基于層次化模型的多智能體系統設計方法

周超然，張昕，趙建平

（長春理工大學計算機科學技術學院，長春 130022）

基于層次化模型的多智能體系統設計方法

周超然，張昕，趙建平

（長春理工大學計算機科學技術學院，長春 130022）

在開展系統設計時，系統的內在結構和行為特性使其自身呈現出顯著的不確定性，進而造成系統控制難度的提高。在此條件下，當系統面臨結構、行為或功能的變動時，會導致其在特定場景下產生設計期望之外的行為表現，引發系統局部甚至是全局失能，進而加劇了系統控制的復雜度。出于上述考慮，基于提出的用于分析系統引入變動產生響應的模型框架，針對產品開發項目過程開展層次化的系統建模，圍繞用以表征系統行為特性的直接參數開展對系統引入變動后產生反饋效應的分析，提供對系統設計過程管理的改進。在此基礎上，提出基于智能體技術的計算機輔助分析技術方案，為系統設計過程中的變動因素識別及效應追蹤提供技術基礎。

系統設計；層次化分析；智能體技術

隨著技術的不斷進步，各類產品系統的設計復雜度也在相應提高，對于設計過程而言，需要合理引入改進以推動系統解決方案的演進，從而保持和提升系統的可用性、適用性。在上述過程涉及到的多個知識領域中，如何應對系統設計方案的變動以推動其演進是重要的研究課題。在產品系統設計過程中，能夠有效地開展對系統變動因素的識別以及相關特性的分析，對于驅動系統設計實現創新具有重要意義。在此基礎上，通過對引入變動產生效應的感知和跟蹤，能夠進一步輔助改進產品系統設計的過程管理，實現在時間、成本、質量等多方面約束條件下對產品系統設計開發的有效控制和管理。

1 相關研究工作

根據Browning提出的定義，產品開發項目指的是從定義一個技術或市場機遇至產品開始量產的進展過程，其間要執行完成大量涉及多個知識領域的項目事務［1］。基于由Pimmler等人提出的集成分析方法［2］以及電子工業聯盟提出的用于系統重構的項目規劃建模方法［3］，Browning等人通過分析產品開發項目管理流程及特點，將產品開發項目建模為五個相關子系統構成的整體［1］，五個子系統包括目標子系統，過程子系統，產品子系統，工具子系統以及組織子系統，分別涵蓋了產品開發項目的多個知識領域，為其他基于特定目標開展的產品開發項目建模和分析提供了理論基礎。在系統理論的支持下，上述產品開發項目的系統化模型可被進一步細化。

在開展系統建模的基礎上，智能體技術能夠支持對所構建模型中各子系統的行為以及交互實現模擬，以反映系統在引入變動后可能表現出的響應，為調整系統設計方案提供一定的靈活性［4］。通過構建多智能體系統，得以觀察和分析智能體在各類場景中的表現，輔助分析變更事件發生及其效應傳播的特點，從而為后續開展變更事件效應傳播的模擬、預測提供基礎條件。

2 系統建模過程及變更效應分析

首先開展對產品開發項目的層次化系統分析，基于直接參數的概念實現對產品開發項目各類組成要素的識別，進而構建獲得分析產品開發項目和觀察變更事件的系統模型。基于對變更事件的廣義理解，變更事件的發生會導致目標系統相較其初始性能狀態發生偏移。本文對偏移效應進行細分，結合變更事件效應傳播的場景，為定義智能體及其交互關系提供依據。在此基礎上，設定配置智能體的行為，完成對多智能體系統的構建。

2.1 產品開發項目的層次化系統模型

考慮到產品開發項目的復雜性，采用層次化分解的方式對其開展系統建模。根據Zolghadri等人提出的產品及合作關系網絡同步進化模型［5］，首先將產品開發項目建模成為由三個關鍵知識領域構成的交互系統：

（1）產品設計及開發管理領域：該領域涵蓋了產品要素經過設計開發過程實現聚合并形成產品設計方案的管理內容。

（2）供應鏈合作關系管理領域：該領域涵蓋了產品開發項目過程中供應鏈合作伙伴參與產品設計方案演進過程并通過提供相應的技術/服務解決方案達成共同業務目標的管理內容；

（3）項目過程管理領域：該領域涵蓋了項目過程中面向時間、預算以及質量等約束條件實施的管理內容。

上述三個領域存在顯著的協同性，其間存在的潛在關聯能夠傳播變更事件效應，具備支持分析和跟蹤變更事件效應傳播的基礎條件。

給定上述關鍵知識領域，基于系統論、系統工程方法以及Magee等人提出的工程系統分類識別方法開展單一領域內的系統化建模［6-8］。以關鍵知識領域起點，通過分析其作用以及多領域之間的關聯關系，進而將產品開發項目建模為由七個子系統聚合形成的系統集合。

其中，對應產品開發項目的關鍵知識領域推導得出三個基礎核心子系統，分別是：

（1）產品子系統：封裝表達了伴隨項目過程持續演進的產品設計方案；

（2）合作伙伴子系統：封裝表達了供應鏈中各合作伙伴基本情況及項目參與角色；

（3）項目過程子系統：封裝了項目過程中各類事務及其資源和約束。

基于基礎核心子系統的關聯和交互，可推導得出四個衍生子系統：

（1）工具子系統：封裝了產品設計開發過程中用以推動產品演進的知識/經驗；

（2）業務子系統：封裝了產品設計開發過程中為獲得階段性成果所制定的流程以及相應約束；

（3）機構子系統：封裝了開展各項業務所需的人力資源、軟硬件資源配置方案和各類參與角色及其相互關系

（4）目標子系統：封裝了產品設計開發過程中伴隨產品設計方案演進所設定的階段目標以及評價指標。

持續對上述建模獲得的子系統開展分析，采用直接參數作為定性定量刻畫給定系統在相應條件下表現響應行為和基本屬性的手段。直接參數是由參數標識和參數取值構成的序對，前者用于表述選定的系統屬性，后者以量化方式表征相應屬性的性能指標。以此方式，在開展上述針對子系統的持續建模過程中，當給定子系統在建模劃分中表現的粒度能夠通過確定個數的直接參數進行表達時，則認定上述系統化建模過程完成。在此，將采用上述建模過程最終推導獲得的個體稱為終態對象，并且該終態對象的粒度至多與上述衍生子系統持平。層次化系統建模方法框架如圖1所示。

圖1 層次化的系統建模方法框架

上述建模過程得以采用統一形式特征的終態對象及其聚合關系實現對產品開發項目的系統化表達。

2.2 變更事件及其效應傳播的識別與分析

給定單一的終態對象，其直接參數刻畫了對應的屬性特征，并由屬性特征表達了該對象具備的單項性能表現。當直接參數取值超出預設的有效區間時，則認為其對應的屬性特征可能無法達到相應的性能表現。據此，我們將變更事件進一步表述為“由于引入變動產生偏移效應使直接參數的重新取值無法保證對應性能表現符合預設期望的現象”。

根據上述對變更事件的表述，引入變動產生偏移效應所引發的后果分為以下三種類型：（1）容許偏移：直接參數的取值變化在其預設的可行區間之內，該情況下變更事件處于已有的認知和可管理范圍之內，無需采取應對；（2）常規變更事件：直接參數的取值變化超出了預設的可行區間，但新的參數取值仍可保證對應屬性的正確表達；（3）失能變更事件：直接參數的取值變化超出了預設的可行區間，并且新的參數取值已無法保證對應屬性的正確表達，該情況下引發的變更事件已超出系統認知范圍或可管理范圍，無法采用預設的變更管理過程實現應對，進而造成所在系統可能不滿足項目進展的相關約束。

由上述變更事件類型，給定具備關聯的兩個終態對象（分別標識為起始對象和傳導對象），變更事件效應傳播則呈現如下場景：

（1）起始對象的容許偏移引發傳導對象的容許偏移，此種場景反映了產品設計方案的系統動力學特征，不在本文對變更事件效應分析的范圍內，故不對其作進一步討論；

（2）起始對象的容許偏移引發傳導對象的常規變更事件；

（3）起始對象的容許偏移引發傳導對象的失能變更事件；

（4）起始對象的常規變更事件引發傳導對象的容許偏移；

（5）起始對象的常規變更事件引發傳導對象的常規變更事件；

（6）起始對象的常規變更事件引發傳導對象的失能變更事件。

2.3 面向效應傳播的系統流程

通過分析上述識別得出的五種變更事件效應傳播場景，參考其涉及的變更事件類型和特點，識別得出變更事件效應傳播呈現以下演進情況，具體描述如表1所示。

表1 變更事件效應傳播的演進

表1中闡述的變更事件隨效應傳播產生的演進情況，為定制變更管理策略提供了依據。其中，衰減的演進情況提供了利用系統設計自身實現變更應對進而持續保證產品開發項目按既定目標進展的解決方案，是在產品設計中成功融入設計可變性的具體體現；傳導的演進情況反映了變更事件效應傳播的普遍性以及變更管理與系統設計方案的相關性；加劇的演進情況反映了產品開發項目中為實現產品設計創新可能面臨的問題和風險，需要在變更管理中通過具體措施弱化或避免此類變更事件效應傳播。

3 多智能體系統建模及設計方案

通過層次化系統建模過程識別獲取的終態對象用于觀察和分析變更事件的發生和效應傳播。對應單個終態對象構建基本的智能體，用以收集引入的直接參數取值偏移效應、識別變更事件發生、跟蹤變更事件效應傳播以及分析變更事件發生的后果影響。

3.1 智能體識別與構建

在對應單個終態對象構建基本智能體的基礎上，為實現動態的變更事件識別、分析，另外構建了其他輔助智能體。本文中，識別創建的智能體類型具體包括：

（1）系統結構智能體：該智能體對應建模過程中識別獲得的終態對象，在后續構建的多智能體系統中存在多個此類智能體，體現了系統模型的結構化特性；

（2）控制臺輔助智能體：該智能體按照預設參數構建和激活其他智能體；

（3）效應傳播輔助智能體：該智能體基于預設的系統結構智能體之間邏輯關系，為變更事件效應傳播提供路由參數；

（4）變更事件生成輔助智能體：該智能體根據預設參數向系統結構智能體引入變更事件；

（5）變更事件效應評估輔助智能體：該智能體在多個系統結構智能體協調應對變更事件情況下，提供綜合的變更事件效應評估服務，以實現系統層面的變更管理策略。

上述智能體的邏輯交互關系如圖2所示。

圖2 智能體邏輯交互關系

在上述類型智能體中，控制臺輔助智能體通過多智能體系統的配置被構建激活，其他類型智能體則由控制臺輔助智能體根據預設的系統模型相應創建并在特定條件下予以激活。效應傳播輔助智能體是控制臺輔助智能體激活運行后創建的第一種智能體，其根據預設的產品開發項目系統模型規格，構建保存反映系統結構智能體之間的邏輯關系以及基于此生成的變更事件效應傳播路由參數。在創建激活效應傳播輔助智能體后，控制臺輔助智能體按照前者提供的系統結構智能體規格，依次創建激活系統結構智能體，并使其保持與效應傳播輔助智能體的交互。之后，控制臺輔助智能體創建并激活變更效應評估輔助智能體，并將后者的具體參數廣播知會已創建的系統結構智能體，以配置變更事件效應評估機制，為后續開展變更事件效應分析建立條件；當所有系統結構智能體完成初始化并進入就緒狀態后，控制臺輔助智能體創建并激活變更事件生成輔助智能體，后者將根據預設參數以及用戶交互請求生成變更事件，并相應地引入到選定的系統結構智能體。

3.2 技術框架及系統設計方案

由上述各類型智能體組成的系統采用多層架構進行部署，以有效降低多智能體系統的管理復雜度如圖3所示。多層架構主要包含：

圖3 多智能體系統的多層架構

（1）數據層：該層封裝了層次化產品開發項目系統模型的數據抽象，為多智能體系統的運行提供數據管理支撐；

（2）網絡層：該層封裝了智能體之間的通信規則以及邏輯通路，用以為變更事件效應傳播提供交互通道；

（3）操作層：該層封裝了智能體交互的行為規則，以支持各類場景下的變更事件效應生成及演進的實現；

（4）展示層：該層封裝了用于展示智能體交互及數據信息反饋的可視化方法，用以向用戶提供變更事件效應生成及演進效果表達。

在本文的研究工作中，根據多智能體系統的設計方案，采用“JADE（全稱為Java Agent Development Framework）”開源開發框架實現對多智能體系統軟件原型的搭建，并相應配置了各類型智能體的行為規則，實現了對變更事件發生及其效應傳播的模擬及展示如圖4所示，其中構建了6個具備邏輯關聯的系統結構智能體以及其他相關的輔助智能體，主要用于驗證多智能體系統設計方案的可行性以及各類型智能體行為規則的合理性和有效性。

通過對多智能體系統的運行驗證，證實了上述技術設計方案具備可行性以及建模過程中推導得出的變更事件效應傳播演進情況。另外，通過對系統運行日志的分析發現，產品開發項目的系統模型中如存在邏輯關系環路，則相應變更事件效應傳播存在較高的失能風險，在開展變更管理過程中，應對所涉及的終態對象以及相關子系統進行重新評估和構建。

圖4 多智能體系統軟件原型運行效果

4 結語

本文面向產品開發項目構建了層次化的系統模型，實現了迭代式的系統建模分析過程以識別獲得基于直接參數表征的終態對象，并以此作為開展變更事件及其效應傳播分析的客觀載體。以此為基礎，提出了用于變更事件效應分析的多智能體系統設計方案，初步建立了基于智能體技術的軟件原型，用以輔助開展變更管理。在接下來的研究工作中，我們將細化對各類型智能體行為規則的配置，開展基于直接參數取值特征的變更事件處理方法研究，并改進多智能體系統的實現，使其具備更接近實際場景的變更事件效應模擬性能，為開展變更管理提供技術解決方案。

［1］Browning T R，Fricke E，Negele H.Key concepts in modeling product development processes［J］.Systems Engineering，2006，9（2）：104-128.

［2］Pimmler T U，Eppinger S D.Integration analysis of product decompositions［J］.1994，68（1）：343-351.

［3］American National Standards Institute and ElectronicsIndustriesAssociation.EIA/IS-632：Systems Engineering［R］.Arlington，1994.

［4］Macal C M，North M J.Tutorial on agent-based modeling and simulation［C］.Proceedings of the 37th conference on Winter simulation.Winter Simulation Conference，2005：2-15.

［5］Zolghadri M，Eckert C，Zouggar S，et al.A taxonomy of collaboration in supply chains［C］.17th International Conference on Engineering Design（ICED' 09），Stanford，CA，USA，2009.

［6］Alexander I F，Beus-Dukic L.Discovering requirements：how to specify products and services［M］. John Wiley&Sons，2009.

［7］MaierMW.Architectingprinciplesforsystemsof-systems［C］.INCOSEInternationalSymposium. 1996，6（1）：565-573.

［8］Magee C，De Weck O.Complex system classification［C］.International Council On Systems Engineering.2004:1-18.

Hierarchical Model-based Methodology of Multi-Agent System Design

ZHOU Chaoran，ZHANG Xin，ZHAO Jianping
（School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In a product development project，the occurred changes would bring opportunities as well as challenges simultaneously to companies.The former could encourage the company to modify or improve its product design and the other management aspects in order to keep its competitiveness in market，while the latter would lead the company into some potential dilemma in which the brought in changes could not be handled properly under various constraints and then propagates into some other worse consequences.Regarding the issues，we propose，in this paper，a hierarchical methodology of iteratively modeling product development projects.Relying on the suggested conceptual model of identifying change occurrence and propagation，we are then enabled to consider analyzing change occurrence and change propagation through investigating the characteristics of direct parameters specifying a product development project so as to inspire discovering the potential change propagation scenarios.With the established hierarchical model of product development project and the identified characteristics of change propagations，we suggest an agent-based technical solution to assistant analyzing change occurrence that could elicit identifying and tracking change propagations.In this way，the design of the multi-agent system prototype，as the theoretical and practical contribution to companies，could be employed to build up computer-aided decision making tool for better change management.

system design；hierarchical model；agent technology

TP391

A

1672-9870（2016）06-0105-05

2016-09-21

吉林省科技發展計劃國際合作項目（20150414055GH）

周超然（1994-），男，碩士研究生，E-mail：544818904@qq.com

張昕（1983-），男，博士，講師，E-mail：zhangxin@cust.edu.cn