ， a g e n t 之间通过通信相互交互“1 。 2 0 世纪7 0 年代初期r e a d y 和v i c t o r ( v i c ) l e s s e r 研究的第一个，也是最著 名的基于黑板系统的语言理解h e a r s a y 系统在m u l t i a g e n t 早期产生极大影响。 1 9 7 5 年d o u g l e n a t 提出问题求解的b e i n g s 模型，将合作和分布的比喻引 入系统。 2 0 世纪7 0 年代后期，r e i ds m i t h 提出了“问题求解节点”的概念，通过将 子问题委托给其它a g e n t 来求解问题，形成了至今m u l t i a g e n t 系统开发的最有 影响力的“合同网”的协商机制。 2 0 世纪8 0 年代，j e f f r o s e n s c h e i n 认识到分布式问题求解系统隐含地假设系 统a g e n t 之间存在“共同的利益”这一重点问题，后来对自利和仁慈的a g e n t 做 出非常重要的区分，并且使用博弈论技术来分析a g e n t 之间的交互。 2 0 世纪9 0 年代，p a t t i em a e s 对a g e n t 作为智能助手的观点给出了清楚的表 达，同时描述了许多实现该观点的原型系统，激发了广大研究团体的热情与想象 力。 2 0 年代9 0 年代后期，随着i n t e m e t 的增长，电子商务( e c o m m e r c e ) 和t o m 公司国际化的进程使电子商务表示为m u l t i - a g e n t 系统成为优势的应用领域。 s a r i tk l a u s 、c a r i e ss i e r r a 、t u o m a ss a n d h o l m 、m o s h et e n n e h o l t z 和m a k o t oy o k o o 等研究了以a g e n t 为介质的电子商务理论基础，开始了将m u l t i a g e n t 技术应用 到实际的进程。 1 9 9 4 年夏天，位于c a l i f o n i a 的g e n e r a lm a g i c 公司发布了白皮书，描述了能 通过电子网络传输并在远程节点重新执行的移动a g e n t 的概念。 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代后期，m u l t i - a g e n t 系统的研究人员开始增强了寻找现实的领 域来开发系统，间接地导致了开发r o b o c u p 动机。2 0 0 0 年针对在2 0 世纪9 0 年 代中期袭击日本的神户城市的地震情形，r o b o c u p 建立了能合作执行搜索和营救 任务机器人，随后命名为r o b o c u pr e s c u e ，由此设计的微型机器人用于2 0 0 1 年 9 月1 1 日毁坏性的恐怖袭击导致的纽约世界贸易中心废墟的搜索”“。 1 4 论文研究内容 混凝土坝浇筑是一个复杂系统，该系统在仿真中可以分解许多子系统。其中 各个子系统相对独立又相互关联，在模拟过程中彼此合作，传统的混凝土坝施工 仿真多采用面向对象方法，建立基于离散事件仿真理论，对大坝浇筑工艺过程进 行模拟，而忽视了施工过程中各予系统的独立工作过程，这使得目前的施工仿真 建立在一个规则确定的理想状态上，与实际施工情况产生一定的偏差。 基于m u l t i - a g e n t 的建模思想的通信机制具有实时性、交互性和开放性等特 点，可以克服传统的混凝土坝施工仿真的缺点。由于国内外将a g e n t 技术应用于 此领域的成果较少，还处于刚刚起步阶段，所以本论文尝试将两者结合起来，利 用m u l t i a g e n t 的通信机制来实现混凝土坝各个子系统的交互。 4 第二章m u l t i - a g e n t 系统通信机制研究 第二章m u l t i - a g e n t 系统通信机制研究 2 1 a g e n t 的基本理论 2 1 1 a g e n t 的定义 由于a g e n t 属于人工智能的前沿科技研究，正如人工智能研究者对于什么是 智能莫衷一是一样，虽然a g e n t 这一术语被诸多领域应用，但无法找到一个所有 人都能接受的定义。 r u s s e l l 认为：“a g e n t 是任何能通过传感器感知环境并通过效应器( 执行器) 对环境进行动作的东西。” e m a e s 认为：“a g e n t 是在复杂动态环境中能自治地感知环境并能自治地通 过动作作用于环境，从而实现其被赋予的任务或目标的计算系统。” f i s h e r m 定义a g e n t 为“一个带有传统的a i 能力的封装实体“”。” s t a nf r a n k l i n 在文献中列举并分析了1 1 种关于a g e n t 的定义“”。在这些定义 中由w o o l d r i g e 和j e n n i n g s 给出的a g e n t 定义在有关文献中被引用得最多，该定 义指出：“a g e n t 是一种处于一定环境下，封装好的计算实体，为了实现其预定目 的，它能在特定的环境下自主活动“”。该定义允许在更大范围的环境中设计 a g e n t ，而且增加了通信的要求，因此在计算机和人工智能领域得到广泛的认同。 a g e n t 技术是从一系列相关学科，如面向对象技术、分布式计算和人工智能 等发展演化而来的“”，是各种计算理论和方法在计算机网络领域综合影响的产 物，因此，a g e n t 也继承和发展了这三门学科的思想方法( p n 图2 - 1 所示) ，同 时也发展了一些新的思想和方法。 图2 - 1a g e n t 的发展 第二章m u l t i - a g e n t 系统通信机制研究 2 1 2a g e n t 的分类 a g e n t 分类可以基于不同的角度，如根据体系结构、移动性、现实世界的映 射、工作环境或控制机制的不同来划分。 根据工作环境的不同，a g e n t 可分为软件a g e n t 和人工生命a g e n t 。 根据控制机制和方法的不同可将a g e n t 划分为基于规则的a g e n t 、基于规 划器的a g e n t 、基于神经网的a g e n t 、基于机器学习的a g e n t 、基于模糊逻辑的 a g e n t 和基于机器学习的a g e n t 等。 b r u s t o l o n i 还根据控制结构的适应性程度将a g e n t 分为常规a g e n t 、规划 a g e n t 和自适应a g e n t 。 根据移动性来看，可以分为移动a g e n t 和静止a g e m 。 根据对现实世界的映射来看，可以将a g e n t 分为主动a g e n t 和被动a g e n t 。 但是最常用的分类是基于体系结构对a g e n t 进行的如下划分： 1 ) 慎思型a g e n t ： 图2 2 慎思型a g e n t 结构体系 慎思型a g e n t 也称作认知型a g e n t 或思考型a g e n t ，这种结构是基于n e w e l l 和 s i m o n 提出的物理符号系统假设的，它包含世界和环境的显示表示和符号模型， 使用逻辑或伪逻辑推理进行决策，是具有内部状态的主动软件。慎恩a g e n t 保持 了经典人工智能的传统，通常包括规划与世界模型两个基本部分，与具体的领域 知识不同，它具有知识表示、问题求解表示、环境表示、具体通信协议等功能。 采用这种结构的a g e n t 要面临以下两个问题： 1 转换问题：如何在一定的时间内将现实世界翻译成一个准确的、合适的 符号描述。 6 第二章m u l t i a g e n t 系统通信机制研究 2 表示推理问题：如何用符号表示复杂的现实世界中的实体和过程，以 及如何让主体在一定的时间内根据这些信息进行推理做出决策。 慎思型a g e n t 的体系结构如图2 2 。a g e n t 接收外界环境的信息，根据内部 状态进行信息融合，产生修改当前状态的描述；然后，在知识库的支持下制定规 划；最后，通过执行规划，形成一系列动作，并作用于环境。 2 ) 反应型a g e n t ： 对基于逻辑的a g e n t 建造方法来说，主要的问题是结构僵硬，在动态变换的 环境中，a g e n t 必须有能力基于当前的情景做出决策，并且在基于逻辑的方法中， 推理和决策以及执行程序之间的转换是很浪费时间的，很难应用在对时间要求苛 刻的环境中，在这种环境中，满足问题求解的重要前提是快速反应，这常常比选 择最佳的动作更重要。 反应a g e n t 的结构如图2 - 3 所示，a g e n t 接收外界环境的信息，对外部信 息进行融合，然后结合反应规则库的内容形成动作。其中，反应规则库采用条件 动作规则形成，把a g e n t 的感知和动作联系起来。 图2 3 反应型a g e n t 结构体系 反应型a g e n t 的缺陷在于它基于局部信息做决定，而不考虑全局信息，智能 程度较低，缺乏足够的灵活性，也无法预测自己的局部行为将对全局造成什么影 响，因此这种近视的行为将对系统造成无法预测的后果。 3 ) 混合型a g e n t 慎思型a g e n t 具有一定的智能，但是对周边环境的反应慢、执行效率低，而 反应型a g e n t 则能较快地对环境的变化做出反应，但是智能程度较差，于是考 虑结合这两种a g e n t 的优点，来构造一个既有较高智能，又有快速的反应能力 的混合型a g e n t 。混合型a g e n t 结构如图2 4 所示。 7 第二章m u l t i a g e n t 系统通信机制研究 混合型a g e n t 通常由慎思型和反应型两个子系统构成，在运行过程中低层 以反应型为主，高层以慎思型为主。这两个子系统分层次，前者建立在后者基础 之上，低层不经过复杂的推理快速响应和处理环境中的突发事件，而高层含有用 符号表示的世界模型，并用主流人工智能中提出的方法生成规划和决策。反应子 系统的优先级比慎思子系统高，以便它对环境中出现的重要事件提供快速的反 应。所以本文考虑建立的混合型a g e n t 比较而言具有更强的实用性。采用分层结 构时要处理的主要问题是，各层应采用什么样的控制框架以及各层之间应如何交 互。 简单地说，层次结构中存在着水平和垂直两种形式的控制流。 水平的：在这种结构中，每个层次都直接和动作输入以及动作输出相连接。 垂直的：传感器的输入和动作输出分别有一个层次来负责处理。 图2 4 混合型a g e n t 结构体系 虽然在实际的研究应用中，慎思型结构占据主导地位，但混合型a g e n t 都具 有智能的决策能力，是基于知识的实体，弥补了反应型a g e n t 和慎思型a g e n t 的 不足，为人们更好地进行研究提供了有力的工具，同时，也大大提高了程序的模 块性、重用性、交互性等能力“”。 2 2m u l t i - a g e n t 理论 2 2 1 m u l t i a g e n t 系统的提出 随着分布开放信息系统的飞速发展和在解决大型、复杂的现实问题遇到的越 来越多问题，而解决这些问题已超出了单个a g e n t 系统的能力。一个a g e n t 的能 力受自身知识、计算资源及与其它a g e n t 相互关系的限制，这种受限推理要求建 第二章m u l t i - a g e n t 系统通信机制研究 立共同的问题求解组织。通常，处理复杂事务最有力的工具是模块化和抽象化， m u l t i a g e n t 系统则提供了这种能力。如果一个问题十分复杂、庞大或不可预测， 那么解决该问题的惟一方法是开发大量有特殊功能的模块化成分( 即a g e n t ) 专 门用于解决问题的某个特定方面。 此外，分布开放信息系统还存在实时性问题。一个开放系统的结构会动态地 变化，这类系统的特征是其组成部分的预先不可知性，随着时间的变化，可能包 含由不同人、在不同时间、用不同工具和技术实现的不同种类a g e n t 。所以a g e n t 技术将完成一定背景下的信息收集和通过复杂推理支持操作的问题求解。这些能 力需要a g e n t 间能够互操作，并以对等交互的方式相互协作，来扩大单个a g e n t 的问题求解范围。 m u l t i - a g e n t 系统的特点，除了协作性和自主性以外，还有分布性和异构性。 所谓分布性是指分布于多个人或a g e n t 组成的系统中，不同的a g e n t 可能处于一 个计算机之中，也可能分布于不同的计算机，形成一个分布式智能系统。所谓异 构性表现在三个方面： 1 ) 句法异构，来源于不同的知识表示形式。 2 ) 控制异构，来源于不同的问题求解机制。 3 ) 语义异构，来源于相同的知识表示对不同的a g e n t 可能具有不同的含义。 j e n n i n g s 认为m u l t i - a g e n t 系统( m u l t i a g e n ts y s t e m 简称m a s ) 为一个松 散藕合的智能体共同工作以求解超越单个a g e n t 能力的网络“。这些a g e n t 在物 理上或者逻辑上是分散的，为了共同完成某个任务或达到某些目标，遵循一定的 协议而联系在一起。 2 2 2m u l t i - a g e n t 组织结构及通信特点 m u l t i - a g e n t 系统是由多个a g e n t 及其所处环境构成的，通过定义a g e n t 之 间的权威关系，为a g e n t 提供一种交互框架。单个a g e n t 的模型和结构对 m u l t i a g e n t 系统的影响很大。m u l t i - a g e n t 系统是模仿人类社会的组织形式而形 成的一个求解问题的团体，所以其内部也具有一定的组织结构，组织结构决定了 a g e n t 间的交互与通信的关系。 有些组织结构中每个a g e n t 均可发送和接收消息，而有的将消息机制从单个 a g e n t 中分离出来形成集中的通信a g e n t 。在同一种组织结构中，必须有共同的 通信协议或消息机制。另外，有些组织结构集中存储领域及信息，而有些则将这 些信息分步地存储在单个a g e n t 的局部数据库中。在选取a g e n t 群体社会结构时， 要根据不同的应用，选择与其能力要求相适应的结构。m u l t i - a g e n t 系统主要有 三种组织结构，分别是： 1 ) 分层结构 9 第二章m u l t i - a g e n t 系统通信机制研究 组成系统的各a g e n t 间具有固定的层次关系，上层为控制a g e n t ，中间为协 调a g e n t ，下层为具有平等关系的a g e n t ，形成一种多层关系。整个系统具有一 个拥有全局知识的控制a g e n t 。控制a g e n t 通过与协调a g e n t 通信来控制a g e n t 的命令，实现多个a g e n t 合作的局部和全局控制，如任务规划和分配等。分层结 构能保持系统内部信息的一致性，实现系统的管理、控制和调度较为容易。但缺 点是随着各a g e n t 复杂性和动态性的增加，控制的瓶颈问题也愈加突出。一旦控 制全局的控制a g e n t 崩溃，或者起到中转站作用的协调a g e n t 崩溃，都将导致整 图2 5 分层结构 个区域或系统崩溃。结构如图2 - 5 所示： 2 ) 联邦结构 系统由将系统中的a g e n t 根据某种方式划分成一个个的a g e n t 联盟，一般是 根据距离远近，便于通信，每个联盟又由多个a g e n t 组成。不同联盟中的a g e n t 间不能直接通信，而需要通过一个称作f a c i l i t a t o r 的a g e n t 来中转，即联盟与联 盟间的交互都是通过f a c i l i t a t o r 进行的，屏蔽了各联盟中的a g e n t 。联盟尤其是 按距离远近划分的联盟内部一般采用两层的层次结构，由f a c i l i t a t o r 负责联盟中 各a g e n t 之间的协商与协作。在联盟内部，共享数据可根据需要选择分布式存贮 或集中式存贮，但集中式数据存贮要求一定范围内的a g e n t 群体中的a g e n t 拥有 统一的数据结构或知识表示。该结构可有效地减少系统中的通信开销，但增加了 a g e n t 间合作过程中的中间层次。结构如图2 6 所示： l o 第二章m u l t i a g e n t 系统通信机制研究 图2 - 6 联邦结构 3 ) 水平式分布自治结构 系统中所有a g e n t 都是独立自治的，各a g e n t 无主次之分，处于平等地位。 需要时各a g e n t 问可直接进行通信并交互和合作，形成一种水平式的分布自治结 构。1 。水平式分布自治结构如图2 - 7 所示： 图2 7 水平式分布自治结构 水平式的分布自治结构内各a g e n t 之间的任务的划分和分配，共享资源的分 第二章m u l t i a g e n t 系统通信机制研究 配和管理，冲突的协调和行为的一致性等问题都是在遵循可能的社会规则和合作 机制的基础上，由各a g e n t 通过彼此的相互作用以及对所处环境的感知，运用其 自身的知识进行合理地判断和推理从而做出决策来实现的，这种结构的优点是增 加了灵活性和稳定性，控制的瓶颈问题也能得到缓解。因此，分布自治结构最能 体现m u l t i a g e n t 系统的特点，是m u l t i - a g e n t 系统应用的一种最有潜力的结构形 式埘n 司。 由于组织结构的选取不但影响单a g e n t 内部协作职能的多少，而且也会影响 m u l t i - a g e n t 系统中异步、一致性、自主性和自适应性的程度。同时，组织结构 不但决定了a g e n t 之间的通信方式，也决定了系统中信息的存储和共享方式。水 平式的分布自治结构要求各个a g e n t 自身包含有良好的通信与协调功能，从而对 a g e n t 的结构体系与内部机制提出了更高要求，而这正是本文所要努力解决的问 题。 2 2 3m u l t i a g e n t 系统的优点 a g e n t 技术提供了一种概念清晰，条理清楚的分布式系统建设思想。同时， a g e n t 技术也带来系统能力的提高。这里的能力提高包括两个方面：一个是能力 的增加，如合作等；另一个是能力的增强，如并行所带来的效率的提高等。a g e n t 技术能够引起广泛关注，能够被如此推崇，通常是由于以下原因： 能够解决迄今为止其它方法不能涉足的问题，要么还没有技术能够解决这类 问题，要么采用现有的方法解决过于昂贵。 能够以一种更好( 更自然、更容易、速度更快、效率更高) 的方法解决现有 问题。a g e n t 技术的出现正是因为如此，它主要有以下四个优点： 1 ) 应用领域有着广泛性、繁杂性和不可预测性的特点。 2 ) 当应用领域涉及大量不同的问题求解实体( 或数据资源) ，而这些实体 ( 或数据资源) 在物理或逻辑上又是分布的，并且需要相互协作以解决 公共问题时，a g e n t 技术是一种有效的选择。 3 ) a g e n t 的表示方式简单明了，系统模块的功能可以从其名字的喻义上推 敲出来。a g e n t 可以被人性化用以反映用户的偏好，并代表用户与其它 类似的a g e n t 交互。 4 ) 面向a g e n t 的建模方法作为观察客观世界解决问题的一种方法，具有较 强的自我控制的特点，有更好的封装性和模块性。 m u l t i a g e n t 系统放松了对集中式、规划、顺序控制的限制，提供了分散控 制、应急和并行处理，并且m u l t i - a g e n t 系统可以降低软件或硬件的费用，提供 更快速的问题求解。其优点包括： 1 ) 通过协作，可以解决单个a g e n t 不能解决的问题，所以具有强有力的问 第二章m u l t i - a g e n t 系统通信机制研究 题求解能力。 2 ) 快速求解，由于并行求解，所以求解效率较高。 3 ) 可靠性较好，因为求解时有多个a g e n t 参与，功能上常常有冗余，所以 当单个a g e n t 的失效时，其所承担的问题求解任务可由其它a g e n t 代替。 4 ) 可单独工作又可协同工作，具有较好的灵活性。 5 ) 模块化，每个a g e n t 都是一个独立的实体，通过标准的通信语言和合作 协议进行交互和合作，彼此之间没有控制和从属的关系。 6 ) 扩展性好，每个a g e n t 作为一个实体，可以动态地加入到己有的m u m a g e n t 系统中，为系统带来新的问题求解能力，同时，在其任务完成后 还可以动态地退出系统，从而带来灵活的扩展性。 7 ) m u l t i - a g e m 系统的分布式特性决定了可以通过组合多个便宜的硬件来实 现单个昂贵的硬件的功能，同时a g e n t 的模块化的特点也会降低软件开 发的复杂性，节省人力和物力。 8 ) 稳定性和鲁棒性好“”。 2 3m u l t i a g e n t 系统的通信方法 2 3 1 通信方法介绍 m u l t i - a g e n t 系统是由多个松散藕合的a g e n t 组成的，它们之间不是孤立的， 而是通过相互协作来共同完成任务的。为达到a g e n t 间相互合作的目的，必须提 供一套a g e n t 的通信机制。a g e n t 问的相互通信，根据通信内容的表现形式，可 以分为无通信、方案传递、基于黑板的通信、消息传递等模式。 1 ) 无通信( n oc o m m u n i c a t i o n ) 模式 a g e n t 通过“理性”思考和推理而不采用通信的方式，而得到其它a g e n t 的 任务方案或计划。这种模式适用于a g e n t 目标之间没有实质性的冲突的情形。显 然，基于这种模式的a g e n t 系统是一个紧密藕合系统，各a g e n t 之间或者都是完 全“透明可见”的，或者它们需要不断地思索和推理其它a g e n t 所有的行动计划， 而后者则可能带来并发理性推理的高计算复杂度，这往往会造成系统实现困难， 性能降低，系统功能和规模不易扩展等限制和缺点。因此，这种系统基本上不具 备a g e n t 系统的优越性。 类似地，简单通信( p r i m i t i v ec o m m u n i c a t i o n ) 模式企图使用数目有限的固定 信号来完成通信，每个信号均有固定的含义和用途。该模式有利于避免a g e n t 发生冲突，但它却限制a g e n t 的协作，因为这些数目有限的固定信号不能表达 a g e n t 的请求、命令和复杂的意图。 2 ) 方案传递( p l a np a s s i n g ) 模式 第二章m u l t i - a g e n t 系统通信机制研究 在相互协作的a g e n t 之间，一方通过给对方传递其整个任务方案，相互取得 对问题的一致理解和相应的解决方案。这种模式常见于分布式计算中。尽管它可 使a g e n t 的合作求解比较容易实现，但它却有许多缺点，比如：传递方案带来的 时空开销较大，传输过程易出错，不灵活，无法在状态多变、不确定的现实环境 下应用等。 3 ) 黑板( b l a c k b o a r d ) 模式 黑板比喻一个可供a g e n t 发布信息、公布处理结果和获取有用信息的共享区 域。黑板模型结构是为了解决分布在不同物理环境下多个实体协作完成任务的并 行和分布的计算模型，该模型能够实现异构知识源的集成。黑板模型可以为a g e n t 通信模型提供如下条件：a g e n t 的并发控制、a g e n t 的交互、a g e n t 的实时控制等。 黑板模式也常用于分布式问题求解，和方案传递模式相比，它提供了一种比 较灵活、迅速和高效的通信模式，但由于a g e n t 的个性不同，知识库及计算处理 能力有异，要求它提供灵活的公用信息表示机制；另外它的事件驱动性还要求集 中控制机构，这使得其实现和运行代价较大。 黑板模型具有结构清晰、条理分明、易于实现等优点，适用于空间很大的复 杂问题的求解。但是黑板模型在实际中并不实用，因为如果只有一个黑板，则容 易产生信息瓶颈问题，如果存在多个黑板，则多个黑板之间必须通信，这实际上 成为消息传递模式。 4 ) 消息传递( m e s s a g ep a s s i n g ) 模式 普通的消息传送( m e s s a g e p a s s i n g ) 结构是基于s o c k e t 的通信结构。消息传送 结构的基本服务模型为客户机服务器模型，即请求服务模型。 普通的消息传送结构中a g e n t 使用一组事先约定的格式和规则通过消息形 式相互传递计算请求和处理结果。当特定状态出现或预先定义的事件发生( 比如 a g e n t 收到其它a g e n t 发来的消息，或者a g e n t 感知到环境的某些变化) 时，这 些规则就会被激活，a g e n t 于是采取相应的行动。该模式通常都以某一方a g e n t 为“服务中心”，其它a g e n t 则向该中心请求服务。其优点是高效、可支持分布 式计算和移动计算，却存在不灵活、不便于扩展，以及不利于a g e n t 间合作等缺 点1 例。 消息的通信方式一般有如下三种情况：点到点方式、联邦方式和广播方式。 点到点的通信方式需要a g e n t 自身负责与其它a g e n t 的通信，因此a g e n t 必 须知道对方的名字和地址信息。a g e n t 的地址要么是作为从别的a g e n t 接收到的 信息的一部分，要么从一个负责系统中a g e n t 注册的中心对象那里获得。a g e n t 之间采用t c p i p 协议，在通信的双方a g e n t 间建立直接的物理连接链路。 联邦通信方式，当系统中的a g e n t 的数目相当巨大时，直接通信方式的通信 1 4 g _ - 章m u l t i a g e a t 系统通信机制研究 和成本是相当