基于MAS的虛擬導(dǎo)師資源自組織協(xié)同機(jī)制研究

李春生，劉冬洋，胡亞楠，李朝霞

(東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

隨著社會對人才需求的不斷變化，各高校紛紛展開人才培養(yǎng)新模式的探索。目前，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的進(jìn)步推動了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的發(fā)展，國內(nèi)許多高校通過線上教育教學(xué)推動人才的個(gè)性化培養(yǎng)[1-2]。而隨著網(wǎng)絡(luò)教學(xué)規(guī)模的擴(kuò)張，越來越多的人開始意識到教學(xué)資源的重要性。近年來，國內(nèi)許多高校在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)上花了大量精力，也取得了許多成績。但從總體上來說，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的建設(shè)仍存在許多薄弱環(huán)節(jié)，亟待變革和創(chuàng)新[3]。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)資源的實(shí)用性和針對性不足。大部分的教學(xué)資源只是對線下教學(xué)資源的堆砌，雖然教學(xué)資源的數(shù)量越來越多，但是收集和開發(fā)的質(zhì)量不高，教學(xué)資源缺乏實(shí)用性與針對性；(2) 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源利用率低。大量課程仍缺乏適合學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)的資源，這也間接導(dǎo)致教學(xué)資源的應(yīng)用程度不高，甚至很多的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源處于閑置狀態(tài)；(3)缺乏個(gè)性化定制能力。目前普及型教育忽視了針對學(xué)習(xí)者個(gè)體的科研環(huán)境和教育資源組織，不能滿足學(xué)習(xí)者的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求[4-8]。

針對上述問題，文中展開了基于MAS(multi-agent systems，多智能體系統(tǒng))[9-10]的虛擬教師資源自組織協(xié)同機(jī)制研究。首先，構(gòu)建現(xiàn)有教學(xué)資源自組織模型作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的理論指導(dǎo)；其次，設(shè)計(jì)基于MAS的資源自組織協(xié)同機(jī)制，提供個(gè)性化推送方法；最后，開發(fā)基于MAS的虛擬教師資源自組織系統(tǒng)，驗(yàn)證模型的可行性，同時(shí)輔助高校人才的個(gè)性化培養(yǎng)[11]。

1 虛擬教師資源自組織模型

為了改善現(xiàn)有資源分配方式、增強(qiáng)個(gè)性化資源組織能力，在研究現(xiàn)有教學(xué)資源自組織模型的基礎(chǔ)上，引入虛擬教師為學(xué)生提供個(gè)性化資源定制服務(wù)。虛擬教師資源自組織模型主要分為學(xué)習(xí)者分析、方案定制、資源分配和實(shí)時(shí)監(jiān)督四個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 虛擬教師資源自組織模型

(1)學(xué)習(xí)者分析。

虛擬教師在學(xué)生學(xué)習(xí)前通過網(wǎng)絡(luò)問卷的形式向?qū)W習(xí)者發(fā)放調(diào)查問卷，初步判斷學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)風(fēng)格、測試其初始能力水平，以此作為制定學(xué)習(xí)者個(gè)性化環(huán)境方案或培養(yǎng)方案的依據(jù)；并在學(xué)習(xí)過程中監(jiān)督學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為、分析其風(fēng)格特征，并通過“量表+行為分析”的方式避免造成主觀性分析結(jié)果的不準(zhǔn)確，提高對學(xué)習(xí)者特征分析的精準(zhǔn)性和科學(xué)性。除此之外，虛擬導(dǎo)師分析學(xué)習(xí)者需求、確定其學(xué)習(xí)目標(biāo)，并通過信息解釋明確其學(xué)習(xí)需求方向與需求內(nèi)容[12]。

(2)方案定制。

虛擬導(dǎo)師根據(jù)學(xué)習(xí)者個(gè)性化需求，采用“定制代理+專家知識庫”的形式定制相應(yīng)的個(gè)性化環(huán)境方案或培養(yǎng)方案。個(gè)性化環(huán)境方案或培養(yǎng)方案以學(xué)習(xí)者實(shí)際需求為核心，以學(xué)習(xí)者特征為依據(jù)，將培養(yǎng)方案拆解為子目標(biāo)并制定相應(yīng)的子方案。除此之外，虛擬導(dǎo)師也將通過監(jiān)聽反饋機(jī)制動態(tài)調(diào)整環(huán)境方案或培養(yǎng)方案，以此滿足學(xué)習(xí)者不同時(shí)期的不同實(shí)際需求。

(3)資源分配。

虛擬導(dǎo)師基于環(huán)境方案或培養(yǎng)方案為學(xué)習(xí)者分配相關(guān)軟硬件科研環(huán)境或教學(xué)資源，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者個(gè)性化需求定制。

(4)實(shí)時(shí)監(jiān)督。

虛擬教師實(shí)施雙向監(jiān)督，由監(jiān)督代理負(fù)責(zé)監(jiān)督學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)狀態(tài)和其他代理的工作情況。目的是為更好地掌握學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)狀態(tài)，為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化、實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)資源，同時(shí)根據(jù)監(jiān)督結(jié)果實(shí)現(xiàn)虛擬教師自學(xué)習(xí)，逐步完善自身功能。

2 基于MAS的資源自組織協(xié)同機(jī)制

為實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源整合、提高資源分配效率，引入MAS以實(shí)現(xiàn)需求定制分配。MAS是是一種分布式自主系統(tǒng)。其社會性表現(xiàn)在Agent間的交互，主要研究Agent如何協(xié)調(diào)各自的知識、目標(biāo)、策略和規(guī)劃[13]。在表達(dá)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，MAS通過各Agent間的通訊、合作、互解、協(xié)調(diào)、調(diào)度、管理及控制來表達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及行為特性[14]。因此，按照計(jì)劃、調(diào)度和執(zhí)行控制設(shè)計(jì)基于MAS的資源自組織協(xié)同機(jī)制，可分為三個(gè)層次，如圖2所示。

圖2 基于MAS的資源自組織協(xié)同機(jī)制

(1)協(xié)作計(jì)劃層。

協(xié)作計(jì)劃層主要承擔(dān)協(xié)作管理、任務(wù)管理與資源管理三項(xiàng)職能。協(xié)作管理負(fù)責(zé)接收虛擬教師下達(dá)的計(jì)劃任務(wù)；任務(wù)管理負(fù)責(zé)按照任務(wù)需求詳細(xì)分解任務(wù)；資源管理負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和組織任務(wù)所需資源容量。

(2)調(diào)度決策層。

調(diào)度決策層主要職能包括全局優(yōu)化調(diào)度、任務(wù)投放控制及任務(wù)執(zhí)行監(jiān)控。全局優(yōu)化調(diào)度考慮資源的分布性，調(diào)度過程中采用協(xié)商形式進(jìn)行；任務(wù)投放控制綜合考慮任務(wù)優(yōu)先級與資源系統(tǒng)能力約束，決定任務(wù)分配順序與時(shí)間；執(zhí)行任務(wù)監(jiān)控則對已分配的任務(wù)進(jìn)行監(jiān)督，跟蹤任務(wù)執(zhí)行過程，對任務(wù)執(zhí)行結(jié)果與偶發(fā)性事件做出反饋。

(3)資源分配層。

資源分配層主要包括服務(wù)資源分配與資源狀態(tài)監(jiān)控兩部分。服務(wù)資源分配是針對已決策任務(wù)確定其執(zhí)行過程中所需資源；資源狀態(tài)監(jiān)控則是在任務(wù)執(zhí)行過程中監(jiān)督資源狀態(tài)是否為空閑、工作或故障[15]。

3 基于MAS的資源自組織系統(tǒng)

基于MAS的虛擬教師資源自組織系統(tǒng)通過公共對象請求代理方式為Agent通信提供環(huán)境支撐[16]；同時(shí)設(shè)計(jì)管理Agent和任務(wù)Agent實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的整合，具體描述如下：

3.1 系統(tǒng)集成框架

在分布式MAS系統(tǒng)中，Agent通過P2P方式實(shí)現(xiàn)信息共享和任務(wù)協(xié)作。完整的系統(tǒng)框架包括三個(gè)層次：數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和應(yīng)用層，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框架

數(shù)據(jù)層包含業(yè)務(wù)知識庫和運(yùn)轉(zhuǎn)知識庫。業(yè)務(wù)知識庫為人才培養(yǎng)提供資源支撐，包括學(xué)習(xí)者管理庫、特征分析庫、培養(yǎng)資源庫、測試試題庫、培養(yǎng)策略庫和操作日志庫等；運(yùn)轉(zhuǎn)知識庫為各職能教學(xué)Agent的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供知識保障，包括Agent基本信息庫、Agent職能庫、Agent運(yùn)行信息庫、Agent通信庫、Agent任務(wù)信息庫和Agent狀態(tài)庫等。

邏輯層為資源組織與環(huán)境配置過程中所需的系統(tǒng)服務(wù)提供技術(shù)支撐。以數(shù)據(jù)層包含的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和培養(yǎng)資源為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)者分析機(jī)制并引入教學(xué)組作為實(shí)現(xiàn)虛擬導(dǎo)師個(gè)性化培養(yǎng)的核心部分，具體包括定制Agent、管理Agent、監(jiān)督Agent等。邏輯層的主旨是為應(yīng)用層提供組件。

系統(tǒng)應(yīng)用層為學(xué)習(xí)者提供服務(wù)支持，主要包括學(xué)習(xí)者管理、培養(yǎng)資源管理、科研環(huán)境管理、答疑解惑、測試與評價(jià)等功能。

3.2 基于Agent的虛擬導(dǎo)師

系統(tǒng)中Agent主要包括管理Agent與任務(wù)Agent，管理Agent接收虛擬教師的定制任務(wù)，并將任務(wù)分解為更為詳細(xì)的作業(yè)任務(wù)，同時(shí)預(yù)測和分析計(jì)劃期內(nèi)資源負(fù)荷情況，協(xié)調(diào)和組織任務(wù)Agent；任務(wù)Agent負(fù)責(zé)執(zhí)行管理Agent分配的相應(yīng)子任務(wù)。其中，任務(wù)Agent又分為定制Agent、監(jiān)督Agent、資源管理Agent。以下是詳細(xì)的Agent的設(shè)計(jì)。

(1)定制Agent由信息模塊、信息解釋設(shè)備、方案定制機(jī)制、知識庫、Agent運(yùn)行信息庫、控制器、通信機(jī)制和培訓(xùn)方案輸出模塊組成。其中學(xué)習(xí)者信息庫和培訓(xùn)資源庫為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化環(huán)境方案或培養(yǎng)所需的外部資源。

(2)監(jiān)督Agent由接受信息模塊、信息解釋設(shè)備、監(jiān)督機(jī)制、知識庫、Agent運(yùn)行信息庫、控制器、通信機(jī)制、監(jiān)督列表和執(zhí)行監(jiān)督模塊組成。

(3)資源組織Agent由接受信息模塊、信息解釋設(shè)備、資源組織機(jī)制、學(xué)習(xí)者信息庫、知識庫、Agent運(yùn)行信息庫、控制器、通信機(jī)制、任務(wù)列表和資源組織模塊組成。

(4)管理Agent：負(fù)責(zé)各Agent任務(wù)分配和調(diào)控，其結(jié)構(gòu)主要由接受信息模塊、信息解釋設(shè)備、調(diào)控機(jī)制、知識庫、Agent運(yùn)行信息庫、控制器、通信機(jī)制、任務(wù)列表、調(diào)控調(diào)度器和調(diào)控調(diào)度任務(wù)模塊組成。

4 實(shí)驗(yàn)與測試

以大慶油田第二采油廠三采室，三次采油業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)過程中資源自組織為例。

首先，通過在線測試分析學(xué)習(xí)者一般特征、初始能力分析、學(xué)習(xí)風(fēng)格三項(xiàng)內(nèi)容，以此推薦適用于不同學(xué)習(xí)風(fēng)格類型的培訓(xùn)活動，如圖4所示。

圖4 學(xué)習(xí)者特征分析

其次，采用Agent資源自組織機(jī)制，根據(jù)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)風(fēng)格與初始能力定制培訓(xùn)方案與適用于學(xué)習(xí)者的培訓(xùn)資源，如圖5所示；實(shí)施培訓(xùn)過程如圖6所示；虛擬仿真培訓(xùn)過程如圖7所示。

圖5 學(xué)習(xí)者培養(yǎng)方案制定

圖6 培訓(xùn)資源的自組織過程

圖7 虛擬仿真過程

最后，通過考試評估測評學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，進(jìn)而驗(yàn)證基于MAS的教學(xué)資源自組織協(xié)同機(jī)制的有效性，如圖8所示。

圖8 考試考核過程

5 結(jié)束語

結(jié)合人才培養(yǎng)需求，文中提出了虛擬教師資源自組織模型，設(shè)計(jì)了基于MAS的虛擬教師資源自組織系統(tǒng)，為人才培養(yǎng)提供了頗具價(jià)值的理論參考與平臺支撐；項(xiàng)目的實(shí)踐價(jià)值突出，將系統(tǒng)應(yīng)用到高校人才培養(yǎng)中，為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化科研環(huán)境與學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化培養(yǎng)，可以有效提高學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)積極性。今后，將繼續(xù)深入研究如何使虛擬導(dǎo)師具備學(xué)習(xí)能力，以提高虛擬導(dǎo)師的環(huán)境適應(yīng)度、進(jìn)一步挖掘虛擬導(dǎo)師的潛在價(jià)值。