基于Agent的GridGIS關鍵技術探討

馬冰冰

摘要：糧食安全是事關民生的首要問題，我國政府歷來十分重視對糧食儲備的管理。由于糧庫信息的實時更新不易實現、對儲糧信息的獲取和應用有其特殊要求，傳統的糧庫管理方式已經不能適應現代糧食安全的需要。本論文旨在將Agent技術集成到Grid GIS結構框架中，研究地理信息服務的管理以及基于Agent的服務查找與組合策略等關鍵技術，使用基于Agent的Grid GIS門戶來實現糧庫信息網格服務的管理，使儲糧系統更加專業化和自動化。

Abstract： Food security is the most important issue related to people's livelihood， and the China's government has always attached great importance to the management of grain reserves. As the real-time updating of grain depot information is difficult to realize， and it has special requirements for the acquisition and application of grain storage information， the traditional grain storage management mode can no longer meet the needs of modern food security. This paper is to integrate Agent technology into the Grid GIS framework， study geographical information service management and the key technology of service discovery and combination strategy based on Agent， use Grid GIS gateway based on Agent to realize grain depot information grid service management， so as to make the storage system more professional and automation.

關鍵詞：Agent技術；Grid GIS；糧庫管理

Key words： Agent technology；Grid GIS；grain storage management

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）24-0007-03

1 研究意義

隨著Agent技術和Grid技術的發展，GIS Agent和SIG已經成為GIS新的發展方向。糧食是季節性產品，而且其儲藏在地理上是分布的，因此對于糧食儲藏管理，儲糧信息的實時性和糧庫管理系統的靈活高效非常重要。Grid技術為實現糧庫GIS資源共享和協同工作提供了新的機遇和技術手段，而Agent為實現糧庫Grid GIS提供了一種靈活、開放的結構，使其成為高效智能的分布式系統。Gird GIS與Agent技術的結合對糧庫管理具有非常重要的現實意義，它使糧庫管理系統向智慧糧庫又邁出了堅實的一步，對我國的糧食安全也具有重要的意義。

2 國內外目前研究現狀

2.1 基于Agent技術的GIS研究現狀

20世紀80年代，人工智能學科創始人之一的Marvin Minsky在IT界提出了“Agent”的概念。公認的Agent定義是Wooldrige和Jennings提出來的：Agent是處在某個環境中的計算機系統，該系統有能力在這個環境中自主行動以實現其設計目標。

Agent接受從環境中感知的輸入并產生輸出動作作用于環境，這種交互常常是一個循環的過程（如圖1所示）。根據是否包含用符號表示的世界模型，Agent分為慎思Agent、反應Agent以及綜合了二者特征的混合Agent。

在Agent的結構研究方面：Y.shoham把Agent描述為4個智能構件的組合，分別為beliefs、capabilities、choices和commitments，該方法適合于擬人化系統的刻畫，對未來的GIS智能化發展具有指導意義。鞏志國等給出了一種基于“事件（Events）—條件（Conditions）—動作（Actions）”的Agent結構模型，該模型是一種動態集成模型，而且能與傳統的數據庫技術較好的融合，具有較高的實用價值。

使用Agent技術構建GIS可以放松對集中式、非開放性、順序控制的限制，并提供對空間信息的分布控制、動態應急處理和并行處理。作為一種軟件中間件，GIS Agent為解決異構網絡環境下分布式GIS的互連與互操作提供了一種有效的解決方案。

在實際應用中通常把多個GIS Agent組織起來形成Multi-Agent GIS。Multi-Agent GIS按照一定的組織結構把復雜的任務劃分成許多原子任務，并按一定邏輯次序把這些任務交給各個Agent去執行。

對于Multi-Agent系統學者目前已經提出了多種組織建模方法：J.Ferber的AGR模型是一個基于Agent、小組、角色等概念的模型。Paolo Bresciani的Tropos模型采取基于人類組織的一般結構，但沒有考慮社會原則。D.M.Okouya的OperA模型對角色、交互和社會規范也作了描述。Jomi Fred Hubner的MOISE+模型通過結構、功能和義務三方面建模Agent組織。

移動Agent（Mobile Agent，MA）是一種能夠在復雜網絡（比如異構網絡）中漫游并與其他主機交互，收集信息，按主人要求執行任務并最終返回主人所在機器的Agent。使用移動Agent技術構造Multi-Agent GIS可以減少網絡負載、實現定制化的服務、更好地達到動態負載平衡、自然地實現異構性并且具有強大的容錯性。

90年代初，IT界興起了對Agent的實現平臺和應用系統的研究。例如：General Magic公司在20世紀90年代初推出了第一個移動代理系統Telescript；IBM公司采用Agent+Applet的模型構建了基于Java的代理系統Aglets。發展至今Agent的實現技術主要包括：分布式對象技術、Java語言、面向Agent的程序設計語言（Agent-Oriented Programming，AOP）、Script語言等。

21世紀初，國內外針對基于Agent的WebGIS理論和系統構建開展了一系列研究?，F階段Agent技術在GIS領域內的研究主要集中在以下幾個方面：

①GIS Agent系統的結構框架。

②基于Agent的服務查找與組合策略。

北京大學人工智能實驗的Geo-Agents系統是一個基于Agent的分布式GIS。該系統主要由Application、Facilitator、GIS功能Agent、接口Agent、GuServer以及空間數據庫和空間元數據庫6部分組成。Geo-Agents系統運用多線程技術和DCOM技術，采用了點對點和組廣播兩種消息通信方式，并基于Agent設計了一個面向用戶任務的人格化二次開發語言GeoScript。

李鍵提出了一種基于Agent的GIS應用框架Agent-Based GIS（ABG）。該框架由Agent管理器、應用接口層、業務處理層和數據服務層4部分組成，并實現了一個航班優化地理信息系統（FOMGIS）。該系統采用了MapInfo的MapX空間數據模型，業務處理層使用DCOM/COM+組件，空間數據庫采用了SQL Server2000和Spatial Ware for SQL Server。

徐妍提出了一種基于Agent的自適應Web服務框架。該框架分為3層：組織模型、協同模型和服務模型。其中服務模型由基于Petri網的服務組合方法建立；協同模型包含MAS，并具有包括“分裂”、“復制”、“合并”等自適應調整算法。該框架采用WS-BPEL描述業務流程，可通過Java和.NET平臺調用。Agent系統的實現采用基于Java的JADE平臺。

馬宏鋒等給出了一種基于智能決策的Agent遷移策略及其算法描述，并通過仿真實驗驗證了該遷移策略和算法的有效性。

李勝等提出了基于Web和Agent的GIS動態服務模型；闡述了GIS Agent的遷移策略以及GIS Agent和Web服務的交互操作和集成技術。該研究實現了用功能構件的移動代替海量空間數據的的移動，提高了分布式網絡的計算速度。

然而我們可以看到，目前對于GIS Agent技術尚無標準的體系，在GIS Agent系統的建設上仍然存在一些問題：

①現有的Web Service技術標準已無法滿足GIS Agent系統的要求。

②已經提出的GIS Agent技術體系之間的兼容性并不理想。

③基于Agent的服務查找與組合策略效率不高，仍有待改善。

因此，我們需要用更為開放的思路來設計GIS Agent，而“網格”的出現恰好為我們提供了這樣一種思路。

2.2 SIG研究現狀

20世紀90年代中期，網格技術的出現為我們提供了解決信息共享與協同工作的新視角、新理念和新技術。“網格”（Grid）一次來源于“電力網格”（PowerGrid），它為人們像使用電力資源一樣方便使用計算機資源、網絡資源和信息資源描繪了美好藍圖。美國Globus項目的領導人Ian Foster提出了網格必須同時滿足的三個條件：在非集中控制的環境中協同使用資源；使用標準的、開放的協議和接口；提供非平凡的服務。

2000年至今網格技術飛速發展，典型代表是Web服務技術和開放網格服務結構（Open Grid Service Architecture，OGSA）。為了將這兩種標準整合，2004年5月，Web服務資源框架規范（Web Service Resource Framework，WSRF）應運而生。目前，發展網格被認為是下一代Internet的核心任務之一。

自互聯網誕生以來，網絡環境下分布異構GIS之間的地理信息共享和空間數據互操作一直是GIS行業研究的核心課題之一。喬治梅森大學的Liping Di教授從地理空間數據的數據量和計算量兩個角度闡述了在地理空間信息科學領域應用網格技術的必要性。在這種背景下，地理空間信息科學或測繪科學領域提出將網格技術與空間信息技術融合集成，構建空間信息網格（Spatial Information Grid，SIG）。

依據李德仁院士的定義，可以從廣義和狹義兩個方面來理解SIG。廣義的SIG是指在網格技術支持下的天、空、地一體化的各種服務高度集成的實時/準實時空間信息系統。狹義的SIG是指用網格技術構建的GIS，即Grid GIS。

綜合國內外的研究現況，目前對于SIG的研究主要集中在：

①SIG的結構框架。

②SIG服務的管理。

③基于Agent的SIG服務查找與組合策略。

④SIG的安全性。

Globus項目由美國Argonne國家實驗室和南加州大學信息科學學院（ISI）合作發起。Globus工具包（Golbus Toolkit）是Golbus最重要的實踐成果。作為一種開放架構和開放標準基礎設施，Golbus Toolkit把所有用于共享的實體定義為資源，并提供了構建網格應用所需的基本協議和服務。目前大部分重大的網格項目都采用Golbus Toolkit，可以說Golbus是網格體系及應用的事實標準。

OGF-OGC合作計劃是開放網格論壇（Open Grid Forum，OGF）和開放地理信息聯盟（Open Geospatial Consortium，OGC）聯合發起的，自2008年10月啟動，目的是促進分布式地理處理和網格標準融合的實踐。該計劃最終要完成的目標是構建透明、交互、可伸縮的SIG應用。

國內也有較多的學術論文成果面世。張建兵探討了基于網格的空間信息服務體系結構，以及在地圖服務、空間信息搜索、空間信息服務協同以及空間信息服務遷移中的應用；劉峰針對網格環境下的地理信息服務組合、空間數據存儲等關鍵技術進行了探討；倪金生提出了基于SIG的空間信息共享與智能服務模型，探索并實現了基于SIG環境下移動位置服務系統的若干關鍵技術；李孝玲結合網格的體系結構和Grid GIS的安全需求，針對用戶、通信網絡、應用程序和網格資源這四個環節提出了一個安全體系。

然而作為一種前沿技術，空間信息網格的發展仍存在著一些問題：

①目前的Grid GIS服務大都是遵循OGC Web服務規范開發的，與標準Web Service技術體系之間的兼容性不理想，導致一系列后續應用的問題。

②不同網格系統采用異構的服務注冊和發現機制且互不兼容。

③國內的空間信息網格服務研究集中于理論層面，缺乏實踐。

綜上所述，構建Grid GIS的目標是按需提供動態的GIS服務，而Agent技術提供了在動態的環境中智能的解決問題的能力。因此，實現Agent與Grid的集成，是實現基于網格的地理空間信息管理與服務的基礎。

2.3 基于Agent的Grid GIS在糧庫管理中的應用現狀

我國現有糧庫6萬余個，在建糧庫近300個，糧庫數量多、地域分布廣。糧庫管理部門迫切希望利用最新的GIS技術來改進糧庫管理系統。

目前GIS在國內糧庫管理中已得到比較廣泛的應用，大多數為基于WebGIS的糧庫管理系統，采用的技術主要有J2EE、DCOM/COM+和CORBA等。

李魯群等根據糧庫管理內容、特點，基于統一建模語言（UML）開發了一套中央直屬儲備糧食GIS系統。該系統利用VB，Java和Map Info構建，極大地提高了糧庫信息管理的效率。

麻日坪運用ASP.NET開發WEB應用程序的關鍵技術構建基于B/S結構的糧庫管理系統，并實現了數據添加、更新、刪除等糧庫管理功能。

祝玉華給出了一種MAGIS系統的體系結構，即基于SVG/XML Java+Multi Agents的體系結構。該體系以Multi-Agents作為構建WebGIS的基石，基于Bayesian構造了HCI Agent、JavaBayes Agent、JESS專家系統Agent三類智能Agent；構造了MAGIS系統中的移動Agent并提出船塢構想來解決遷移失敗問題；建立了基于SVG/XML技術的MAGIS模型并為不同用戶設計了實施策略；針對MAGIS系統的安全問題設計了對主機和GIS Agent進行保護的安全策略并給出了MAGIS的安全模型；實現了一個基于多Agents的WebGIS原型系統，該系統被成功用于國家糧庫信息及智能決策系統。

由于國內對網格技術的研究集中在科學理論，成果投入使用并產生效能的比率較低。我國目前尚沒有建立用于糧食儲藏管理的網格體系，基于Agent的Grid GIS在糧庫管理中的應用比較滯后。

參考文獻：

[1]錢秋霞.我國糧食儲備主體價格反應行為分析[J].中國農業信息，2014（6）：21-24.

[2]倪鵬.淺析網格與校園網格體系結構[J].吉林廣播電視大學學報，2009（6）：114-115.

[3]張建兵.基于網格的空間信息服務關鍵技術研究[D].北京：中國科學院遙感應用研究所，2006.