基于ＭＡＳ的信息家電系統(tǒng)研究
2008-12-31 00:00:00張小梅
電腦知識與技術(shù) 2008年35期
摘要：在分析信息家電智能化需求的基礎(chǔ)上，該文提出一種基于MAS的信息家電系統(tǒng)模型，用Agent實現(xiàn)不同功能單元的控制與管理，通過MAS技術(shù)的思想，方法和體系建立信息家電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并給出了該模型的理論基礎(chǔ)，對系統(tǒng)中各種Agent進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：信息家電系統(tǒng)；MAS；MIAS
中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)35-2556-03
Research on an MAS-based Information Appliance System
ZHANG Xiao-mei
(Department of Computer and Information Science， Kaili College， Kaili 556000， China）
Abstract: In this paper， an Information Appliance System based on multi-agent system (MIAS) is brought up by analyzing the intelligence demand of Information Appliance. It realizes the control and management of different function units with Agent， and builds up the Information Appliance System by the thinking， method and architectures of MAS. It also provides its theory and analyzes all kinds of Agents in MIAS model.
Key words: information appliance system; multi-agent system; MAS-based information appliance system
1 引言
在2008秋季英特爾信息技術(shù)峰會上，英特爾高級副總裁帕特?基辛格發(fā)表主題演講，其演講的主題是“數(shù)字事業(yè)：信息家電＝嵌入+動態(tài)+視覺（IA = Embedded + Dynamic + Visual）。傳統(tǒng)的家用電器已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代家庭的需要，人們需要能夠自動獲取外界信息、能與其它家電協(xié)同合作并具有智能化的信息家電，因此信息家電和智能家居的出現(xiàn)與發(fā)展是未來家庭智能化發(fā)展的必然趨勢。在對信息家電功能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，用MAS技術(shù)的思想、方法和體系建立信息家電系統(tǒng)模型，把每個信息家電設(shè)備看成一個Agent，建立一個基于多Agent系統(tǒng)的信息家電系統(tǒng)來管理和操作家居中的每個信息家電設(shè)備，將會給人們的生活帶來極大的舒適和便利，信息家電能夠根據(jù)主人的習(xí)慣自動設(shè)置自己的參數(shù)，主動作出反應(yīng)。
2 信息家電系統(tǒng)MAS模型的理論基礎(chǔ)
在家居系統(tǒng)中，信息的集成為實現(xiàn)自動控制和智能管理奠定了基礎(chǔ)，利用MAS技術(shù)建立信息家電管理和控制模型，將對提高系統(tǒng)的整體性能，優(yōu)化系統(tǒng)管理起到關(guān)鍵作用。首先，一個信息家電系統(tǒng)MAS模型可用以下6元組表示:
其中：Agents是信息家電環(huán)境中存在的Agent集合
Structure是Agent的組織結(jié)構(gòu)，可表示為{StruTree， Relations}， StruTree是多Agent按一定原則建立起來的樹形結(jié)構(gòu)，在信息家電環(huán)境中由于Agent之間存在著差異，體現(xiàn)出一種等級性，具有較強(qiáng)能力的Agent往往處于較高級別，而具體執(zhí)行任務(wù)Agent(如信息家電設(shè)備Agent)一般處于下層。Relations是Agent之間某些固有的聯(lián)系，有約束、依賴和聯(lián)合等，這是由具體的信息家電環(huán)境所決定的。
Environment是MAS所處的支撐環(huán)境，對于很多Agent，環(huán)境是它們所感受到的外界刺激的刺激源，也是它們行為的作用對象，在與環(huán)境的作用過程中可以獲取知識實現(xiàn)學(xué)習(xí)功能。所以可以將環(huán)境動態(tài)定義為刺激產(chǎn)生器、知識提供者與行為作用體的組合:
Environment=def Receive agenti(t，s)|Effect agentj(t，f)|ProvideKnowledge(x，k)
Receive agenti(t，s)表示Agenti在t時刻從環(huán)境中接收到刺激s， Effect agentj(t，f)表示Agentj在t時刻對環(huán)境產(chǎn)生作用f， ProvideKnowledge(x，k)表示Agent從環(huán)境中學(xué)習(xí)到關(guān)于x的知識k。
CommonSense是指常識，也就是系統(tǒng)中各個Agent都知道的知識，常識不僅要為Agent指出確切的含義，還要為Agent提供方便的引用手段，這涉及到系統(tǒng)中本體與方法庫的建立。
CooperationCriterion是多Agent協(xié)作規(guī)范，可為Agent協(xié)作提供支持的知識庫與協(xié)作行為約束規(guī)范。主要幫助Agent理解任務(wù)，實現(xiàn)有效任務(wù)分解，建立合法的多Agent協(xié)作關(guān)系，提供任務(wù)沖突等意外情況的解決辦法。可表示為:
CooperationCriterion=defTaskDispatch(Ti，Aj，b)|TaskSchedule(t)lTaskExecute(Ti， Aj)
其中TaskDispatch(Ti，Aj，b)表示將i個子任務(wù){(diào){t1， ...ti}分配給j個Agent{Ai，.... Aj}執(zhí)行，有可能存在一個Agent執(zhí)行不只一項子任務(wù)的情況，也有可能幾個Agent共同完成一項子任務(wù)的情況，所以i不一定與j相等，b為子任務(wù)之間的約束關(guān)系。TaskSchedule(t)表示對任務(wù)t的規(guī)劃，特別是任務(wù)對于空間與時間序列上的特殊要求。TaskExecute(Ti， Aj)表示Agent具體任務(wù)的執(zhí)行。
BehaviorCriterion是多Agent的公共行為規(guī)范，對各Agent的功能職責(zé)，行為約束關(guān)系實現(xiàn)公共約定。
基于MAS的信息家電系統(tǒng)模型可根據(jù)家居設(shè)備的不同功能單元分別由一個或多個Agent實現(xiàn)其智能管理。由于Agent除了能夠完成一定功能之外，還應(yīng)該具有與其它Agent通信與協(xié)作的能力，所以對于每一硬件實體都應(yīng)具有一個軟件部分來實現(xiàn)與其它Agent的聯(lián)系，這一軟件部分可以是設(shè)備自身所具有的，也可以利用其它設(shè)備代理它實現(xiàn)這一功能，而它們之間可以用更為簡單的方式傳遞所必需的信號。不管以何種方式實現(xiàn)，我們將功能執(zhí)行部分與交互實現(xiàn)部分合起來作為一個完整的Agent，這并不影響系統(tǒng)的整體實現(xiàn)，只是具體實現(xiàn)方法的技巧問題。
根據(jù)信息家電系統(tǒng)的特點，可以存在三種形式的Agent，即物理Agent、軟件Agent和人類Agent(即用戶)。家庭中各種設(shè)備都可以作為物理Agent加入系統(tǒng)之中，當(dāng)然還需要代表設(shè)備實現(xiàn)與系統(tǒng)交互的軟件代理；軟件Agent主要包括各種實現(xiàn)一定功能的軟件單元(如家庭財務(wù)管理系統(tǒng)等)；人可以通過各種接口或界面實現(xiàn)與系統(tǒng)的互動，可以實現(xiàn)系統(tǒng)中決策和控制的功能，所以人也可以作為一種特殊的Agent納入系統(tǒng)之中。這三種類型的Agent同時存在、協(xié)同工作，以實現(xiàn)信息、控制和管理的全面集成。
3 MIAS的構(gòu)建
基于以上理論和信息家電智能化需求，本文提出一種基于多Agent系統(tǒng)的信息家電系統(tǒng)（MAS -based Information Appliance System， MIAS）模型。該模型包括家庭網(wǎng)關(guān)Agent、用戶界面Agent、移動Agent、自動控制Agent、功能Agent、其他Agent、家電設(shè)備Agent、安防設(shè)備Agent、教育/娛樂Agent、灌溉設(shè)備Agent和照明設(shè)備Agent十一個部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在MIAS的體系結(jié)構(gòu)中，家庭網(wǎng)關(guān)Agent不僅是連接器，而且具有某些管理職能。其主要負(fù)責(zé)： 1) 傳遞Agent間的請求及響應(yīng)，并為它們建立通信連接； 2) 協(xié)調(diào)Agent間的合作；3) 協(xié)助智能家居中其它代理Agent提供的服務(wù)。家庭網(wǎng)關(guān)具有一般Agent的各種特征，但它又具有獨特的個性，如：
1) 網(wǎng)關(guān)Agent除了其特有的私有知識外，還包含MIAS的公共知識；
2) 網(wǎng)關(guān)Agent所提供的服務(wù)一方面用來管理MIAS中的Agent，另一方面為Agent間建立通信連接，并協(xié)調(diào)Agent間的行動，即規(guī)定多Agent的公共行為規(guī)范。
3) 網(wǎng)關(guān)Agent實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接和家庭網(wǎng)絡(luò)的全局控制。
用戶界面Agent實現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交互功能，與用戶交互過程中，界面Agent可以設(shè)計為具有學(xué)習(xí)和記憶功能，對用戶的習(xí)慣進(jìn)行學(xué)習(xí)，最終可以自主的實現(xiàn)符合某一用戶習(xí)慣的信息家電環(huán)境設(shè)置。
家電設(shè)備Agent，即信息家電中各個設(shè)備都對應(yīng)一個設(shè)備Agent，代表設(shè)備完成設(shè)備之間以及設(shè)備與家庭網(wǎng)關(guān)之間的信息交互。通過各個設(shè)備Agent以及系統(tǒng)中的其它Agent可實現(xiàn)對信息家電設(shè)備從安裝，使用，維護(hù)到撤除這一整個生命周期內(nèi)的管理。
移動Agent可用來實現(xiàn)代碼移動，網(wǎng)絡(luò)資源搜索，遠(yuǎn)程交互，用戶個人助理等功能，一個移動Agent應(yīng)用的經(jīng)典例子是移動Agent存放于用戶的移動設(shè)備中，當(dāng)用戶移動到一定環(huán)境中時，移動Agent通過無線方式進(jìn)入當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)，代表用戶與當(dāng)?shù)叵到y(tǒng)談判、接洽和搜索有用信息，在實現(xiàn)目標(biāo)后返回，并通知用戶結(jié)果，當(dāng)然這一功能的實現(xiàn)還有待于客觀條件的成熟。
教育/娛樂Agent是一種根據(jù)用戶需求建立的Agent，可以提供遠(yuǎn)程教育或互動游戲娛樂。
自動控制Agent是在無人管理的情況下，實現(xiàn)家居系統(tǒng)的監(jiān)測、自動控制和緊急情況處理的Agent，是家居自動化管理的核心。
這里我們只示意了MIAS中各Agent粗粒度的劃分，這些Agent具有較高的等級，能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的功能，可以對低級的設(shè)備Agent具有協(xié)助和管理的功能。
信息家電系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，我們按照不同的功能單元將信息家電系統(tǒng)分成了幾個部分，它們以家庭網(wǎng)關(guān)為核心，形成了松散的聯(lián)合體系。這些按功能組成的應(yīng)用系統(tǒng)可分為信息家電設(shè)備、家庭照明設(shè)備、家庭娛樂設(shè)備、家政安防設(shè)備、自動灌溉設(shè)備、家庭事務(wù)管理和Internet接入和遠(yuǎn)程服務(wù)等等。
1) 信息家電設(shè)備：在信息家電系統(tǒng)中，信息家電設(shè)備一般作為獨立的功能單元存在，但同時也具有通信和遠(yuǎn)程控制的功能，這是智能控制和系統(tǒng)集成的必要條件。
2) 家庭照明設(shè)備: 根據(jù)用戶的活動實現(xiàn)燈光的自動控制以及根據(jù)命令設(shè)置合適的燈光效果，將會營造更好的家居環(huán)境。
3) 數(shù)字設(shè)備管理及人機(jī)界面：這一部分是家庭數(shù)字設(shè)備的集合，如PC，筆記本、PDA和打印機(jī)等，很多設(shè)備都具有很強(qiáng)的數(shù)字處理和信息存儲功能，用戶可以用來實現(xiàn)很多用途，如工作、學(xué)習(xí)、網(wǎng)頁瀏覽、信息查詢、并能進(jìn)行各種設(shè)置，有的設(shè)備可以作為圖形界面實現(xiàn)對家庭網(wǎng)關(guān)的操作，并能夠通過它來實現(xiàn)各種信息家電設(shè)備的控制功能。其中聲音提示和語音命令將是一種很有前途的技術(shù)，會更加適合人們的行為習(xí)慣，但是實現(xiàn)有較大的難度。
4) 家庭娛樂設(shè)備：以聲像為主的家庭娛樂設(shè)備是家庭中不可或缺的重要組成部分，數(shù)字電視機(jī)、DVD、音響系統(tǒng)、數(shù)碼攝像機(jī)和錄像機(jī)等構(gòu)成了娛樂系統(tǒng)的主要部分，同樣，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)它們的數(shù)據(jù)傳輸和自動控制，也會為使用者帶來很大的方便。
5) 家政安防設(shè)備：它是家庭中新興的一個重要部分，利用各種傳感器技術(shù)實現(xiàn)信息的采集和家居環(huán)境的監(jiān)測，完成防盜、防火、防煤氣泄漏、防地震、玻璃破碎報警和緊急求救等功能。在這里，三表數(shù)據(jù)采集也加入在其中，但要實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表功能還要依靠運營商的具體方案。
6) 自動灌溉設(shè)備：對于家庭中的花卉綠色植物，自動灌溉系統(tǒng)將會起到重要作用，尤其是對于沒有充足時間照顧它們的人們，可以從繁雜的事務(wù)中解脫出來，集中精力與重要工作。
7) 家庭事務(wù)管理： 這一系統(tǒng)管理是人們的日常生活各種細(xì)節(jié)，各種家庭事務(wù)、日程安排、定時提醒、決策支持、家庭食譜以及健身計劃等等。
8) Internet接入和遠(yuǎn)程服務(wù)：信息家居的一個重要功能就是實現(xiàn)與外界網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的交互，是人們可以進(jìn)行信息獲取、電子購物，信息家電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程診斷，遠(yuǎn)程醫(yī)療等等。
以上列出了信息家電系統(tǒng)的幾個功能單元，功能單元并不是封閉的系統(tǒng)，不同功能單元的設(shè)備之間是會直接或者間接地建立各種聯(lián)系，也可以重新組合為新的功能單元，尤其是對于具有很多用途的信息家電設(shè)備。而且隨著技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，家居的一體化發(fā)展趨勢已經(jīng)初見端倪，海爾在“2002 International CES”上向人們展示了可接入網(wǎng)絡(luò)的冰箱、空調(diào)、微波爐、洗衣機(jī)等一大批網(wǎng)絡(luò)信息家電。海爾櫥柜在國產(chǎn)櫥柜里也比較領(lǐng)先，尤其是“櫥電一體化”的開創(chuàng)，更是大大推動了整個櫥柜行業(yè)的進(jìn)步，這種局部的應(yīng)用集成對于推進(jìn)家居向整體化方向發(fā)展將起到積極的促進(jìn)作用。按照功能將信息家電系統(tǒng)劃分成不同的部分，將有利于我們建立信息家電系統(tǒng)MAS模型。
4 結(jié)束語
本文討論了MAS技術(shù)在信息家電系統(tǒng)中應(yīng)用，設(shè)計了一個實用性很強(qiáng)，綜合全面的基于MAS的信息家電系統(tǒng)模型，側(cè)重分析了它的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)中的各種Agent。改系統(tǒng)模型能實現(xiàn)對信息家電設(shè)備的有效管理，而且系統(tǒng)具有開發(fā)和設(shè)備協(xié)作等特點，適應(yīng)信息家電系統(tǒng)分布和個性化的要求。下一階段，我們將進(jìn)一步研究基于該體系結(jié)構(gòu)的多Agent間的合作及協(xié)作協(xié)議等，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)一個面向MIAS的軟件開發(fā)環(huán)境。
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