Разработка многоагентных систем на основе нейрологической модели с использованием проблемно-ориентированной инструментальной программной среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

РАЗРАБОТКА МНОГОАГЕНТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ НЕЙРОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ ПРОГРАММНОЙ СРЕДЫ

Зайцев Е.И., к.т.н., доцент

Московский государственный университет

приборостроения и информатики,

e-mail: zei@tsinet.ru

ВВЕДЕНИЕ

многоагентный система нейрологический модель

Выросшие с момента появления объектно-ориентированной парадигмы уровень абстракции и мощность платформенных технологий (от библиотек классов к каркасам компонентов, промежуточному программному обеспечению на основе распределенных компонентов и асинхронной, слабо связанной архитектуре служб) позволяют использовать при реализации сложных систем концепцию программных агентов и разрабатывать новый класс приложений - многоагентные системы (МАС). Многоагентный подход, подобно сервис-ориентированной архитектуре (Service-Oriented Architecture, SOA), разбивает приложение на крупно гранулированные компоненты, которые инкапсулируют большие функциональности по сравнению с мелко- и средне гранулированными программными абстракциями (операторами, функциями, классами). Для описания программных систем теория агентов предлагает такие высокоуровневые понятия как роли агентов, знания, планы, цели, протоколы общения и ведения переговоров, а также адаптация и обучение.

Повышение уровня абстракции облегчает разработку программного обеспечения, при этом оно ограничивает область действия абстракций и объем контроля деталей реализации, порученного разработчикам. Негибкие абстракции, к которым, в частности, можно отнести библиотеки, полностью реализуют решения и совершенно не прозрачны для пользователя. Реализацию таких абстракций можно настроить, например, устанавливая значения параметров. Максимальную гибкость обеспечивают механизмы, в которых реализация абстракций открыта и может быть расширена.

Повторное использование абстракций высшего уровня сопряжено с трудностями. Чтобы быть многократно используемой, абстракция должна допускать адаптацию, как через некоторые внутренние механизмы изменчивости, так и через внешние адаптеры. От адаптируемости зависит насколько легко использовать абстракцию в другом контексте. Сложно сделать компонент повторно используемым в произвольных контекстах, гораздо проще строить компоненты, повторно используемые в контексте специфического домена. Фундамент для систематического повторного использования представляют доменно-специфичные языки и шаблоны.

Шаблоны (patterns) представляют стратегии решения повторяющихся проблем в специфическом аспекте. Язык шаблонов формирует концептуальный каркас для разработки программных продуктов в определенном домене и является как более сцециализированным, так и более мощным, чем языки программирования общего назначения. При этом шаблоны недостаточно формальны, чтобы быть примененными автоматически. Для того чтобы автоматизировать применение шаблонов, инструменты разработки должны привязывать некоторые из этих проектных решений заранее, на основе предположений о проблемной области, системной архитектуре, технологии реализации и процессе разработки.

Как и определенный множеством классов каркас, адаптация которого возможна только в точках расширения (в абстрактных классах для котрых не приведены реализации), язык шаблонов воплощает собой архитектуру, однако в отличие от каркаса, язык шаблонов не предусматривает специфической реализации. Инкапсулируя спецификации шаблона можно создать формальный язык, который в отличие от языка шаблонов, будет частично или полностью инкапсулировать реализации определяемых им абстракций.

Программные агенты создаются на базе компонентов (Component-Based Design, CBD) в виде специализированных классов (включающих методы, свойства, события), в которых интегрированы механизмы рассуждения на основе знаний с нейросетевыми моделями и технологией обработки информации, основанной на нечеткой логике. Механизмы, которые инкапсулируют программные агенты, позволяют извлекать знания из данных, т.е. находить закономерности в данных и осуществлять их обобщение, формировать правила вывода непосредственно в процессе обучения. Кроме того, они позволяют агенту асинхронно взаимодействовать с другими агентами, вступать в осмысленные диалоги и выполнять контрактные обязательства, а также целенаправленно и рационально действовать в условиях неопределённой и динамично изменяющейся среды.

Как и для SOA, одним из принципиальных преимуществ MAС является слабая связность, продиктованная подходом на основе контрактов. Контракты представляют собой спецификации требований к предоставляемым и требуемым агентом интерфейсам, реализующим протокол взаимодействия. Протоколы, используемые в МАС, должны включать возможность обработки мобильных процессов, коммуникации между которыми могут быть прерваны и восстановлены.

Проблема создания МАС требует от разработчиков опыта проектирования и реализации как концептуальных, так и технических решений в таких областях как объектно-ориентированное программирование, представление и обработка знаний, сетевые коммуникации и протоколы взаимодействия, нейронные сети и нечеткая логика. Разработка МАС может быть связана с решением либо общих для значительного числа приложений задач, не связанных непосредственно с предметной областью, к которой относится разрабатываемое приложение, либо задач, которые являются предметно-ориентированными. При наличии адекватных инструментальных средств разработчики имеют возможность концентрировать свои усилия на решении задач предметного характера и создавать приложения на базе высокоуровневых специфичных для домена абстракций. Для разработки прикладных MAС удобно использовать управляемые моделями среды и доменно-ориентированные языки для фиксации в вычислительной форме намерений разработчика и обеспечения автоматизации. Использование управляемой моделями среды разработки позволяет упростить процесс создания экземпляров и сборки агентов, обеспечить автоматическую генерацию частичных или полных реализаций на основе спецификации. Поскольку проблемно-ориентированные среды используют специфичные для доменов языки, абстракции, которыми манипулируют разработчики прикладных MAС, являются близким приближением концепций, естественных для проблемных областей. Поэтому пользователи лучше понимают спецификации, чем программы, написанные на языках программирования общего назначения.

Абстракция агента предлагает либо исходный код (как часть или полную реализацию решения, который пользователь может дополнить или модифицировать), либо инструмент типа визуального редактора. В подобном редакторе пользователь может конфигурировать визуальное представление решения, а затем генерировать исходный код, который создаст экземпляры библиотечных классов и настроит их соответствующим образом.

1. НЕЙРОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ АГЕНТОВ

Проблемы интеграции семиотического и коннекционистского подходов, а также моделирование и реализация интенций агентов, использующих принцип «мягких вычислений», являются основными проблемами, решаемыми в процессе создания MAС [6,8]. Для адекватного представления знаний о проблемной области и реализации эффективных механизмов их использования при решении сложных проблем разработана модель, в которой знания разделяются на несколько независимых источников, ассоциированных с реактивными и когнитивными агентами. Модель реактивного агента задается следующим образом:

A_R=(Z_R, W_R, N(Z_R,Net,S_R), S_R(R,A(G))),

где Z_R - множество входных сообщений; W_R - множество выходных сообщений; N-множество методов, определяющих реакции нейронной сети Net реактивного агента на входные сообщения Z_R; S_R - множество состояний, каждое из которых определяется набором атрибутов агента и их значениями. Здесь

INT R_i ={[A_j ,DOM(A_j)],…}; EXT R_i = {F₁,…F_p }; F_k={A₁(G₁),… A_s(G_n)},

где R - множество отношений, G - множество значений множества атрибутов A. Домены (DOM) являются общими совокупностями значений, из которых берутся реальные значения для атрибутов отношения. Интенсиональные части (INT) локальных баз знаний содержат информацию, характеризующую семантику предметной области, экстенсиональные части (EXT) описывают возможные состояния агентов и их взаимосвязи.

Адекватные реакции агентов на возможные в окружающей среде ситуации реализуются благодаря обучению нейронной сети Net, которая поддерживает механизм конкуренции между желаниями агента и позволяет при предъявлении агенту входного вектора (ситуации) возбуждать наиболее точно соответствующие ему действия. Найти выходную ячейку, определяющую адекватную реакцию агента на возникающую в окружающей среде ситуацию, позволяет архитектура сети, например, построенная по принципу «победитель получает все» (Winner Takes All, WTA).

Реактивный агент интегрирует методы нечетких и нейросетевых технологий, вводя нечеткость в структуру нейронной сети Net путем «размывания» значений обучающих примеров, входных и выходных данных, использования нечетких весов связей, замены выполняемых нейронами стандартных функций на операции, применяемые в теории нечетких множеств. Кроме того, реактивные агенты способны не только извлекать знания из поступающих выборок, интерпретируя их как обучающие выборки, но также формулировать и реализовывать нечеткие запросы к базе данных. Нечеткие запросы (Fuzzy Queries) позволяют агентам получать информацию, используя качественные критерии и нечетко сформулированные условия. При этом данные, не удовлетворяющие какому-то одному критерию запроса, выбираются из базы данных, если они имеют хорошие показатели по другим критериям.

Многоуровневая MAС, помимо реактивных агентов, содержит когнитивные агенты, которые планируют собственные действия и, при необходимости, координируют деятельность реактивных агентов. Модель когнитивного агента формально может быть определена шестеркой:

A_K=(Z_K,W_K,S_K,,SP,P),

где Z_K - множество входных сообщений; W_K - множество выходных сообщений (осведомительных, управляющих, координационных); S_K - множество состояний когнитивного агента, соответствующее множеству ситуаций, которые зависят от ментальных свойств агента (мнений, намерений, желаний, выполняемых действий), состояний других агентов и их взаимосвязей, происходящих в системе событий; SP - система продукций, определяющая переходы агента из одного состояния в другое и формируемые при этом выходные сообщения, инициирующие синхронные либо асинхронные операции обмена; P=(D,SG,s₀) - система планирования в пространстве состояний для проблемной области D c исходным состоянием s₀ и динамическим множеством целей SG.

Обычно когнитивный агент использует регрессивное планирование, при котором поиск последовательности действий, связанных с достижением цели (удовлетворением желания), осуществляется в обратном направлении (от цели). К исполнению желания агента ведёт реализация его намерений - того, что агент должен сделать в силу своих обязательств и/или желаний. В обязанности когнитивных агентов, содержащих информацию о совместных целях (желаниях) и намерениях других агентов, входит составление совместных планов, при этом совместные действия агентов могут определяться неявно путем описания того, как каждое отдельное действие сочетается с другими возможными действиями.

Совокупность частных целей когнитивных агентов создает основу для формирования общей цели многоагентной системы; оценочная модель достижимости этой цели может строиться с использованием аппарата нечеткой логики. В этом случае для частных целей агентов формируются лингвистические переменные с термами, характеризующими степени их достижимости. Каждая частная цель определяется совокупностью нечетких правил, используя которые можно осуществить нечеткий логический вывод. Комбинированное нечеткое подмножество, описываемое обобщенной функцией принадлежности, и соответствующее степени достижимости общей цели системы, может быть получено в результате нечеткого вывода на основе нечеткой продукционной модели с адаптацией операций над нечеткими множествами [3].

Модель когнитивного агента дает унифицированную основу для представления как определенного, так и неопределенного знания. Для моделирования неопределенности используются специальные механизмы, позволяющие когнитивным агентам оперировать нечеткими понятиями и реализовывать прямые либо обратные нечеткие выводы. При прямом нечетком выводе отдельные факты базы знаний когнитивных агентов преобразуются в конкретные значения функций принадлежности посылок нечетких продукций и находятся значения функций принадлежности заключений по каждому из нечетких правил. Процесс обратного нечеткого вывода заключается в подстановке отдельных значений функций принадлежности заключений и нахождении функций принадлежности условий, которые принимаются в качестве очередных подцелей и далее могут использоваться как функции принадлежности новых заключений.

Исходная система нечетких правил, используемая когнитивным агентом в процессе логического вывода, может оказаться неполной или противоречивой, а субъективно выбранные экспертом вид и параметры функций принадлежности, описывающих входные и выходные переменные системы, могут не вполне адекватно отражать действительность. Для устранения этих недостатков в модель когнитивного агента дополнительно включается адаптивная нечеткая продукционная сеть SP_Net, в которой нечеткая продукционная модель интегрирована с технологией нейронных сетей. Сеть SP_Net по структуре идентична многослойной нейронной сети с обучением, например, по алгоритму обратного распространения ошибки (Back Propagation Algorithm, BPA); при этом каждый слой сети реализует отдельный этап нечеткого вывода. Входной слой фаззифицирует на основе заданных функций принадлежности входов, скрытые слои отображают совокупность нечетких правил и реализуют алгоритм нечеткого вывода, а выходной слой приводит к четкости выходную переменную. В процессе функционирования сеть SP_Net адаптирует параметры функций принадлежности, структуру базы знаний и параметры нечетких продукций.

2. ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ПРОГРАММНАЯ СРЕДА

Для поддержки процессов проектирования и реализации мультиагентных систем существует достаточное количество инструментальных средств, которые в большинстве случаев основанны на Java и фокусируются на строгой реализации спецификаций либо стандартов FIPA, либо стандарта по реализации систем мобильных агентов и обеспечению интероперабельности между различными архитектурами MASIF (Mobile Agents System Interoperability Facility) ассоциации OMG (Object Management Group).

Инструментальные средства разработки MAС должны формировать среду, оптимизированную для выпуска определенного типа приложений, со специфической архитектурой. В данном случае вместо инструментов типа сред быстрой разработки приложений (Rapid Application Development, RAD), главными средствами должны выступать управляемые архитектурой и контекстно-ориентированные инструменты, предназначенные специально для определенных прикладных областей, которые помогут разработчикам быстро строить сложные системы. В то время как инструменты RAD общего назначения используют только логическую информацию о программном обеспечении, инструментальные средства разработки MAС должны использовать также концептуальную информацию, зафиксированную в специфичных для предметной области моделях.

Чтобы высокоуровневые модели могли явно фиксировать намерения разработчиков в формах, поддающихся интерпретации инструментами, требуется использование доменно-специфичных языков, которые позволяют описывать программное обеспечение с определенной, специфической точки зрения. Такие языки могут быть реализованы как отдельные специальные языки, либо как расширения существующих языков общего назначения. Разработка доменно-специфичных языков и инструментов для узких проблемных областей возможна с использованием расширяемых средств, предоставляемых современными интегрированными средами разработки (Integrated Development Environment, IDE). Современные IDE, сочетая мощь языковых средств и продуктивность повторно используемых компонент с гибкостью управления базами данных, обеспечивают скорость визуальной разработки и позволяют быстро переводить приложение из стадии начального прототипа в рабочую программу.

Разработка подключаемых модулей специального назначения для существующих IDE облегчает построение специализированных инструментальных средств, нацеленных на узкие семейства программных продуктов, и обеспечивает высокие уровни специфичности и автоматизации по относительно невысокой цене. Таким образом, используя обычные приемы программирования можно собрать язык моделирования из компонентов, которые входят в библиотеку компонентов определения языков в IDE.

Библиотека метаинструментов, позволяющая конструировать доменно-специфичные языки, появилась на основе инициативы OMG MetaObject Facility (MOF). По сути MOF представляет собой метаязык, используемый для построения моделей, определяющих концептуальные структуры других языков. Он имеет отображения на Java и общую архитектуру брокера объектных запросов CORBA (Common Object Request Broker Architecture). Использование стандартного протокола CORBA обеспечивает межоперационную совместимрсть при интеграции приложений. К объектам CORBA имеют доступ сервисы, написанные на разных языках, что достигается благодаря концепции контрактов (CORBA формирует интерфейс, которому должны соответствовать все языки), в отличие, например, от платформы для создания распределенных приложений уровня предприятия J2EE (Java2 Platform Enterprise Edition), ориентированной только на язык Java. Выраженный на MOF абстрактный синтаксис, который используют метаинструменты, характеризует в абстрактной форме виды элементов, составляющих язык, и правила их комбинирования для получения составных элементов. Для определения абстрактного синтаксиса языков моделирования используются метамодели. В MOF обобщенное отображение метамодели реализуется на расширяемый язык разметки (eXtensible Markup Language, XML), который обеспечивает стандартный формат передачи данных между приложениями. Метаинструменты для создания доменно-специфичных языков и доменно-специфичных сред моделирования, подобные тем, что основаны на MOF, стали появляться на рынке и могут быть интегрированы в IDE.

Разрабатываемая в МГУПИ проблемно-ориентированная среда АgentIT4 представляет собой специфичную для домена RAD. Как и RAD общего назначения, она автоматизирует задачи разработки, используя при этом не только логическую информацию о программном обеспечении, но и концептуальную информацию, зафиксированную в специфичных для домена моделях. Модели, используемые в среде АgentIT4, представляют собой ассоциированные с агентами формальные абстракции, сосредоточенные на специфичных аспектах требований и архитектуре. Они основаны на доменно-специфичном языке, чья семантика точна и однозначна. При этом среда АgentIT4 не замыкает потребителей в пределах фиксированной архитектуры и модели программирования. Благодаря возможности интеграции с промышленными IDE она позволяет также использовать низкоуровневые конструкции (методы, классы).

Среда АgentIT4 реализует стандартные низкоуровневые механизмы агентных платформ, такие как создание сетевых соединений между агентами, поиск определенных агентов. С точки зрения разработчика, все агенты расположены в единой среде, хотя физически они могут располагаться на различных компьютерах. Агенты используют определенные сервисы, предоставляемые средой при поиске других агентов и при сохранении либо возобновлении своего состояния на сервере. В системе не предусматривается реализация всех возможных протоколов взаимодействия (например, определенных в стандартах FIPA). Разработчики вместо того, чтобы подстраиваться под существующие протоколы взаимодействия, могут самим реализовать специализированные протоколы для своих нужд.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная в статье технология разработки прикладных многоагентных систем основана на нейрологической модели, в которой существует два типа агентов. Модели реактивных и когнитивных агентов сочетают строгие формальные методы и модели поиска решений с нечеткими и нейросетевыми методами и моделями. Нечеткость включается как в элементы структуры нейронных сетей реактивных агентов, так и в механизм немонотонного вывода когнитивных агентов. Создание MAS основывается на ключевых идеях о систематическом повторном использовании, разработке сборкой и управляемой моделями разработке.

Специализированные инструментальные средства разработки многоагентных систем позволяют разработчикам сконцентрировать свои усилия на решении задач прикладного характера. Для поддержки создания MAS, базирующихся на рассмотренных в статье моделях агентов, в МГУПИ разрабатывается проблемно-ориентированная инструментальная среда АgentIT4. Данный инструментарий, состоящий из интерактивных мастеров и панелей свойств, формирует среду, оптимизированную для создания обучающих систем, которые должны осуществлять адаптивное обучение с использованием персональных обучающих агентов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Барсегян А.А., Куприянов М.С.,Степаненко В.В., Холод И.И. Технологии анализа данных: Data Mining, Visual Mining, Text Mining, OLAP. - СПб.: БХВ-Петербург, 2007.

2. Борисов В.В., Круглов В.В., Федулов А.С. Нечеткие модели и сети. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

3. Борисов В.В., Федулов А.С. Нечеткие оценочные модели сложных систем с учетом согласования неравнозначных целей // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. -2003. -№5. -С.3-12.

4. Городецкий В.И., Карсаев О.В., Конюший В.Г., Самойлов В.В., Хабалов А.В. Среда разработки многоагентных приложений MASDK // Информационные технологии и вычислительные системы. -2003. -№12 -С.26-41.

5. Зайцев Е.И. Методология представления и обработки знаний в распределенных интеллектуальных информационных системах.// Автоматизация и современные технологии. - 2008. - №1. - С.29-34.

6. Зайцев Е.И. Об интеграции коннекционистского и семиотического подходов и разработке распределенных интеллектуальных систем//. Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте. Сборник научных трудов IV-й Международной научно-практической конференции (Коломна, 28-30 мая, 2007 г.). - М.:Физматлит, 2007. -С.314-321.

7. Рассел С., Норвиг П. Искусственный интеллект: современный подход. - М.: Вильямс, 2006.

8. Тарасов В.Б. От многоагентных систем к интеллектуальным организациям. - М.: Эдиториал УРСС, 2002.

9. Ярушкина Н.Г. Основы теории нечетких и гибридных систем: Учебное пособие. - М.: Финансы и статистика, 2004.

10. Hassler V. Online Collaboration Products. // Computer. - 2004. - Vol.37, №11. - P. 106-109.

11. Griswold W. et al. ActiveCampus: Experiments in Community-Oriented Ubiquitous Computing // Computer. - 2004. - Vol.37, №10. - P. 73-81.

12. Bellifemine F., Poggi A., Rimassa G. Developing Multi-Agent Systems with a FIPA-Compliant Agent Framework // Software - Practice and Experience. - 2001 -Vol.31, № 2. - P.103-128

13. Agent-Oriented Software Engineering// Ed by O.Ciancarini, M.Wooldridge. - Berlin: Springer, 2001. -P. 91-103.

14. Pavon J., Gomez J., Fuentes R. The INGENIAS Methodology and Tools // Agent-Oriented Methodologies/ Ed. by B. Henderson-Sellers, P. Giorgini. - New York: Idea Group Publishing, 2005 - P. 236-276.

15. Greenfield J., Short K. Software Factories: Assembling Applications with Patterns, Models, Frameworks and Tools. - New York:Wiley Pablishing, Inc., 2004.

Размещено на Allbest.ru