基于認知的情感多Agent交互建模研究

周豪+謝昕

摘? 要：以多角色CVLE建模和角色情感為研究主線，在結合國內外虛擬環境、認知理論、情感理論、多Agent系統（Multi-Agent System，MAS）理論等相關文獻基礎上，針對CVLE具有多角色、開放式、協作性、感知性的特點，提出一種基于角色組織與感知的多Agent框架模型；針對虛擬角色認知與情感交互影響特點，提出了基于認知的情感交互建模，可實現具有開放式多角色的協同虛擬學習環境系統。

關鍵詞：CVLE；Agent；情感交互；建模

中圖分類號：TN915.5?????????? 文獻標識碼：A

1?? 引言（Introduction）

隨著20世紀末e-learning的誕生與發展，將協同虛擬環境與e-learning相結合應用成為基于網絡的學習領域新的需求，從而推動了對協同虛擬學習環境（Collaborative Virtual Learning Environment，CVLE）這個新領域的研究[1]。近年來各國學者在該領域進行大量研究隨著IT技術的迅速發展，我國的網絡教育市場也在迅猛發展，根據資料顯示到2013年底我國網絡教育用戶已達到2650萬人，作為網絡教育的新方式e-learning也逐漸被廣大人群使用[2]。CVLE作為特殊的e-learning系統，由于其具有語音、行為、情感上的互動，讓教學變得更加生動，給學習者與教育者真實的交互感受，這使得CVLE將會在職業培訓、企業培訓、終身學習等方面起到重要作用，尤其對推動江西網絡教育的發展，改變江西教育及科技相對落后的現狀具有重要的現實意義[3]。

為了提高虛擬培訓學習環境的真實感和體驗感，情感建模也逐漸地被應用到協同虛擬培訓學習環境中[4]。情感模型研究起始于國外，OCC模型是第一個易于計算機實現的認知情感產生模型，它是對環境中事件、主體和對象感知進行評價的情感模型[5]。Particia等結合OCC情感模型，提出一種智能學習環境中學生情感推理建模的BDI方法，該方法能有效推斷學生表情、建立表情模型和選擇合理的情感策略[6]。Sloman提出了基于情感h-cogaff斯洛曼情感描述模型，試圖描述自然發生的過程，探討內部潛在的機制研究引起的出現和情感行為的變化[7]。通過以上對比可以看出，國外重點在認知對情感作用的研究，但較少針對認知與情感交互影響模型進行研究，而國內在情感領域也有眾多研究，并且結合認知過程討情感問題，取得了一定的研究成果，但側重于情感理論研究，在研究情感應用系統上有待加強。

2? 協同虛擬環境建模（Collaborative virtual

environment modeling）

協同虛擬環境（CVLE）是協同虛擬、人工智能技術結合應用與e-learning的產物，其目的是為用戶提供共享的、真實感的虛擬學習空間，使人們更真實，自然，協同交互協調，人與人之間的討論和學習。CVLE也不完全相同于一般的協同虛擬環境系統，CVLE更注重于教學、指導與交流，其自身的特點主要表現在：

（1）過程的協同和互動服務的復雜性，因為虛擬的協作學習環境，在分布式環境中，虛擬教室環境的建立，包括不同的參與者和合作之間的相互作用，帶來非常模擬難度大。

（2）具有多角色性和開放式，即使用者具有多種角色，且存在角色轉換、自由入場退場等開放式問題。

（3）具有情感交互性特點，經驗表明情感是學習效果的重要的影響因素。以上相關問題是影響CVLE發展和應用的重要因素，也是使其成為當前國內外研究熱點的重要原因，目前國內外相關文獻大部分只是從某一方面進行討論，而沒有明確給出一個完整的解決方案。

該模型設計結構如圖1所示，首先將CVLE劃分為角色類型空間、角色空間和Agent社會三個層次空間，然后根據層次映射關系分別實現原子角色、角色組織、角色實體三種核心對象建模，最后在Agent社會層與基于感知的多Agent框架模型融合，實現Agent之間數據協同交互，其主要過程如圖1所示。

圖1 角色組織設計結構圖

Fig.1 Design structure chart of character organization

（1）原子角色模型是一種抽象的單純的角色概述，原子角色模型的定義采用抽象的規范化語言進行描述。根據實際案例構建角色原子模型需要按照以下操作進行，如圖1所示，首先根據實際應用需求，提取場景中原子角色屬性，構建各種基本角色的原子角色模型。

（2）提取協同虛擬環境中實際的角色需求，分析角色需求內涵中包含的原子角色類型，然后根據角色需求與原子角色之間的繼承、依賴、關聯關系，構建角色需求的角色組織結構，多個角色組織結構的集合組成了角色類型空間。

（3）根據上一步已經完成的角色組織結構，分析虛擬每個虛擬人物各自屬性與功能服務特點，采用量化方式對各項屬性賦值，并根據角色行為要求實現其功能與服務內容，針對每一虛擬角色生成該虛擬人物的角色實例。

（4）角色實例中已經包含了虛擬人物的屬性、功能和服務，因此將角色實例與Agent智能體關聯應用，決定了Agent所扮演的角色類型；其所采用的主要方法是將角色實體的屬性、功能服務注入到Agent結點中，Agent根據角色實體中各項參數進行協同交互活動，實現角色組織與基于感知多Agent框架模型的無縫融合。

3 情感交互模型建模（Emotional interaction

modeling）

基于認知的情感交互模型是一種以認知、情感及其相互關系為研究內容的情感研究模型，該模型遵循“事件感知—評價決策—情感影響—經驗學習”的流程設計思想，符合自然人類認知與情感過程。本模型結構如圖2所示，其包含評價模型、場景認知圖、情感模型、經驗學習模型、行為決策模型等組成部分。該模型的主要研究過程如圖2所示。endprint

圖2 基于認知的情感交互模型框圖

Fig.2 Model diagram of emotional interaction based cognitive

（1）結合認知學理論，研究認知與場景、對象、事件、情感等之間交互的內涵本質，提出場景認知圖概念，它是虛擬角色對場景環境和社會交互形勢的認知積累，其包含地形認知圖、對象認知圖、活動認知圖、情感認知圖和關系認知圖；結合Object-Z語言采用形式化描述的方法構建場景認知圖的數學模型，并在計算機中采用結構化和圖形化方法進行表示。

（2）結合場景認知圖、模糊規則庫，構建基于認知的事件模糊評價模型；通過該評價模型，對外部事件和活動進行評價，從而推測情感影響因子。

（3）從情緒心理學基本理論出發，分別從性格、心境、情緒三個層次分析情感組成要素，如五元組的使用（Frank、負責、性格外向、開朗的性格、神經質）表示的空間，使用PAD（快樂的覺醒的樂趣、激發、顯性）方法是心靈的空間，根據五種典型的情感參數在OCC模型（憤怒、厭惡、恐懼、快樂、悲傷）表達的情感空間，根據OCC模型中五個典型情感參數（憤怒、厭惡、恐懼、高興、悲傷）表示情緒空間，采用非線性方程描述情感影響因子、性格、心境、情緒之間相互影響關系，從而構建情感因子影響的情感模型。

（4）對于虛擬角色經驗學習與行為決策功能，通過構建事件交互知識庫，對每次事件交互進行記錄，對每一種事件目的、動作及所產生的情感影響因子進行統計，選擇目的相似，而且影響情感因子能量概率最大的行為動作，作為其決策行為。

4?? 結論（Conclusion）

針對CVLE具有多角色、開放式、協同性的特點，建立一種基于多角色組織與感知的多Agent框架模型；針對虛擬人物智能體具有認知與情感相互影響的特點，建立一種基于認知的情感交互模型。通過這兩種模型的結合應用，最后實現具有情感感知交互、開放式多角色的協同虛擬學習環境系統。

參考文獻（References）

[1] 張雪元，王志良，永井正武.機器人情感交互模型研究[J].計算

機工程，2006，32（24）：6-8.

[2] 楊宏偉，潘志庚，劉更代.一種綜合可計算情感建模方法[J].計

算機研究與發展，2008，45（4）：579-587.

[3] 石琳，等.智能虛擬環境中主體的情感計算研究[J].計算機應

用，2010，30（5）：1367-1370.

[4] 李海芳，何海鵬，陳俊杰.性格心情和情感的多層情感建模方

法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2011，23（4）：725-730.

[5] 薛為民.基于認知機制的情感虛擬人交互技術研究[J].北京聯

合大學學報（自然科學版），2010，24（4）：1-6.

[6] 張志勇，等.基于角色和協作場景的MAS管理模型及應用[J].

計算機應用軟件，2005，22（10）： 109-111.

[7] 周留軍，等.基于學習者個性因素的多Agent協同學習系統[J].

計算機工程與應用，2005，30（255）：93-95.

作者簡介：

周? 豪（1988-），男，碩士生.研究領域：計算機應用技術，電

子政務.

謝? 昕（1969-），男，碩士，教授.研究領域：計算機網絡與信

息安全，自動化控制.endprint

圖2 基于認知的情感交互模型框圖

Fig.2 Model diagram of emotional interaction based cognitive

（1）結合認知學理論，研究認知與場景、對象、事件、情感等之間交互的內涵本質，提出場景認知圖概念，它是虛擬角色對場景環境和社會交互形勢的認知積累，其包含地形認知圖、對象認知圖、活動認知圖、情感認知圖和關系認知圖；結合Object-Z語言采用形式化描述的方法構建場景認知圖的數學模型，并在計算機中采用結構化和圖形化方法進行表示。

（2）結合場景認知圖、模糊規則庫，構建基于認知的事件模糊評價模型；通過該評價模型，對外部事件和活動進行評價，從而推測情感影響因子。

（3）從情緒心理學基本理論出發，分別從性格、心境、情緒三個層次分析情感組成要素，如五元組的使用（Frank、負責、性格外向、開朗的性格、神經質）表示的空間，使用PAD（快樂的覺醒的樂趣、激發、顯性）方法是心靈的空間，根據五種典型的情感參數在OCC模型（憤怒、厭惡、恐懼、快樂、悲傷）表達的情感空間，根據OCC模型中五個典型情感參數（憤怒、厭惡、恐懼、高興、悲傷）表示情緒空間，采用非線性方程描述情感影響因子、性格、心境、情緒之間相互影響關系，從而構建情感因子影響的情感模型。

（4）對于虛擬角色經驗學習與行為決策功能，通過構建事件交互知識庫，對每次事件交互進行記錄，對每一種事件目的、動作及所產生的情感影響因子進行統計，選擇目的相似，而且影響情感因子能量概率最大的行為動作，作為其決策行為。

4?? 結論（Conclusion）

針對CVLE具有多角色、開放式、協同性的特點，建立一種基于多角色組織與感知的多Agent框架模型；針對虛擬人物智能體具有認知與情感相互影響的特點，建立一種基于認知的情感交互模型。通過這兩種模型的結合應用，最后實現具有情感感知交互、開放式多角色的協同虛擬學習環境系統。

參考文獻（References）

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[2] 楊宏偉，潘志庚，劉更代.一種綜合可計算情感建模方法[J].計

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[3] 石琳，等.智能虛擬環境中主體的情感計算研究[J].計算機應

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[5] 薛為民.基于認知機制的情感虛擬人交互技術研究[J].北京聯

合大學學報（自然科學版），2010，24（4）：1-6.

[6] 張志勇，等.基于角色和協作場景的MAS管理模型及應用[J].

計算機應用軟件，2005，22（10）： 109-111.

[7] 周留軍，等.基于學習者個性因素的多Agent協同學習系統[J].

計算機工程與應用，2005，30（255）：93-95.

作者簡介：

周? 豪（1988-），男，碩士生.研究領域：計算機應用技術，電

子政務.

謝? 昕（1969-），男，碩士，教授.研究領域：計算機網絡與信

息安全，自動化控制.endprint

圖2 基于認知的情感交互模型框圖

Fig.2 Model diagram of emotional interaction based cognitive

（1）結合認知學理論，研究認知與場景、對象、事件、情感等之間交互的內涵本質，提出場景認知圖概念，它是虛擬角色對場景環境和社會交互形勢的認知積累，其包含地形認知圖、對象認知圖、活動認知圖、情感認知圖和關系認知圖；結合Object-Z語言采用形式化描述的方法構建場景認知圖的數學模型，并在計算機中采用結構化和圖形化方法進行表示。

（2）結合場景認知圖、模糊規則庫，構建基于認知的事件模糊評價模型；通過該評價模型，對外部事件和活動進行評價，從而推測情感影響因子。

（3）從情緒心理學基本理論出發，分別從性格、心境、情緒三個層次分析情感組成要素，如五元組的使用（Frank、負責、性格外向、開朗的性格、神經質）表示的空間，使用PAD（快樂的覺醒的樂趣、激發、顯性）方法是心靈的空間，根據五種典型的情感參數在OCC模型（憤怒、厭惡、恐懼、快樂、悲傷）表達的情感空間，根據OCC模型中五個典型情感參數（憤怒、厭惡、恐懼、高興、悲傷）表示情緒空間，采用非線性方程描述情感影響因子、性格、心境、情緒之間相互影響關系，從而構建情感因子影響的情感模型。

（4）對于虛擬角色經驗學習與行為決策功能，通過構建事件交互知識庫，對每次事件交互進行記錄，對每一種事件目的、動作及所產生的情感影響因子進行統計，選擇目的相似，而且影響情感因子能量概率最大的行為動作，作為其決策行為。

4?? 結論（Conclusion）

針對CVLE具有多角色、開放式、協同性的特點，建立一種基于多角色組織與感知的多Agent框架模型；針對虛擬人物智能體具有認知與情感相互影響的特點，建立一種基于認知的情感交互模型。通過這兩種模型的結合應用，最后實現具有情感感知交互、開放式多角色的協同虛擬學習環境系統。

參考文獻（References）

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[3] 石琳，等.智能虛擬環境中主體的情感計算研究[J].計算機應

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[4] 李海芳，何海鵬，陳俊杰.性格心情和情感的多層情感建模方

法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2011，23（4）：725-730.

[5] 薛為民.基于認知機制的情感虛擬人交互技術研究[J].北京聯

合大學學報（自然科學版），2010，24（4）：1-6.

[6] 張志勇，等.基于角色和協作場景的MAS管理模型及應用[J].

計算機應用軟件，2005，22（10）： 109-111.

[7] 周留軍，等.基于學習者個性因素的多Agent協同學習系統[J].

計算機工程與應用，2005，30（255）：93-95.

作者簡介：

周? 豪（1988-），男，碩士生.研究領域：計算機應用技術，電

子政務.

謝? 昕（1969-），男，碩士，教授.研究領域：計算機網絡與信

息安全，自動化控制.endprint