基于工作流與Agent技術的選課系統研究

摘要： 將工作流技術與Agent技術相結合用于選課系統的研究，充分利用工作流靈活性、軟件重用和異構軟件的集成特點，發揮Agent技術自組織、自學習和協同分配任務的能力。將多Agent工作流管理系統進行實例應用，設計了一個智能選課系統模型，協調系統中不同角色人員的不同活動，盡量避免沖突，使選課系統更加科學化、高效化、智能化和安全化。

關鍵詞： Agent； 選課系統； 工作流； 產生式規則； 推理

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228(2012)10-34-04

引言

隨著計算機應用能力的提高，人們對軟件的功能提出了越來越高的需求，這些需求推動了軟件工程的發展。在軟件開發的早期，人們利用功能分解的方法開發程序，后來又出現了結構化和面向對象的方法，這些方法都提高了軟件的生產效率。但是，隨著軟件的復雜程度、并行程度的提高，傳統的面向對象的方法顯現出一定的局限性，人們開始將Agent思想運用到軟件工程中。Yoav Shoham早在1993年就提出了Agent-oriented programming(AOP)。Agent是一種特殊的對象，因此，面向Agent技術是面向對象的軟件工程的一個特例，它并不是完全不同于面向對象技術的一套新方法，而是對面向對象技術的發展，它被譽為“軟件開發的又一重要突破”。

本文利用面向Agent的軟件開發方法，結合軟件工程的基本思想、原理和原則設計系統模型；同時將工作流技術與Agent技術相結合，設計多Agent工作流管理系統模型；對選課系統進行實例化，有效地協調系統中不同角色人員的不同活動，盡量避免沖突，使選課系統更加科學化、高效化、智能化、安全化。

1 Agent和工作流基本概念

Agent技術源于分布式人工智能，是人工智能和計算機科學新的綜合，可用來解決復雜分布的現實問題。Agent按其應用，又分為單Agent和多Agent系統兩種。面向Agent的軟件開發方法是對基于Agent技術的軟件系統的設計和開發。Agent是具有自主性、自動性和智能化的對象，它強調封裝的概念，使用消息傳遞的通訊方式，并且可以使用繼承和聚集定義結構，其結構模型如圖1所示。面向Agent的方法繼承了面向對象和面向模塊方法的優點，具有模塊性、重用性、擴張性、移植性的特點。

工作流是一類能夠完全或者部分自動執行的業務流程，它根據一系列過程規則，使文檔、信息或任務能夠在不同的執行者之間進行傳遞與執行，圖2為工作流管理的系統圖。工作流技術被業界廣泛應用并迅速發展，它的主要特點是使業務的處理流程自動化，使人與應用工具之間相互協調工作，以完成某項工作。工作流管理的目的是為了讓合適的人或軟件在恰當的時間執行正確的工作。

目前的工作流系統缺乏健壯性和可重用性，沒有備份機制和有效的恢復手段，容錯問題基本上也沒有考慮，系統對于出錯的恢復彈性是極小的。傳統的工作流系統在定義流程時隱含假設了所有的任務的實現和它們之間的協作均能被事先準確、完善地定義，事實上并非如此，大量業務流程對環境變化很敏感。同時，由于許多工作流運行周期長，在運行過程中難免發生變化，因此，工作流管理系統必須考慮異常情況和例外的處理。

鑒于上述原因，Agent技術與工作流技術的結合成為了如今研究的重點。目前，大多數工作流管理系統都是獨立地管理單個工作流，忽略了其間的資源約束關系，而基于Agent的工作流管理系統能夠有效地解決這個問題?；贏gent的工作流技術對解決傳統的軟件工程方法中的問題有著很重要的作用，它是軟件工程方法發展的一個必然趨勢。

在工作流管理系統中，利用Agent可以有效地解決下列問題：

⑴ 工作流系統中的資源沖突問題；

⑵ 執行中的模式僵化問題；

⑶ 用戶被動地處理工作項問題。

本文提出一個多Agent工作流管理系統。該系統的結構是一個遞階、不確定的動態結構。其模型結構如圖3所示。

圖3中的模型結構，橫向將工作流管理分為工作流開發環境和工作流運行環境?？v向將工作流管理與業務流程過程分為定義層、控制管理層和流程建模層。

⑴ 對話定義層

由用戶接口Agent和工作流定義接口Agent組成，是用戶與計算機進行人機對話的接口，也是系統獲取外部信息的接口。

⑵ 控制管理層

由工作流服務器和Agent服務器組成。

工作流服務器借助于一個或多個工作流引擎，解釋過程定義，控制實例的執行，控制工作流中各種活動的執行順序等。在工作流的創建和執行過程中，工作流服務器同Agent服務器交互，Agent服務器根據工作流服務器中的流程控制信息，完成相應的Agent的生成，調度和執行。例如：在工作流實例的創建過程中，根據工作流服務器中的相應活動的定義和描述，系統服務器生成相應的任務Agent，并在跟蹤服務器中注冊。

Agent服務器實際上是為任務Agent提供服務功能的代理(Agent)，它和工作流服務器交互，保存了重要的過程定義和結構信息。它根據過程定義在工作流實例化的過程中生成相應的任務Agent，每個任務Agent對應于一個工作流過程實例。Agent服務器中包含管理和控制兩個Agent部分?？刂艫gent是整個系統中最關鍵的核心部件，是工作流運行的“引擎”。負責對活動和問題的分解，子活動和子問題的分配和協商，以及提供工作流運行控制服務；控制Agent記錄了各種供給其他Agent共享的全局信息，同時監督和控制選擇相應的Agent。管理Agent 則是對工作流開發環境中工作流過程實例的定義和狀態進行監控與管理。

⑶ 流程建模層

流程建模層在工作流開發環境中是由工作流模型定義Agent、過程定義Agent和Agent活動定義等多個Agent 組成的；當業務流程新增或發生變化時，對以往不存在的，系統中未包含的業務流進行定義，并定義該業務流過程Agent，以提供系統使用。

工作流運行環境中是由任務Agent、活動Agent等多個Agent組成的；主要是針對流程重組或工作流建模的各子問題及目標，由各任務Agent根據其內部知識選擇相應的資源Agent或多個用戶Agent合作，構成相應的子業務流程或工作流模型。各任務Agent在構建工作流模型過程中，既可單獨也可相互合作，并能通過工作流模型的不斷構建進行自我演化、刪除和修改過程的某些成分和無用或過時的活動實例。

⑷ 工作表服務器

工作表服務器維護工作流參與人員的任務信息，而且負責通知任務Agent有關動態修改的信息。它是任務Agent生成任務項的惟一場所(生成任務項的過程為任務Agent向工作表服務器查詢用戶Agent信息，并在相應的用戶Agent中生成新工作項)，故在系統中不可缺少。

2 應用實例：基于Agent技術和工作流技術的選課系統

目前，高校選課系統的運用，使得學校管理自動化逐步提高。它不僅實現了學生跨學院、跨年級、跨專業進行選課，還支持學生自主“選教師、選方向、選教材”的行為，體現了以學生為本的教育教學理念。

高校選課系統仍然存在很多問題。如：學生雖可以自由選課，但系統往往不加審核，導致違反教學拓撲規律現象的產生；學生選課只是一種形式上的確認選課，表明選課信息已進入計算機管理，其實學生只擁有少部分自主選課的權利；如果管理策略、方法、對象等發生變化，開發人員就得修改甚至重新開發系統，現行的系統基本不具備適應變化的能力。

針對高校管理的需要，本文將多Agent工作流管理系統實例化，設計一套具有自動化、適應性和靈活性的智能選課系統模型。利用Agent概念及思想解決傳統選課系統所不能解決的問題。同時，在選課系統中，盡量減少手工確認審核的麻煩等，利用Agent自動完成這些工作，讓選課系統真正發揮它的作用。

⑴ 在選課的過程中，根據學生的專業以及該專業的教學計劃為每個學生生成一個選課列表。在學生選中自己喜歡的課程之后，給出多個這門課的開設時間、任課教師等信息，學生可以根據給出的信息進行選擇。

⑵ 在選課的過程中，如果學生選擇了課程B，但系統發現其課程B的先行課A沒有修或沒有通過，則系統會給出提示，學生必須先修A。

⑶ 如果學生當前的選課學分總數超過規定學分，則不允許選課，并給出超出的學分數。而且當學生的專業課有兩門及以上沒有通過，則給出提示等。

利用Agent軟件管理學生的選課信息，就能動態跟蹤學習者的選課行為，根據學習者先前的選課情況自動組織選課內容，從而克服了現階段內容松散的超文本結構。Agent的社會屬性能夠滿足建構主義協同選課的需要，可將每個學生和老師都看作獨立的Agent。

根據選課系統使用者的不同身份，我們提出一種如圖4所示的選課系統模型。該模型將系統劃分為教師Agent、學生Agent、課程Agent、課程計劃Agent、管理Agent。

圖4描述了選課系統的體系結構。一般高校中的選課系統，大多數需要學生輸入課程序號進行選課，而且專業必修課和專業選修課區分不是很明確，學生在選課的過程中會感覺很麻煩。而基于Agent的選課系統在學生進入選課的時候，就可以根據學生的專業和所學的先修課程及教學計劃為他們列出一個本學期的可選課列表，并且給出課程的詳細信息，學生可以很清楚地根據自己的興趣愛好和要求進行選課。

2.1 Agent的形式化定義

⑵ 相關數據庫和推理機制描述

學生基本信息庫：記錄學生的學號、姓名、性別、系所、年齡等基本信息。

成績記錄庫：記錄學生所選課程及分數。

個性分析推理機：根據課程計劃Agent提供的相關選課規則與學生模型庫的相關信息，以此作為選課的依據。在選課的過程中，推理機將不斷地產生、修改學生模型庫，準確反映學生的選課能力。

課程Agent、課程計劃Agent、教師Agent、管理Agent的構建與設計與上述類似。

2.2 知識庫的創建

知識庫的概念是將傳統的數據庫技術和人工智能相結合的產物?，F在用基于規則的知識表示方法來設計Agent。

在SQL Server中，創建規則可以使系統對輸入的消息流自動做出反應，并能用預定義操作來響應特定的錯誤情況，或將這些消息整理成一個更明確的異議事件。這些規則使系統能夠智能地響應預測到的事件模式，觸發操作。這些規則也可以將某個事件序列與SQL知識庫中的信息鏈接起來，即時向操作人員提供有關問題發生的原因、對特定問題的有效響應以及其他相關信息的連接。

2.2.1 產生式規則

2.2.2 推理系統的設計

采用關系模型表示系統中產生式的規則知識，使得推理系統的設計更簡單而且有效。實際上利用現有RDBMS的優化查詢能很容易實現。

2.3 用Agent技術和WFMS實現選課系統

工作流管理系統與傳統的信息系統相比具有很多優勢。但是由于目前傳統的工作流管理系統仍然存在著適用范圍窄、對異常情況處理不及時等問題，尤其是在工作流執行過程中，不能有效地進行工作流程所涉及的各種業務活動的合理調度和優化運行，使得其應用受到很大限制。由于Agent具有自主性、交互性、主動性等智能特點，將Agent技術結合到工作流管理中，能夠解決工作流的上述不足，非常適合構造結構復雜、靈活、智能的工作流管理系統。Agent技術和工作流方法結合起來非常適合選課系統的建設，可以有效地協調系統中不同角色人員的不同活動，盡量避免沖突，使選課系統更加科學化、高效化、智能化、安全化。

在選課系統中，我們可以把每個Agent都看成是工作流的節點。當學生要求選課時，工作流引擎為每個學生提供一個選課流程，首先進入選課界面，系統根據學生的學號以及選課計劃，列出該學生的選課項。如：信息學院的計算機科學與技術專業的學生，進入選課界面，如圖5所示。

接下來學生根據自己的情況和教學計劃進行選課，點擊“選課”后出現界面如圖6所示。

選課的人數在選課過程中隨時都會變化（當學生選中這門課的時候，人數就會下降），而選課Agent，教學計劃Agent，仲裁Agent，課程Agent，學生Agent就會互相協調，避免發生錯誤（如選課違反了選課規則，不符合教學計劃等）。而管理Agent在整個工作流過程與其他Agent的協調提高了整個系統的效率和靈活性，使系統發揮最大的效能。

2.4 選課系統實現模型

當學生要求選課的時候，系統收到選課請求，并對其進行審核（看其是否符合選課規則），當滿足選課規則時，就可以進行選課并修改課程清單，最終完成選課。

圖7描述了選課系統功能模塊結構，包括用戶登錄、選課、退課、查詢選課、修改密碼等。

3 結束語

選課系統在很多學校都有使用，它減少了很多手工選課的麻煩，節省了時間，而基于Agent的選課系統更加自主并智能，可以隨著外部環境做出相應的變化，而不需要對其進行重開發。工作流的利用使整個選課過程顯得更有條理。本文從產生式規則的角度出發，設計Agent的推理機制，并將工作流技術與Agent技術相結合，充分發揮其優勢，具有一定的理論和現實意義。