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(lái)越復(fù)雜，其智能化程度也越來(lái)越高。多Agent技術(shù)就是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生的，并迅速成為軟件工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在介紹Agent定義和特點(diǎn)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(yǔ)言（KQML， FIPA-ACL），最后對(duì)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(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）22-5293-04

多Agent技術(shù)是近年來(lái)軟件工程領(lǐng)域里的一個(gè)研究重點(diǎn)。多Agent系統(tǒng)（Multi-Agent System）是由分布式計(jì)算環(huán)境中的多個(gè)可交互的智能Agent組成的。其中，每個(gè)Agent被認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算實(shí)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(duì)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(gè)大規(guī)模、復(fù)雜的計(jì)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(shì)所在。

1 Agent定義及其特點(diǎn)

1.1 Agent定義

Agent技術(shù)是人工智能、分布式計(jì)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?cè)齏ooldridge和Jennings為Agent下的定義[1]：Agent是處在復(fù)雜計(jì)算環(huán)境中的計(jì)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(dòng)以實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)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(huì)性和能動(dòng)性四個(gè)主要特點(diǎn)。

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(méi)有其他對(duì)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(gè)Agent可以通過(guò)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(shí)，能夠根據(jù)其所掌握的知識(shí)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(huì)性：在分布式計(jì)算環(huán)境中，存在著功能各異的眾多Agent實(shí)體。當(dāng)處理一些復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，通常需要許多Agent相互協(xié)作，共同完成任務(wù)。

4） 能動(dòng)性：Agent應(yīng)該主動(dòng)的采取某些動(dòng)作來(lái)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(gè)“數(shù)據(jù)大爆炸”時(shí)代，云計(jì)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(wèn)題變得越來(lái)越復(fù)雜，而單Agent系統(tǒng)在自主學(xué)習(xí)、知識(shí)挖掘以及數(shù)據(jù)分析處理等方面存在諸多限制，無(wú)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(diǎn)。

2.1 多Agent系統(tǒng)的定義

多Agent系統(tǒng)包含多個(gè)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(huì)重疊，而同時(shí)Agent之間還存在著依賴關(guān)系，它們之間既有競(jìng)爭(zhēng)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(jì)算資源分散的分布式計(jì)算環(huán)境，通過(guò)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(jì)算能力用以解決復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)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(huì)）規(guī)范的MAS結(jié)構(gòu)[2]。可以看出這是一個(gè)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(jì)算功能來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的目標(biāo)。每個(gè)Agent都設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)的。AMS提供了命名服務(wù)功能（在同一個(gè)平臺(tái)下的每個(gè)Agent都擁有唯一的一個(gè)名字），具有在某個(gè)容器（環(huán)境）內(nèi)創(chuàng)建和撤銷Agent的功能。DF則提供了黃頁(yè)功能和白頁(yè)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(yǔ)言）是整個(gè)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(gè)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(jì)算機(jī)科學(xué)的核心問(wèn)題之一。多Agent系統(tǒng)的一個(gè)重要特性就是社會(huì)性，Agent并不是孤立存在的，他們共處在一個(gè)環(huán)境之中，彼此之間存在著合作，競(jìng)爭(zhēng)等機(jī)制，而Agent之間的通信是實(shí)現(xiàn)合作和競(jìng)爭(zhēng)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(yǔ)言提供的是一種高層的通信機(jī)制。下面重點(diǎn)介紹最為重要的兩種Agent通信語(yǔ)言：KQML（Knowledge Query and Manipulation Language）和FIPA-ACL（Agent Communication Language）。

1） KQML通信語(yǔ)言

KQML（Knowledge Query and Manipulation Language）是一種基于言語(yǔ)行為（Speech Act）理論的知識(shí)和信息交換協(xié)議和語(yǔ)言，是KSE（Knowledge-Sharing Effort）項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目旨在構(gòu)建可共享的大規(guī)模知識(shí)庫(kù)。KQML[3，4]是一種基于消息的通信語(yǔ)言，消息具有固定的格式：每條消息有一個(gè)語(yǔ)義詞，可將其看作消息的標(biāo)志，此外KQML消息中含有多個(gè)具有特定語(yǔ)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(jià)格。在這條消息中，ask-all是動(dòng)作原語(yǔ)詞，它的含義是一個(gè)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(jià)格。：receiver即消息的接收者，為存儲(chǔ)著圖書信息的服務(wù)器。：language規(guī)定了內(nèi)容的表達(dá)語(yǔ)言，本例中使用的是標(biāo)準(zhǔn)LISP語(yǔ)言。：ontology規(guī)定了消息所用的術(shù)語(yǔ)集，本例中的術(shù)語(yǔ)集為所有圖書的價(jià)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(yǔ)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(yǔ)義沒(méi)有嚴(yán)格的定義，這就造成在使用KQML時(shí)的隨意性很大，這也是導(dǎo)致互操作性差的一個(gè)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(yǔ)言，F(xiàn)IPA隨后開發(fā)出一種新型的Agent通信語(yǔ)言，它彌補(bǔ)了KQML的眾多缺陷，與此同時(shí)也保留了KQML的優(yōu)點(diǎn)。

2） FIPA-ACL通信語(yǔ)言

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

3 多Agent技術(shù)的應(yīng)用

近年來(lái)，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(diǎn)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(huì)下載很多無(wú)用信息，不僅浪費(fèi)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(dòng)態(tài)執(zhí)行檢索和異步計(jì)算功能，Agent根據(jù)用戶請(qǐng)求，在服務(wù)端動(dòng)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(wú)法對(duì)外界的新情況及時(shí)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(shì)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(chǎng)交易等一系列個(gè)性化服務(wù)?；贏gent技術(shù)的電子商務(wù)平臺(tái)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(dú)立于交易雙方的調(diào)控方來(lái)全面管理線上交易，從而有效降低了交易消耗的時(shí)間和精力，同時(shí)也提供了很好的安全性保障機(jī)制。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了KQML和FIPA-ACL兩種Agent通信語(yǔ)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(tái)的出現(xiàn)，多Agent技術(shù)一定會(huì)得到越來(lái)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.