基于服務的多智能體協同開發環境*

江偉光，魯建廈，湯洪濤，李志鑫

(浙江工業大學機械工程學院，杭州 310014)

前言

現代汽車產品開發是一項需要多領域交融、多部門協作、多角色參與的設計活動，分布式異構化環境已逐漸成為汽車制造企業管理和開發的基礎環境，網絡化、集成化、智能化和服務化的協同開發環境是企業提高其核心競爭力的必然需求。傳統的產品數據管理(product data management，PDM)作為產品協同開發的基礎數據平臺，具有一些不足之處:采用集中式的數據處理和服務方式，不具備足夠的開放性和重用性，對分布式環境支持不足;與應用系統的協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，對異構化環境支持不足;系統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，對智能化環境支持不足。

智能體(Agent)技術被引入并應用于協同開發環境，它建立在分布式人工智能的基礎上，可感知外界環境并作出反應，具有自律性、社會性、反應性和自發性4個基本特征［1-2］。多Agent系統通過多個Agent的相互通信和協作，封裝用戶的意圖，協同用戶的目標，可用于實現開放的、分布式的PDM和開發環境，共同協作完成單個Agent難以完成的任務［3-5］。然而目前多Agent系統在面向產品開發時表現的不足在于其平臺相關性和緊密耦合性，多為面向特定業務邏輯，其開放性和分布性建立在自定義的通信方式和協議上，需要關注整個協同交互的細節，這就增加了系統復雜度和實現難度，其重用性和擴展性也受到了相應限制。

1 基于服務的多Agent協同優勢

針對以上問題，將多Agent協同策略建立在通用的信息服務基礎層上，使Agent系統構建者無需把精力放在基礎通信層的定義上，而把更多的精力放在自身的功能實現上，是解決問題的有效途徑之一。Web服務在一定程度上滿足了這種需求，它構建在XML/SOAP/WSDL/UDDI等標準的基礎上，具有平臺無關性和松散耦合的優點，可在Internet和Intranet環境下描述、發布、發現和調用，是建立分布式應用系統的新平臺，易于實現異構系統的應用集成。本文中以PDM系統作為協同開發基礎平臺，結合Web服務和Agent技術，建立面向服務的多Agent協同開發環境。

基于Web服務架構多Agent協同開發環境，可結合Web服務和Agent各自優點，具有以下優勢。

(1)Agent可調用一個或組合多個服務，多個Agent也可以調用同一個服務，而服務由各個服務提供者定義和實現，已經分布于網絡環境中或可獨立于應用來定義，可使問題合理分解，資源優化配置。Agent只需調用其接口而不需關注服務的功能實現，降低了實現難度，提高了Agent系統的靈活性和對服務的重用度。

(2)將原先Agent間直接相互協商的緊密耦合轉化為以分布式Web服務為基礎的松散耦合，提高了系統的穩定性，當某個Agent出現問題時，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對Web服務調用的自動化，并彌補Web服務對用戶和環境感知的不足，滿足業務流程的并行處理和企業應用的動態集成。

(4)Web服務不可能完全符合用戶要求，還有很多應用系統并不支持對Web服務的直接調用，而Agent真正以用戶為目標，可進一步處理服務結果。作為服務與應用間的橋梁，在不改變原有系統結構的情況下適應動態應用需求，以自身的動態變化來獲取服務和被服務應用系統的兼容性。

2 基于服務的多Agent體系結構

圖1為基于Web服務的多Agent體系結構。首先，從系統的宏觀角度看，見圖1左側，多Agent層和服務層建立在知識層和數據層之上，服務于應用層。其中知識層基于本體將產品開發知識和信息集成，為Agent之間基于語義的理解提供知識表達和本體集成基礎，使Agent、Web服務自身和它們之間的協同可實現基于語義的智能應用［6］;數據層以PDM平臺為依托［7］，將網絡中以異構和分布形態存在的產品信息、管理信息和智力資源等統一集成，為產品開發提供了信息獲取的可達性和靈活性，是構建協同環境和應用的數據基礎。

其次，從企業內外協作的角度來看，企業間協同通過各個協作單元之間的互操作來實現，每個協作單元具有類似的組織結構，集成多個Agent和Web服務。在企業間交互的Internet環境中，Web服務以通用的形式向其他協作企業提供應用程序接口，并服務于負責執行企業內部業務流程的多個Agent。

Agent負責發現、組合和處理多個服務形成滿足企業需求的業務流程。Web服務多為無狀態的，但Agent可以感知環境的狀態變化，并對此作出反應，描述業務流程的過程，發送和接受消息，通過多個Agent之間的通信和協作來執行業務流程和協同相關應用。本系統由一個負責多個Agent間協調的協作中心和負責子任務的子Agent組成，協作中心在框架中處于中心樞紐地位，它由協作管理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)協作管理Agent主要控制所有Agent之間的信息共享，并協調Web服務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;指派任務給各個子Agent，控制它們的啟動、執行和結束;與本體Agent交互獲得語義支持;將有沖突的過程或結果提交給沖突處理Agent，并將處理結果返回相應Agent。

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

(3)沖突處理Agent接收來自協作管理Agent的消息，進行沖突檢測，提供沖突消解和協商方法。沖突處理是協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提供調度策略供協商管理Agent來分配資源。一般使用加鎖機制，然后采用一定的優先策略對等待的Agent隊列進行調度。由于不同Agent的知識結構和思維方式不同，決策沖突發生在多個A-gent對同一問題所得出的結論沖突，此時沖突處理Agent提供協商策略來處理這類問題。

(4)各個應用Agent執行各自的任務，可代理一個遺留系統、新應用系統、機器或操作人員。它可根據用戶需求調用相應的Web服務，并處理服務返回結果以供使用，同時也可封裝業務流程以Web服務的形式供其他分布式系統調用。

在基于服務的多Agent體系結構中，協作中心起關鍵作用。各Agent間的協同形式有以下幾種。

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

此時的協同機制可分為基于模型和基于協商兩種類型。基于模型的方式以工作流模型為基礎，協作中心根據任務來匹配已有的工作流模型，以工作流模型中的任務分配規則和流程控制來指定和調度相應的應用Agent，這實際上是通過對工作流模型的重用來對相似任務進行求解，適用于企業局部范圍內完成某類重復性較高的固定任務，如產品的設計重用;基于協商的方式采用合同網協議［8］，處于開放式環境中，協作中心事先并不知道哪些應用Agent能夠完成任務，它首先按一定規則將任務進行分解，在已注冊的Agent中搜索可以完成任務的應用A-gent，但不立刻進行任務分配，而是以投標的方式與這些子Agent協商，選擇最合適的應用Agent來完成任務，該方法適用于合作企業間的業務整合。

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

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

(3)服務的調用與提供 服務的調用實際上是一類特殊的信息共享方式，服務的提供者封裝了業務邏輯和具體的實現技術，調用者通過遠程方法調用返回服務結果。Agent既可以作為服務的調用者也可以作為服務的提供者。

調用服務時，Agent向UDDI查詢服務，通過其接口描述WSDL來了解服務，然后再獲取和綁定服務，服務正常則返回服務結果，為自身業務邏輯所用，服務異常則作異常處理，重新申請服務或者轉交人工處理。提供服務時，Agent將自身的部分業務邏輯分離出來，提供標準的Web服務接口，并在UDDI中注冊服務，供其他系統發現和調用。

3 Agent內部結構

針對在分布式協作過程中需要集成Web服務，對Agent內部結構作相應改進，如圖2所示，設計由感知模塊、控制模塊和執行模塊3部分組合成為可與周圍環境交互并能集成服務的自治體。

感知模塊是外界環境與Agent交互的接口，由環境感知器、服務接收器和交互界面組成。環境感知器可獲取當前任務環境的相關信息，如任務通知和控制指令等，一般為Agent間的通信信息;服務接收器可接收其他Agent自身服務的調用，提交給控制模塊和執行模塊以提供相應的Web服務，同時也可接收外部Web服務的返回結果和服務狀態，提交給控制模塊和執行模塊處理為自身業務邏輯所用;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行模塊。

控制模塊包括狀態控制和推理機構，以目標為導向，以知識規則為推理基礎，對感知集作出一定反應。狀態控制中除Agent自身內部狀態，還增加了服務狀態模塊，以跟蹤和記錄Web服務過程，共同形成狀態集;推理機構體現了Agent的思維方式，與知識庫交互形成知識積累循環，具有分析和決策的能力。

執行模塊在控制模塊的引導下，產生動作集，它是一組行動序列，體現Agent的行為能力，改造外部環境。

通過對以上Agent內部結構的分析，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，是環境感知器、服務接收器和交互界面收集的信息集合，一般以消息的形式發送;St表示狀態集，是Agent自身內部狀態和服務狀態的集合，體現Agent的狀態控制;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表示任務集，體現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;Act表示動作集，由執行模塊操作;Env表示周邊環境，由其他協同Agent和對象組成。

在面向具體任務，不同的Agent可采用以上通用的基本結構，但具體內容各不相同，可形成不同功能的Agent群。Agent具有自我學習的能力，隨著與環境的交互，其求解能力也逐漸增強。

4 應用實例

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

(1)數據層上支持物理上分布的數據源和邏輯上集成的數據訪問。

(2)業務層上支持多任務并行和協同。

(3)界面層上支持多用戶多種交互方式。

(4)知識層上支持多學科多領域知識集成。

(5)應用層上支持多種協同工具。

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

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

(2)根據輸入條件，產品CBR智能體向相似度計算Agent請求相似度計算，相似度計算Agent自身可調用相似度算法Web服務，并從PDM的產品智能體獲取產品實例Web服務，產生相似度結果，返回給產品CBR智能體。其中相似度計算Agent也可提供相似度算法服務給外部系統。

(3)產品CBR智能體根據相似度和相關規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要求傳遞給零部件CBR智能體。

(4)零部件CBR智能體從PDM的產品智能體獲取產品結構服務，從零部件智能體獲取零部件分類和屬性Web服務，并向相似度計算Agent請求相似度計算，后者調用PDM中的零部件實例數據，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參數化設計流程。參數化智能體從PDM中獲取參數化模板和相關數據服務，可與用戶交互進行參數化設計。

(6)無相似實例的進入零部件設計智能體，可與用戶交互進行新產品設計流程，其中也可獲取PDM中相關數據和設計知識服務。

5 結論

基于Web服務的多Agent分布式協調策略，結合Web服務的松耦合性和Agent的自治性，使服務接口和具體的業務邏輯明確分離，便于構建支持分布式、異構化和智能化的協同開發環境;結合PDM平臺，可獲取有效的產品數據支持，滿足現代產品開發對協同環境和數據管理的需求。

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