江偉光，魯建廈，湯洪濤，李志鑫

(浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，杭州 310014)

前言

現(xiàn)代汽車產(chǎn)品開發(fā)是一項需要多領(lǐng)域交融、多部門協(xié)作、多角色參與的設(shè)計活動，分布式異構(gòu)化環(huán)境已逐漸成為汽車制造企業(yè)管理和開發(fā)的基礎(chǔ)環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化和服務(wù)化的協(xié)同開發(fā)環(huán)境是企業(yè)提高其核心競爭力的必然需求。傳統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(product data management，PDM)作為產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，具有一些不足之處:采用集中式的數(shù)據(jù)處理和服務(wù)方式，不具備足夠的開放性和重用性，對分布式環(huán)境支持不足;與應(yīng)用系統(tǒng)的協(xié)同多采用多點集成的緊耦合方式，不具備足夠的柔性和擴展性，對異構(gòu)化環(huán)境支持不足;系統(tǒng)之間的交互停留在語法層次，無法建立基于語義的知識交互，對智能化環(huán)境支持不足。

智能體(Agent)技術(shù)被引入并應(yīng)用于協(xié)同開發(fā)環(huán)境，它建立在分布式人工智能的基礎(chǔ)上，可感知外界環(huán)境并作出反應(yīng)，具有自律性、社會性、反應(yīng)性和自發(fā)性4個基本特征［1-2］。多Agent系統(tǒng)通過多個Agent的相互通信和協(xié)作，封裝用戶的意圖，協(xié)同用戶的目標，可用于實現(xiàn)開放的、分布式的PDM和開發(fā)環(huán)境，共同協(xié)作完成單個Agent難以完成的任務(wù)［3-5］。然而目前多Agent系統(tǒng)在面向產(chǎn)品開發(fā)時表現(xiàn)的不足在于其平臺相關(guān)性和緊密耦合性，多為面向特定業(yè)務(wù)邏輯，其開放性和分布性建立在自定義的通信方式和協(xié)議上，需要關(guān)注整個協(xié)同交互的細節(jié)，這就增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和實現(xiàn)難度，其重用性和擴展性也受到了相應(yīng)限制。

1 基于服務(wù)的多Agent協(xié)同優(yōu)勢

針對以上問題，將多Agent協(xié)同策略建立在通用的信息服務(wù)基礎(chǔ)層上，使Agent系統(tǒng)構(gòu)建者無需把精力放在基礎(chǔ)通信層的定義上，而把更多的精力放在自身的功能實現(xiàn)上，是解決問題的有效途徑之一。Web服務(wù)在一定程度上滿足了這種需求，它構(gòu)建在XML/SOAP/WSDL/UDDI等標準的基礎(chǔ)上，具有平臺無關(guān)性和松散耦合的優(yōu)點，可在Internet和Intranet環(huán)境下描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和調(diào)用，是建立分布式應(yīng)用系統(tǒng)的新平臺，易于實現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用集成。本文中以PDM系統(tǒng)作為協(xié)同開發(fā)基礎(chǔ)平臺，結(jié)合Web服務(wù)和Agent技術(shù)，建立面向服務(wù)的多Agent協(xié)同開發(fā)環(huán)境。

基于Web服務(wù)架構(gòu)多Agent協(xié)同開發(fā)環(huán)境，可結(jié)合Web服務(wù)和Agent各自優(yōu)點，具有以下優(yōu)勢。

(1)Agent可調(diào)用一個或組合多個服務(wù)，多個Agent也可以調(diào)用同一個服務(wù)，而服務(wù)由各個服務(wù)提供者定義和實現(xiàn)，已經(jīng)分布于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中或可獨立于應(yīng)用來定義，可使問題合理分解，資源優(yōu)化配置。Agent只需調(diào)用其接口而不需關(guān)注服務(wù)的功能實現(xiàn)，降低了實現(xiàn)難度，提高了Agent系統(tǒng)的靈活性和對服務(wù)的重用度。

(2)將原先Agent間直接相互協(xié)商的緊密耦合轉(zhuǎn)化為以分布式Web服務(wù)為基礎(chǔ)的松散耦合，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當某個Agent出現(xiàn)問題時，不會影響其他Agent的正常工作。

(3)Agent的智能性、自治性和并行性可實現(xiàn)對Web服務(wù)調(diào)用的自動化，并彌補Web服務(wù)對用戶和環(huán)境感知的不足，滿足業(yè)務(wù)流程的并行處理和企業(yè)應(yīng)用的動態(tài)集成。

(4)Web服務(wù)不可能完全符合用戶要求，還有很多應(yīng)用系統(tǒng)并不支持對Web服務(wù)的直接調(diào)用，而Agent真正以用戶為目標，可進一步處理服務(wù)結(jié)果。作為服務(wù)與應(yīng)用間的橋梁，在不改變原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下適應(yīng)動態(tài)應(yīng)用需求，以自身的動態(tài)變化來獲取服務(wù)和被服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的兼容性。

2 基于服務(wù)的多Agent體系結(jié)構(gòu)

圖1為基于Web服務(wù)的多Agent體系結(jié)構(gòu)。首先，從系統(tǒng)的宏觀角度看，見圖1左側(cè)，多Agent層和服務(wù)層建立在知識層和數(shù)據(jù)層之上，服務(wù)于應(yīng)用層。其中知識層基于本體將產(chǎn)品開發(fā)知識和信息集成，為Agent之間基于語義的理解提供知識表達和本體集成基礎(chǔ)，使Agent、Web服務(wù)自身和它們之間的協(xié)同可實現(xiàn)基于語義的智能應(yīng)用［6］;數(shù)據(jù)層以PDM平臺為依托［7］，將網(wǎng)絡(luò)中以異構(gòu)和分布形態(tài)存在的產(chǎn)品信息、管理信息和智力資源等統(tǒng)一集成，為產(chǎn)品開發(fā)提供了信息獲取的可達性和靈活性，是構(gòu)建協(xié)同環(huán)境和應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

其次，從企業(yè)內(nèi)外協(xié)作的角度來看，企業(yè)間協(xié)同通過各個協(xié)作單元之間的互操作來實現(xiàn)，每個協(xié)作單元具有類似的組織結(jié)構(gòu)，集成多個Agent和Web服務(wù)。在企業(yè)間交互的Internet環(huán)境中，Web服務(wù)以通用的形式向其他協(xié)作企業(yè)提供應(yīng)用程序接口，并服務(wù)于負責執(zhí)行企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)流程的多個Agent。

Agent負責發(fā)現(xiàn)、組合和處理多個服務(wù)形成滿足企業(yè)需求的業(yè)務(wù)流程。Web服務(wù)多為無狀態(tài)的，但Agent可以感知環(huán)境的狀態(tài)變化，并對此作出反應(yīng)，描述業(yè)務(wù)流程的過程，發(fā)送和接受消息，通過多個Agent之間的通信和協(xié)作來執(zhí)行業(yè)務(wù)流程和協(xié)同相關(guān)應(yīng)用。本系統(tǒng)由一個負責多個Agent間協(xié)調(diào)的協(xié)作中心和負責子任務(wù)的子Agent組成，協(xié)作中心在框架中處于中心樞紐地位，它由協(xié)作管理Agent、本體Agent和沖突處理Agent組成。各部分的功能詳細描述如下。

(1)協(xié)作管理Agent主要控制所有Agent之間的信息共享，并協(xié)調(diào)Web服務(wù)與它們之間的信息交互。具體來說包括各個Agent的注冊信息及維護;指派任務(wù)給各個子Agent，控制它們的啟動、執(zhí)行和結(jié)束;與本體Agent交互獲得語義支持;將有沖突的過程或結(jié)果提交給沖突處理Agent，并將處理結(jié)果返回相應(yīng)Agent。

(2)本體Agent可為其他Agent提供本體的管理和集成服務(wù)，捕獲該領(lǐng)域相關(guān)知識，提供一致的理解，使Agent之間的通信建立在語義的基礎(chǔ)上。另外各個子Agent的檢索和推理功能也需要本體A-gent的協(xié)助。

(3)沖突處理Agent接收來自協(xié)作管理Agent的消息，進行沖突檢測，提供沖突消解和協(xié)商方法。沖突處理是協(xié)同工作的重要組成部分，具體包括資源沖突和決策沖突。資源沖突發(fā)生在多個Agent在同一時刻需要獨占或共享某一資源時，此時沖突處理Agent提供調(diào)度策略供協(xié)商管理Agent來分配資源。一般使用加鎖機制，然后采用一定的優(yōu)先策略對等待的Agent隊列進行調(diào)度。由于不同Agent的知識結(jié)構(gòu)和思維方式不同，決策沖突發(fā)生在多個A-gent對同一問題所得出的結(jié)論沖突，此時沖突處理Agent提供協(xié)商策略來處理這類問題。

(4)各個應(yīng)用Agent執(zhí)行各自的任務(wù)，可代理一個遺留系統(tǒng)、新應(yīng)用系統(tǒng)、機器或操作人員。它可根據(jù)用戶需求調(diào)用相應(yīng)的Web服務(wù)，并處理服務(wù)返回結(jié)果以供使用，同時也可封裝業(yè)務(wù)流程以Web服務(wù)的形式供其他分布式系統(tǒng)調(diào)用。

在基于服務(wù)的多Agent體系結(jié)構(gòu)中，協(xié)作中心起關(guān)鍵作用。各Agent間的協(xié)同形式有以下幾種。

(1)任務(wù)的分解與分配 協(xié)作中心接收到協(xié)作任務(wù)后將其分解為多個子任務(wù)，并分配給具有相應(yīng)能力的子Agent，將多個應(yīng)用子Agent協(xié)同起來，共同完成一個復(fù)雜的任務(wù)。任務(wù)的分解和分配是工作流管理的主要功能之一，其任務(wù)的承擔者一般是人員、角色或團體。與此不同，這里任務(wù)的分配者是協(xié)作中心的協(xié)作管理Agent，任務(wù)的承擔者是各個應(yīng)用Agent或其他的協(xié)作中心，其優(yōu)勢在于任務(wù)的自動完成，但它本身也是工作流的一部分，以工作流相關(guān)知識規(guī)則為基礎(chǔ)，在無法完成任務(wù)時轉(zhuǎn)向交互服務(wù)。

此時的協(xié)同機制可分為基于模型和基于協(xié)商兩種類型?；谀Ｐ偷姆绞揭怨ぷ髁髂Ｐ蜑榛A(chǔ)，協(xié)作中心根據(jù)任務(wù)來匹配已有的工作流模型，以工作流模型中的任務(wù)分配規(guī)則和流程控制來指定和調(diào)度相應(yīng)的應(yīng)用Agent，這實際上是通過對工作流模型的重用來對相似任務(wù)進行求解，適用于企業(yè)局部范圍內(nèi)完成某類重復(fù)性較高的固定任務(wù)，如產(chǎn)品的設(shè)計重用;基于協(xié)商的方式采用合同網(wǎng)協(xié)議［8］，處于開放式環(huán)境中，協(xié)作中心事先并不知道哪些應(yīng)用Agent能夠完成任務(wù)，它首先按一定規(guī)則將任務(wù)進行分解，在已注冊的Agent中搜索可以完成任務(wù)的應(yīng)用A-gent，但不立刻進行任務(wù)分配，而是以投標的方式與這些子Agent協(xié)商，選擇最合適的應(yīng)用Agent來完成任務(wù)，該方法適用于合作企業(yè)間的業(yè)務(wù)整合。

(2)信息的共享與一致 各個應(yīng)用Agent雖然各自獨立完成自身的任務(wù)，但信息的共享、耦合和沖突在協(xié)作過程中必然會產(chǎn)生，當某一應(yīng)用Agent更改信息時，其他Agent中的關(guān)聯(lián)信息也應(yīng)當及時得到合適的信息跟隨。

此時的協(xié)同機制主要通過數(shù)據(jù)庫共享和Agent消息通知的方式來進行信息交互。數(shù)據(jù)庫共享的方式適用于幾個應(yīng)用Agent共用同一數(shù)據(jù)庫，當數(shù)據(jù)庫更新時協(xié)作中心會通知有信息關(guān)聯(lián)的各個應(yīng)用Agent，并由沖突處理Agent對并發(fā)沖突進行處理;基于Agent消息通知的方式是Agent之間交互的最基本方法，各個應(yīng)用Agent之間也可以不通過協(xié)作中心而直接傳遞和共享Agent消息，且消息的內(nèi)容具有較大的靈活性。

(3)服務(wù)的調(diào)用與提供 服務(wù)的調(diào)用實際上是一類特殊的信息共享方式，服務(wù)的提供者封裝了業(yè)務(wù)邏輯和具體的實現(xiàn)技術(shù)，調(diào)用者通過遠程方法調(diào)用返回服務(wù)結(jié)果。Agent既可以作為服務(wù)的調(diào)用者也可以作為服務(wù)的提供者。

調(diào)用服務(wù)時，Agent向UDDI查詢服務(wù)，通過其接口描述WSDL來了解服務(wù)，然后再獲取和綁定服務(wù)，服務(wù)正常則返回服務(wù)結(jié)果，為自身業(yè)務(wù)邏輯所用，服務(wù)異常則作異常處理，重新申請服務(wù)或者轉(zhuǎn)交人工處理。提供服務(wù)時，Agent將自身的部分業(yè)務(wù)邏輯分離出來，提供標準的Web服務(wù)接口，并在UDDI中注冊服務(wù)，供其他系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和調(diào)用。

3 Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)

針對在分布式協(xié)作過程中需要集成Web服務(wù)，對Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)作相應(yīng)改進，如圖2所示，設(shè)計由感知模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊3部分組合成為可與周圍環(huán)境交互并能集成服務(wù)的自治體。

感知模塊是外界環(huán)境與Agent交互的接口，由環(huán)境感知器、服務(wù)接收器和交互界面組成。環(huán)境感知器可獲取當前任務(wù)環(huán)境的相關(guān)信息，如任務(wù)通知和控制指令等，一般為Agent間的通信信息;服務(wù)接收器可接收其他Agent自身服務(wù)的調(diào)用，提交給控制模塊和執(zhí)行模塊以提供相應(yīng)的Web服務(wù)，同時也可接收外部Web服務(wù)的返回結(jié)果和服務(wù)狀態(tài)，提交給控制模塊和執(zhí)行模塊處理為自身業(yè)務(wù)邏輯所用;交互界面以界面的形式與用戶交互，接收用戶請求和輸入。這3種類型的感知器并不是每個Agent都必須具備，有的Agent可能只需要其中的一種或兩種。感知器接收各種信息，形成感知集，傳送給控制模塊和執(zhí)行模塊。

控制模塊包括狀態(tài)控制和推理機構(gòu)，以目標為導(dǎo)向，以知識規(guī)則為推理基礎(chǔ)，對感知集作出一定反應(yīng)。狀態(tài)控制中除Agent自身內(nèi)部狀態(tài)，還增加了服務(wù)狀態(tài)模塊，以跟蹤和記錄Web服務(wù)過程，共同形成狀態(tài)集;推理機構(gòu)體現(xiàn)了Agent的思維方式，與知識庫交互形成知識積累循環(huán)，具有分析和決策的能力。

執(zhí)行模塊在控制模塊的引導(dǎo)下，產(chǎn)生動作集，它是一組行動序列，體現(xiàn)Agent的行為能力，改造外部環(huán)境。

通過對以上Agent內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析，可將其形式化定義為八元組:

式中:ID表示Agent的標識;Se表示感知集，是環(huán)境感知器、服務(wù)接收器和交互界面收集的信息集合，一般以消息的形式發(fā)送;St表示狀態(tài)集，是Agent自身內(nèi)部狀態(tài)和服務(wù)狀態(tài)的集合，體現(xiàn)Agent的狀態(tài)控制;Kn表示知識集，不僅包括知識的表達，還可延伸為信念、承諾等意識性概念;Task表示任務(wù)集，體現(xiàn)Agent的目標;Inf表示推理過程，它是在 Se、St、Kn 和Task的綜合作用下Agent作出的反應(yīng);Act表示動作集，由執(zhí)行模塊操作;Env表示周邊環(huán)境，由其他協(xié)同Agent和對象組成。

在面向具體任務(wù)，不同的Agent可采用以上通用的基本結(jié)構(gòu)，但具體內(nèi)容各不相同，可形成不同功能的Agent群。Agent具有自我學(xué)習(xí)的能力，隨著與環(huán)境的交互，其求解能力也逐漸增強。

4 應(yīng)用實例

基于已有的PDM平臺，采用上述思想建立汽車減振器協(xié)同開發(fā)環(huán)境，初步應(yīng)用于企業(yè)。協(xié)同的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境與高效的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理是密不可分的，在協(xié)同開發(fā)環(huán)境建立的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，能獲得較好的數(shù)據(jù)和知識支持，也使開發(fā)環(huán)境易于管理，便于產(chǎn)品開發(fā)和管理的一體化集成。整個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖3，其主要由兩部分組成:PDM平臺和產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)平臺。其中PDM平臺由資源管理、工作流管理、系統(tǒng)管理、產(chǎn)品生命周期管理和協(xié)同工具集等部分組成，它們可為協(xié)同開發(fā)平臺提供全生命周期的數(shù)據(jù)支持，并將開發(fā)平臺的設(shè)計過程和結(jié)果管理起來;開發(fā)平臺包括產(chǎn)品在開發(fā)過程中的各種應(yīng)用程序和業(yè)務(wù)流程，這里根據(jù)企業(yè)需求，以面向設(shè)計重用的功能模塊為主，包括減振器專家系統(tǒng)、參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)和工藝設(shè)計系統(tǒng)，其中專家系統(tǒng)包含基于實例推理(case-based reasoning，CBR)系統(tǒng)流程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置流程，得出主參數(shù)進入?yún)?shù)化設(shè)計流程和工藝設(shè)計流程。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理通過Web服務(wù)或數(shù)據(jù)庫服務(wù)將這些管理起來的產(chǎn)品生命周期信息和資源提供給各種開發(fā)應(yīng)用程序，各應(yīng)用程序通過多Agent系統(tǒng)整合這些服務(wù)，組建自身業(yè)務(wù)流程來完成相應(yīng)任務(wù);這些應(yīng)用程序可分布于不同部門和企業(yè)，相互間也可以提供服務(wù)，并作為協(xié)作單元組建新的業(yè)務(wù)流程。整個協(xié)同環(huán)境具有以下特點。

(1)數(shù)據(jù)層上支持物理上分布的數(shù)據(jù)源和邏輯上集成的數(shù)據(jù)訪問。

(2)業(yè)務(wù)層上支持多任務(wù)并行和協(xié)同。

(3)界面層上支持多用戶多種交互方式。

(4)知識層上支持多學(xué)科多領(lǐng)域知識集成。

(5)應(yīng)用層上支持多種協(xié)同工具。

減振器設(shè)計系統(tǒng)可充分利用PDM系統(tǒng)中存儲的大量產(chǎn)品和零部件實例及集成服務(wù)，搜索可重用的相似實例，進行設(shè)計重用。原型系統(tǒng)如圖4所示，具體流程如下。

(1)用戶或需求智能體將設(shè)計需求傳遞給產(chǎn)品CBR智能體，產(chǎn)品CBR智能體從PDM的產(chǎn)品智能體獲取產(chǎn)品分類和屬性Web服務(wù)，形成輸入界面。

(2)根據(jù)輸入條件，產(chǎn)品CBR智能體向相似度計算Agent請求相似度計算，相似度計算Agent自身可調(diào)用相似度算法Web服務(wù)，并從PDM的產(chǎn)品智能體獲取產(chǎn)品實例Web服務(wù)，產(chǎn)生相似度結(jié)果，返回給產(chǎn)品CBR智能體。其中相似度計算Agent也可提供相似度算法服務(wù)給外部系統(tǒng)。

(3)產(chǎn)品CBR智能體根據(jù)相似度和相關(guān)規(guī)則判定是否滿足要求，符合要求的可直接選用，有相似實例但需要更改的將相關(guān)要求傳遞給零部件CBR智能體。

(4)零部件CBR智能體從PDM的產(chǎn)品智能體獲取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)服務(wù)，從零部件智能體獲取零部件分類和屬性Web服務(wù)，并向相似度計算Agent請求相似度計算，后者調(diào)用PDM中的零部件實例數(shù)據(jù)，搜索合適的零部件實例。

(5)不滿足要求但有相似實例的可進入?yún)?shù)化設(shè)計流程。參數(shù)化智能體從PDM中獲取參數(shù)化模板和相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)，可與用戶交互進行參數(shù)化設(shè)計。

(6)無相似實例的進入零部件設(shè)計智能體，可與用戶交互進行新產(chǎn)品設(shè)計流程，其中也可獲取PDM中相關(guān)數(shù)據(jù)和設(shè)計知識服務(wù)。

5 結(jié)論

基于Web服務(wù)的多Agent分布式協(xié)調(diào)策略，結(jié)合Web服務(wù)的松耦合性和Agent的自治性，使服務(wù)接口和具體的業(yè)務(wù)邏輯明確分離，便于構(gòu)建支持分布式、異構(gòu)化和智能化的協(xié)同開發(fā)環(huán)境;結(jié)合PDM平臺，可獲取有效的產(chǎn)品數(shù)據(jù)支持，滿足現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)對協(xié)同環(huán)境和數(shù)據(jù)管理的需求。

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