基于Agent的分布式协同设计系统的研究

1、基于 Agent 的分布式协同设计系统的研究(郭大运 谢列卫 欧长劲 樊洪波摘要:产品的设计变得越来越复杂, 同时需要快速开发。 并行工程的提出为此提供了一 个很好的解决方案, 网络提供了很好的技术支持。 本文在说明现存系统交互方面的不足之后, 讨论了 agent 的属性如:主动性和自治性,并提出了一个基于 agent 的智能协同设计环境 MAIDA(Multi-Agent Intelligent Design Architecture, 集中讨论了系统的交互能力问题, 显示了 agent 技术在提高系统交互方面的应用。关键词:协同设计 multi-agent 交互能力1.引言复杂产品的开发具

2、有跨学科领域的特点。 这样就需要组织一个多学科团队来共同完成开 发活动。 不幸的是, 原有计算机系统可能运用不同的产品数据模型, 也可能应用不同的软件 设计包,这些包装可能用不同的语言写成的,例如 C,C+,Java 或者其他的语言,安装在 不同的硬件系统中。相应的,在这样形式各异的模型、语言和系统结构中,任何协作交互与 协调可以证实是相当的困难的。为了克服这一问题就要提供一个计算机支持的协同设计环 境。 在这个环境中, 开发组成员不仅能顺利地交流信息, 而且能方便的获得各种设计计算服 务,并且能够及早的发现设计中存在的问题,通过系统的支持来得到解决。由于不同企业的产品开发使用的工具可能不同,

3、 它们也不可能为了协作的方便而改变计 算机辅助设计工具, 如何将这些地理上分散的不同工具集成起来进行有效交互是当前协同设 计的一个主要问题。 另外, 企业之间的联盟具有偶然性, 这就要求协同工作环境具有很好的 伸缩性和开放性。 这决定了我们不可能开发一个新系统来满足这些要求, 必须借助于一些技 术来达到现有系统的集成。应用于人工智能的软件 Agent 技术正好适应这方面的需求。 2.Agent 的概念2.1 Agent的定义1995年,Wooldridge 和 Jennings 作出了权威性的 Agent 定义:(1 弱定义 Agent是一个基于软件(多数情况下或硬件的计算机系统,具有 以下特

4、点:自治性、社会能力、反应性和能动性。(2 强定义 Agent在弱定义的特性基础上,还包括情感等模拟人类的特性。 2.2 Agent的特性 自主性 Agent具有属于其自身的计算资源和局部于自身行为控制的机制, 能在无 外界直接操纵的情况下,根据其内部状态和感知到的(外部环境信息,决定和控制自身的 行为。 交互性 能与其它 Agent 进行多种形式的交互,能有效地与其它 Agent 协同工作。 反应性 能感知所处的环境,并对相关事件作出适时反应。 能遵循承诺采取主动行动,表现出面向目标的行为。3.基于 Agent 的协同智能设计系统的基本组织结构基于 Agent 的协同智能设计系统涉及到的问题

5、包括产品模型,设计过程模型,设计知 识代理,代理的结构,多代理系统的结构,代理间的交互等等。应用程序的协作和交互性是 基于这些问题清晰的理解。 这一部分打算讨论一些重要的问题并提供一个多代理协同设计环 境叫 MAIDA。要实现 agent 的各个特性需要合适的模块。目前,对于 agent 内部结构的组织没有一 个共识。 许多当前实现的系统也只是在自身理解的基础上进行构造的。 我们期望将来能够出现一个标准,能够符合大多数场合的应用。agent 的内部结构本质上就是它的模型和如何一 起工作的描述。如图 1所示,在这里,心智模块能够通过感应器从外部世界获得信息,它内 部的解释和推理机制对信息进行识别

6、, 翻译和分解。 心智模块主要才用了拟人化的模型, 拥 有自己的目标、承诺、意图、信念等,能够根据其内部的知识主动地进行运作,知道各个 agent 所处的位置。它们是在任务建立的时候进行初始化。心智模块利用数据库中的信息以 及自身的状态, 产生一定的方案。 计划模块通过各种规则和知识将方案转化成可执行的序列。 执行模块执行这个序列, 将运行结果送给心智模块。 心智模块再通过协商得到问题的解。 如 果在执行的过程中产生异常或发生冲突, 由心智模块根据冲突源作出合理的调整, 重新进行 处理。图 1 Agent的结构根据我们的理解,设计是一个事件驱动的过程,是设计者根据一些规则来实现的,用 一些工具

7、来处理任务中的一些产品数据。 因而, 在我们的智能设计环境中, 代理被基本的分 为六类:过程管理代理, 设计任务代理, 工具代理和产品数据代理资源管理代理和协同代理。 这些代理的结构有一些共同的模块如交互界面, 检测模块等等, 再完整一点包括推理模块和 决议模块等等。 然而, 任何一个包括这六种类型模块的结构有自己的特征。 这些代理将在以 后部分得到进一步的讨论。设计任务代理的结构是一种普通代理结构。它所基于的知识可以被分成三个主要的模 块,详细如下:1. 过程知识是产品设计的整个过程的本地单元;2. 产品数据知识是整个生命周期产品数据的本地视图;3. 现存资源的知识如工具,服务,相关代理,经

8、验,知识等等是整个工程资源的本 地资源。大多数应用工具和产品数据库是经过多年发展起来的代理系统。这些代理系统提供了 分离的个体应用软件包间的交互性。 传统的技术对集成这些代理系统没有一个满意的解决方 案。 假定他们拥有足够的好的编程接口, 代理技术提供了一个包装代理系统的很自然的方法。 工具代理是普通代理和遗留应用如 CAD 工具,基于知识的应用,基于网络的服务等等 的一般中间产物。 工具代理负责设计任务中的发现, 提供和管理工具, 它们通常是独立于特 定的工程的。因而工具代理的结构主要包括与其它代理的交互和应用工具接口的封装。 产品数据代理是普通代理和遗留工程数据库的一般中间产物, 它负责为

9、代理保存和管 理产品数据。 类似于工具代理, 她们通常有一个与其它代理进行交互的封装层和一个数据库 接口。任何一项活动的执行都需要计算机软硬件资源的支持, 资源管理 agent 主要负责软硬 件资源的收集和分类,并将它们分配给所需要的 agent。使资源得到合理、高效的运用,同 时维护负载的平衡。 协同 agent 主要负责在产生系统不能自主解决的冲突的情况, 为人工协 商提供一个有效的交互界面。3.2基于 multi-agent 的智能协同设计环境:MAIDA多代理系统是我们对协同智能设计环境的一个解决方案,它由许多单独的代理组成 (包括 PMA,DTA,TA,PDA 和人代理等等 ,能够进

10、行合作以有效的方式来实现一个设计工 程。支持代理体合作的底层组织应该包括至少三个共同关键的成分:z共同的代理交互语言和协议,如 FIPA ,ACL 或者 KQML;z共享的实体,如企业主体,STEP 等等;z交互内容的共同格式,如 KIF,EXPRESS 或者 XML。多代理系统协作的过程就是信息传递的过程,图 2展示了这样一个多代理系统的底层 结构。主要包括四个部分:交互,心智模块,观测机制和应用层。交互机制是建立在对象请 求代理(ORB上的消息传输机制。它以 agent 交互语言(ACL的语法来传递信息给容器, 容器对信息进行解析。 心智模块解释消息的内容, 推理并请求应用层以完成任务。

11、应用将结 果返回到心智模块。心智模块产生合适的回应并转寄给请求 agent。观测机制和心智模块信 念,渴望,意图(BDI相关,允许 agents 自己决定它们需要观察其它系统中的哪个对象以 及采取什么样的行动。另外,建立在 STEP AP231上的公共产品数据模型允许 agents 具有一 致的产品数据模型的存取接口。Agent 1 Agent 2 图 2 系统交互的底层机制MAIDA 采用 Web 技术将不同专业的设计人员和不同区域的资源组织在一起,提供一个协同完成产品设计任务的网络环境, 将产品设计及其相关过程一体化集成使得设计环境具有 良好的扩展性和开放性。它的功能模型如图 3所示。过程

12、管理 agent 能够对设计中的各个阶段提供事务支持与维护。任务管理 agent 负责 任务的分解与调度。 资源管理 agent 负责对网络节点上的软硬件资源进行收集与分配。 协同 工具提供了设计者之间进行协同交互的手段。 产品信息模型表达了产品设计过程中使用的各 种信息,包括数据库、文件、图形、图象等多种格式数据源。不同功能的 agent 群组通过 multi-agent 交互界面使用各种工具和共享全域设计信息、设计资源与设计管理工具。各个 agent 组以树形层次方式组织。群组之间以一种松耦合的、动态联邦的形式进行合作,随着 任务的完成它们就执行解散。 图 3 网络协同设计原型系统的框架3

13、.3 MAIDA中的协作设计是一个解决问题的过程,包括需求查询,全局设计任务的定义,整个任务到子任 务的分解, 分配子任务给设计者, 子任务解决方案的综合以及最后提供整个产品的解决方案。 因此,设计过程是一组活动。MAIDA 环境被开发出来以保证 Agent 拥有这些活动。在 MAIDA 中,一个设计过程通常由一个设计工程管理者(一个人类设计者来初始化, 但是它也可以由一个外部系统自动地引发。 当一个设计过程初始化之后, 全局目标 PMA 负责 定义整个目标和设计任务, 根据 DTA 的实用性将整个任务分解为分层次的子任务。 同时这个 PMA 能够知道 TAs 的全局分布, 通过与 TAs 和

14、 PDA 的互操作产生一个现存产品数据的全局视 图。这样,PMA 有一个关于设计过程的全局视图。之后 PMA 通过一些合作机制分配子任务给 DTA,例如合同网协议,由于许多 DTA 能够做同样的子任务,它们可以决定共同地做这个子 任务。由于子任务是按等级分解的,可以在所有的等级活动中解决问题,包括产品,组件, 零件, 范围和活动单元。 设计活动是一系列单元活动的基本组合。 每一个单元活动由输入的 产品信息进行初始化,由设计规则和约束进行控制,由组织,资源,工具等支撑,最终输出 产品信息。在一个活动单元中,六种类型的代理能够合作来完成一个基本的任务。每一个被 分配任务的 DTA 负责处理一个零件

15、,可以通过与 PDA 的协作来进行零件产品数据的存取和处理.每一个 DTA 也知道利用必要的工具处理这些产品数据来与 TA 协作。 子任务的解决过程是通过 PMA 的协调和控制来达到的。 这个过程通常要迭代许多次。 在产生冲突的情况下, 通过由于各 agent 个体知识的不完备性、不相容性及资源等问题往往不可避免的,从而可能导致 agent 间各种冲突的产生,进而影响到 agent 间的协作。这里我们采用文献2中的方法:对冲突进行分类,建立三层式的冲突表示模型。冲突分类允许 agent 查明冲突源,以便决定为了消除冲突什么必须改变。 这个策略能够在系统执行的过程中动态的决定采取什么样的冲突消解

16、方法。4 结束语通过研究,我们发现代理技术能够在协同智能设计环境中提供一个灵活和动态的协作方法。 基于现存系统交互的标准, 我们的基于代理的 MAIDA 环境能够提高应用程序的交互性,建立高水平的自动协作。 在这里, 交互的关键是采用广泛接受的标准来构造基于代理基本组织结构.参考文献Classification in a Domain-Independent Conflict Management Framework.TechnicalReport TR98-UT-LIPS- AGENT-02 1998.Classification in a Domain-Independent Confli

17、ct Management Framework. TheLaboratory for Intelligent Processes and Systems. TR98-UT-LIPS-AGENTS-02.3.Gang Zhao,Jiati Dent,Weiming Shen. CLOVER: an agent-based approach to systemsinteroperability in cooperative design systems. Computers in Sindustry 45(2001261-276.4.Kuo-Ming Chao, Peter Norman,Rach

18、id Anane, Anne James. An agent-based approach toengineering design. Computers in Industry 48(200217-27.Multi-Agent Design Architecture for Integrated Design Systems.6.Mike Rosenman,Fujun Wang. A Component agent based open CAD system forCollaborative design. Automation in Construction 10(2001383-397.

19、7.Dalton D.S. Guerrero,Angelo Perkusich and Jorge C.A. de Figueiredo. Modeling acooperative Environment Based on An Object-Based Modular Petri Net. In the Proc. of9th Intl. Conference on Software Engineering _ and Knowledge Engineering, June 17-20, 1997, pages240-247.1. 通信地址：浙江工业大学 研 02 信箱 邮编：310014 电话：057188326629 Email：guodayun007 中图分类号：TP18 文献标识码：A 2.英文标题：Research on Multi-Agent Based Cooperative Design System 摘要： Product design is becoming more and more complicated, and, at the same time, need rapid exploitation. The proposal