基于Swarm平臺(tái)的Agent建模仿真探討

王昊 劉濤 孫思遠(yuǎn)

摘 要：基于Agent建模思想來(lái)源于在建立和分析人類社會(huì)中交互模型和理論方面，MAS可以扮演重要的角色。本文首先探討了基于Agent建模的思想，其次從建模仿真平臺(tái)Swarm入手，從Swarm的設(shè)計(jì)思想、建模方法和體系結(jié)構(gòu)方面對(duì)Agent建模方法進(jìn)行系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：Agent；Swarm平臺(tái)；體系結(jié)構(gòu)

1 基于Agent建模的思想

Agent能夠模擬人類的行為，具有智能型、社會(huì)性、適應(yīng)性等人類特性。隨著信息基礎(chǔ)設(shè)施的建立和完善，人們對(duì)應(yīng)用的要求越來(lái)越高。高智能、網(wǎng)絡(luò)化、高可靠性和快速適應(yīng)能力成為系統(tǒng)所追求的目標(biāo)[1]。而這一目標(biāo)正好和Agent的特點(diǎn)相吻合。從而加速了Agent的應(yīng)用研究。

人們將Agent作為系統(tǒng)基本的抽象單位，然后賦予Agent一定的功能，然后將多個(gè)Agent設(shè)置具體的交互模式，從而得到相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)模型[2]。首先，Agent是一個(gè)自治的計(jì)算機(jī)實(shí)體，它可以通過(guò)感應(yīng)器來(lái)感知環(huán)境，并通過(guò)效應(yīng)器作用于環(huán)境。其次，智能。Agent具有智能，并不是指它是全知全能的，而是說(shuō)Agent在變化的過(guò)程中靈活且理性的工作，具有感知和作用的能力。最后，交互。交互是指Agent可以被其他為追求自己子目標(biāo)而執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的Agent所影響。

2 Swarm的設(shè)計(jì)思想

組成Swarm的程序大部分是用ObjectiveC語(yǔ)言編寫的類庫(kù)，因此用戶可以在自己的仿真程序中應(yīng)用、擴(kuò)展這些類庫(kù)。目前在復(fù)雜系統(tǒng)研究領(lǐng)域中，被廣泛推薦和采用的是基于SantaFe研究所研制的Swarm平臺(tái)的Agent建模和開(kāi)發(fā)工具。這不僅因?yàn)镾warm是一個(gè)免費(fèi)工具，更因?yàn)镾warm具有很好的適應(yīng)性，可以得到平臺(tái)研發(fā)人員和使用人員的不斷改進(jìn)。Swarm的目的是為復(fù)雜性的研究人員提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、可靠軟件工具集，并且提供了用于多Agent系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行和分析的工具，用于那些具有分布仿真體系結(jié)構(gòu)特征的各種復(fù)雜系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)。

3 Swarm的建模方法

Swarm的建模思想是把一個(gè)個(gè)體封裝起來(lái)。一個(gè)“Swarm”代表一個(gè)個(gè)體的集合和他們的行為時(shí)間表。Swarm中的模塊化和組件思想允許建立一個(gè)靈活的模型系統(tǒng)。Swarm可以嵌套，可以直接表示多層模型，而且它們可以被個(gè)體用作自身環(huán)境的模型。多層次的建模方法可以提供強(qiáng)大的表達(dá)能力。Swarm允許用戶完整地建立和測(cè)試多層模型。Swarm可以明確地表達(dá)一個(gè)自然的結(jié)構(gòu)，即把一組個(gè)體緊密地聯(lián)系起來(lái)，就像一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體。由于Swarm可以在仿真運(yùn)行的過(guò)程中建立和釋放，所以它可以用來(lái)建立描述多層次動(dòng)態(tài)出現(xiàn)的模型。

Swarm平臺(tái)就是基于Agent的建模工具，其建模方法是從底向上，先構(gòu)建每個(gè)實(shí)體Agent，再將這些Agent組裝起來(lái)形成整個(gè)系統(tǒng)的模型。在Swarm平臺(tái)上，Swarm是基本構(gòu)件，一個(gè)Swarm就是一個(gè)Agent，這時(shí)Agent通過(guò)規(guī)劃技術(shù)來(lái)安排自己的行為；也可以認(rèn)為一個(gè)Swarm是某個(gè)組織，由多個(gè)Agent居于其中，這時(shí)Swarm可用規(guī)劃技術(shù)來(lái)對(duì)這些Agent的行為進(jìn)行規(guī)劃。

4 Swarm的體系結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)構(gòu)

Swarm仿真的基本單位是個(gè)體。每一個(gè)個(gè)體就像系統(tǒng)中的一個(gè)演員，他們可以產(chǎn)生動(dòng)作并影響自身和其他個(gè)體。仿真包括幾組交互的個(gè)體。個(gè)體定義了Swarm系統(tǒng)中的基本對(duì)象。一個(gè)時(shí)間表規(guī)定了這些對(duì)象獨(dú)立事件發(fā)生的流程。在Swarm中特定的行為發(fā)生在特定的時(shí)間，行為的發(fā)展按照時(shí)間表的規(guī)定進(jìn)行。時(shí)間表是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包括各事件的執(zhí)行順序。

除了作為個(gè)體的容器外，Swarm自身也可以是個(gè)體。一個(gè)典型的個(gè)體是一個(gè)包括一系列規(guī)則、反應(yīng)和刺激的模型。但是一個(gè)個(gè)體自身也可以作為一個(gè)Swarm，即一個(gè)對(duì)象的集合和動(dòng)作的時(shí)間表。在這種情況下，一個(gè)個(gè)體的行為可以由它的Swarm中個(gè)體表現(xiàn)的現(xiàn)象來(lái)定義。

如果僅有一個(gè)運(yùn)行的模型是沒(méi)有什么用處的，系統(tǒng)還必須能觀察模型的活動(dòng)。在Swarm中，這時(shí)通過(guò)觀察器（Observer）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。觀察器是一個(gè)特殊的對(duì)象，可以通過(guò)探測(cè)器接口觀察其他個(gè)體，并建立一個(gè)時(shí)序圖來(lái)跟蹤其動(dòng)態(tài)變化。觀察期個(gè)體也是一個(gè)Swarm，包括一個(gè)個(gè)體和一個(gè)行為時(shí)間表。通過(guò)將一個(gè)Swarm和作為觀察器的子Swarm合并起來(lái)，一個(gè)單純的，只包含自身。也就是說(shuō)，一個(gè)Swarm仿真程序中包括一個(gè)Swarm Model構(gòu)件和一個(gè)Observer Swarm構(gòu)件。Swarm Model就是系統(tǒng)模型，包含有所有Agent和作為容器的子Swarm，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)例化。Observer Swarm包括Swarm Model，并為Swarm Model 的動(dòng)作提供了空間和時(shí)間環(huán)境，同時(shí)根據(jù)要求對(duì)模型進(jìn)行可視化操作（GUI接口）。

模型運(yùn)行時(shí)，Swarm作為一個(gè)虛擬機(jī)，Swarm的內(nèi)核執(zhí)行模型和GUI時(shí)間，操作系統(tǒng)與Swarm內(nèi)核進(jìn)行互換，而計(jì)算機(jī)的CPU執(zhí)行來(lái)自操作系統(tǒng)的程序指令，如圖1所示。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔣國(guó)瑞.《多Agent制造業(yè)供應(yīng)鏈管理》.科學(xué)出版社，2013年.

[2]倪建軍.《復(fù)雜系統(tǒng)多Agent建模與控制的理論及應(yīng)用》.電子工業(yè)出版社，2011年.