12.2. Архитектура агента

Основная идея архитектуры заключается в том, чтобы представить агента как множество уровней, которые связаны через управляющую структуру и используют общую базу знаний. Это архитектура представлена на рис. 12.1. Она состоит из пяти основных блоков: интерфейса с внешним миром; ком­поненты, основанной на поведении; планирующей компоненты; компонен­ты, ответственной за кооперацию с другими агентами и базы знаний агента. Интерфейс с внешним миром определяет возможности агента по воспри­ятию событий внешнего мира, воздействию на него и средства коммуника­ции.

Компонента, ответственная, за реактивное поведение, использует базо­вые возможности агента по реактивному поведению, а также частично ис­пользует знания агента процедурного характера. Она базируется на поня­тии «фрагмента поведения» как некоторых заранее заготовленных реакций агента на некоторые стандартные ситуации. Это позволяет агенту в стан­дартных ситуациях не обращаться к планированию на основе знаний и реализовывать значительную часть своего поведения рутинным образом с хорошей эффективностью. Из базы знаний ей доступны только знания нижнего уровня абстракции, где содержится информация о фрагментах поведения.

Компонента, ответственная за планирование, содержит механизм планирования, позволяющий строить локальные планы агента, т.е. планы, не свя­занные с кооперативным поведением. План представляется в виде графа, узлами которого могут быть либо конкретные наборы действий вплоть до элементарных шагов поведения, либо новые субпланы, подлежащие дальнейшей конкретизации. Таким образом, планирующая компонента активи­рует поведение (через нижележащую компоненту), направляемое целями. Она же участвует и в планировании, связанном с кооперативным поведени­ем агентов. Эта компонента может использовать знания двух нижних уров­ней абстракции.

Компонента, ответственная за кооперацию агентов, участвует в конст­руировании планов совместного поведения агентов для достижения некото­рых общих целей или выполнения своих обязательств перед другими аген­тами, а также выполнение соглашений. Этой компоненте доступны все зна­чения всех трех уровней абстракции.

12.3. Мультиагентные системы (mac) и виртуальные организации

Любая многоагентная система (MAC) состоит из следующих основных компонентов:

1. множество организационных единиц, в котором выделяются подмножество агентов 1а), манипулирующих подмножествами объектов 1б);

2. множество задач;

3. среда, т.е. некоторое пространство, в котором существуют агенты и объекты;

4. множество отношений между агентами;

5. множество действий агентов (например, операций между объектами).

В MAC задачи распределены между агентами, каждый их которых рассматривается как член группы или организации. Распределение задач предполагает назначение ролей каждому их членов группы, определение меры его ответственности и требований к опыту.

Основными направлениями в разработке MAC является распределен­ный искусственный интеллект (РИИ). Ядро РИИ составляют исследования взаимодействия и кооперации небольшого числа интеллектуальных аген­тов, например, классических интеллектуальных систем, включающих базы знаний и решатели. Главной проблемой РИИ является разработка интел­лектуальных групп и организаций, способных решать задачи путем рассу­ждений, связанных с обработкой символов. Иными словами, здесь коллек­тивное интеллектуальное поведение образуется на основе индивидуальных интеллектуальных поведений. Это предполагает согласование целей, интересов и стратегий различных агентов, координацию действий, разрешение конфликтов путем переговоров; теоретическую базу здесь составляют результаты, полученные в психологии малых групп и социологии организа­ций.

Важным разделом РИИ является кооперативное распределенное решение задач. Речь идет о сети слабо связанных между собой решателей, которые совместно работают в целях решения задач, выходящих за рамки индивидуальных возможностей. Различные узлы подобной сети, как правило, имеют неодинаковый опыт (знания, точки зрения) и разные ресурсы. Каждый узел должен быть способен модифицировать свое поведение в зависимости от обстоятельств, а также планировать свои стратегии коммуникации и кооперации с другими узлами. Здесь показателями уровня кооперации являются: характер распределения задач, объединение различных точек зрения, конеч­но, возможность решения общей проблемы в заданное время.

Распределенное решение задач несколькими агентами разбивается на следующие этапы:

1. агент-менеджер (центральный орган) проводит декомпозицию исход­ной проблемы на отдельные задачи;

2. эти задачи распределяются между агентами-исполнителями;

3. каждый агент-исполнитель решает свою задачу, подчас также разделяя ее не подзадачи;

4. для получения общего результата производится композиция, интегра­ция частных результатов, соответствующих выделенным задачам.

Взаимодействие агентов — вот первое, что выступает перед нами, когда мы говорим о MAC. Взаимодействие означает установление двусторонних динамических отношений между агентами. При этом оно является одновре­менно источником и продуктом некоторой организации. Иными словами, взаимодействие представляет собой не только следствие каких-либо дейст­вий в MAC, выполняемых агентами в одно и то же время, но и необходимое условие формирования социальных организаций.

Координируемое сотрудничество означает, что агенты должны согласовывать свои действия (возможно, с помощью специального агента-координатора), чтобы продуктивно использовать наличные опыт и ресур­сы.

Индивидуальное соперничество за ресурсы представляет собой классиче­ский вариант конфликтной ситуации, когда каждый агент хочет монополи­зировать имеющиеся совместные ресурсы. В случае чистого коллективного соперничества, агентам, имеющим различные индивидуальные цели, но не, достаточный опыт для их достижения, приходится объединяться в коалиции. При этом вначале происходит формирование групп агентов, а затем начина­ется соперничество между этими группами. Наконец, коллективное сопер­ничество за ресурсы, т.е. ситуация, комбинирующая коллективное соперни­чество и индивидуальные конфликты за ресурсы, представляет собой наибо­лее продуктивный случай конфликтной ситуации с точки зрения функцио­нирования MAC, поскольку конкурирующие группы способствуют ликвида­ции монополий и расширению рынка услуг.

Понятие кооперации агентов играет центральную роль в MAC. Коопе­рация — это основная форма организации взаимодействия между агента­ми, характеризующаяся объединением их усилий для достижения совмест­ной цели при одновременном разделении между ними функций, ролей и обязанностей. В общем случае это понятие можно определить формулой: кооперация = сотрудничество + координация действий + разрешение кон­фликтов.

Более детально уровень кооперации агентов в MAC можно определить на основе следующих показателей:

1. высокая степень распределения ресурсов (в том числе, знаний);

2. избегание (или малая длительность) конфликтов;

3. координация действий, включая согласование действий агентов в пространстве и во времени;

1. высокая степень запараллеливания (совмещения) задач, решаемых различными агентами;

4. неизбыточность действий, довольно малое число дублирующих, повторяющих друг друга действий;

5. устойчивость, понимаемая как способность MAC пережить отказ или потерю агента.

Механизм опосредованной коммуникации реализуется с помощью архи­тектуры «доски объявлений» (blackboard). Здесь основная идея состоит в воспроизведении взаимодействия нескольких агентов посредством доски объявлений, на которой написаны все известные сведения и указаны решае­мые задачи.

В принципе модель доски объявлений состоит из трех частей:

а) источников знаний;

б) структуры данных типа доски объявлений;

в) управляющего компонента.

В построенных таким образом распределенных интеллектуальных систе­мах базы знаний разбиваются на отдельные независимые модули знаний, ориентированные на конкретную задачу и соответствующие компетенции данного агента. Нередко модули знаний разделяются на два основных клас­са:

1. модули стратегий, служащие для планирования и управления процес­сом принятия решения задачи;

2. модули тактик (активации правил), обеспечивающие реализацию стратегий и выполнение действий.

Общая архитектура доски объявлений не накладывает никаких ограниче­ний на способ представления знаний. Эти модули могут функционировать на основе правил, фреймов, сетей, сценариев и т.д., а могут быть и простыми интерфейсами для обычных алгоритмических программ.

Когнитивные агенты как источники знаний не участвуют в их текущей обработке: они имеют декларативные знания и метазнания, используемые в модулях знаний.

Специальный класс источников знаний образует схему знаний, аналогич­ную схеме баз данных. Они реализуют механизм хранения метазнаний, описывающих модули знаний. Метазнания определяют по тому, как они соотно­сятся с контекстом и другими модулями знаний. По сути, метазнания — это декларативные знания, описывающие процесс решения задачи и относящие­ся к верхнему уровню интеллектуальной системы.

Доска объявлений должна содержать область прохождения сообщений, информацию о процессе решения задачи и состоянии агентов. Область сообщений обеспечивает механизм коммуникации, обмена запросами для различных модулей знаний. В простейшем случае доска объявлений имеет статическую структуру, включающую слоты для всех модулей знаний, и разбита на уровни, которые отражают различные степени абстракции в описании решаемой задачи. В слоты помещается описание различных гипотез и вари­антов коммуникации. При работе интеллектуальной системы различные мо­дули знаний независимо порождают, обновляют и оценивают гипотезы, относящиеся к проблемной области.

С доской объявлений связан также специальный модуль — схема доски объявлений, охватывающая декларативные знания о содержимом, организа­ции и использовании доски объявлений. В этом модуле также хранится информация о том, какие модули знаний имеют дело с различными слотами. Эта информация служит для интеграции различных компонентов системы. Таким образом, обеспечивается механизм интерпретации доски объявлений и посылки новых сообщений.

В соответствии с рассматриваемым подходом, базовая операционная, стратегия совместной работы агентов на основе доски объявлений состоит в выдвижении и обосновании гипотез (предположений). Различные агенты (*источники знаний) определяют, как сформулировать и доказать гипотезу (стратегический уровень) и, далее, как провести ее пошаговую верификацию (тактический уровень). Тогда механизм вывода состоит из двух компонен­тов: список (последовательность) задач и монитор. В список (agenda) вклю­чаются все задачи, которые получены MAC в текущий период времени. В любой момент времени в нем содержатся все задачи, выполняемые на основе данных с доской объявлений.

Монитор используется для контроля всего процесса решения задачи. Он сортирует задачи из списка и эвристическим путем выбирает следующую задачу для выполнения. Монитор осуществляет проверку доски объявлений и области сообщений после работы каждого агента, анализирую слоты классной доски, связанные с гипотезами, определяющими текущее состоя­ние процесса решения. На основе механизмов прямого или обратного выво­да монитор определяет, какие модули знаний соответствуют текущему со­стоянию.

Важнейшей сферой исследований в области коммуникации агентов явля­ется построение протоколов для ведения переговоров. К разработке протоко­лов обычно предъявляются следующие требования:

а) простота;

б) децентрализация (преговоры осуществляются напрямую, без центра­ лизованного управления);

в) симметричность (все агенты являются равноправными участниками переговоров;

г) устойчивость (протоколы переговоров на должны позволять агентам, отклонившимся от установленных правил ведения переговоров, извлекать дополнительную пользу);

д) эффективность (как по отношению к отдельным агентам, так и по от­ ношению к их коалициям).

Построение протокола ведения переговоров включает три шага:

• определение пространства возможных соглашений;

• введение правил взаимодействия (например, на основании теории рече­вых актов в терминах «предложение — контрпредложение»;

• задание оптимальных стратегий агентов.

Классическими методами исследования переговорных процессов являют­ся методы теории полезности и теории игр, в частности, известные модели и условия оптимальности, выраженные в виде принципов равновесия. Так принцип Парето применяется для сильно централизованных систем, подсистемы которых имеют широкие возможности обмена информацией о прини­маемых решениях, а равновесие по Нэшу характеризует децентрализованные системы. Эти типы оптимальности имеют разные «идейные основания»: ос­новой оптимальности по Нэшу является устойчивость системы, обусловлен­ная интересами и возможностями отдельных подсистем, тогда как принцип оптимальности по Парето опирается на идею полезности, выгоды для систе­мы в целом, понимаемой как выгода сразу для всех ее подсистем. С учетом вышеприведенных требований к разработке протоколов в MAC большее применение находит арбитражная схема Нэша или математически эквива­лентная ей модель Зейтена.

Среди протоколов ведения переговоров в РИИ широкое распростране­ние получил протокол монотонных минимальных уступок, который опре­деляет процесс переговоров между двумя агентами. Агенты делают пред­ложения по очереди, начиная с самых выгодных для себя предложений. В процессе переговоров агенты монотонно отступают от своих первоначаль­ных требований, т.е. функция полезности каждого агента монотонно убы­вает на последовательности его предложений. Доказано, что в результате переговоров агенты выбирают то соглашение, которое максимизирует произведение их функций полезности. Множество возможных соглашений в протоколе монотонных минимальных уступок (переговорное множество) состоит из всех индивидуально рациональных соглашений, эффективных по Парето.

В начале 1980-х годов, Р. Смит разработал модель распределенного решения задач, названную им «контрактной (договорной) сетью» (contract net), которая и сегодня имеет большой резонанс. В основе модели договор­ных сетей лежит простейшая идея рыночных торгов. Имеются два типа агентов: агенты-менеджеры и агенты-исполнители (покупатели). Агент-менеджер распространяет объявление о задании и определяет исходную цену, а агенты — потенциальные исполнители предлагают услуги, посылая свои варианты цен, и подчас участвуют в конкурсе на определение наи­лучших предложений по исходному заданию. Затем агент-менеджер отби­рает самые выгодные для него предложения и заключает соглашение с вы­бранными агентами-исполнителями, которые становятся агентами-подряд­чиками.

Основное преимущество модели договорных сетей состоит в ее простоте и легкости реализации. К числу недостатков данной модели относятся, в первую очередь, отсутствие продуманного механизма выбора подрядчика и высокая загрузка коммуникационных каналов. Кроме того, модель препятствует появлению агентов-посредников, которые выступают как спекулянты, покупая и перепродавая одну и ту же задачу несколько раз.

Известны различные усовершенствования модели Смита. Например, могут вводиться специальные агенты-консультанты, роль которых со­стоит в оказании помощи менеджерам при оповещении потенциальных исполнителей и обработке предложений. На сегодня самым удачным ва­риантом развития модели договорных сетей считается комбинированная модель Т. Сандхолма, где агентам-подрядчикам разрешено выполнять одновременно несколько задач. Для каждого подрядчика формируется пакет текущих задач, причем, при добавлении к этому пакету новой зада­чи, учитываются не только ее характеристики, но и уже принятые обяза­тельства. Здесь происходит объединение модели переговоров на уровне двухсторонних взаимодействий с моделью поиска исполнителей на уров­не всей сети.

В любых MAC центральную роль играют структуры управления и при­нятия решений. Управление определяет ограничения на взаимодействия ме­жду агентами, вид организации и характер эволюции MAC. Классическая структура управления предполагает субординацию агентов, т.е. способ заста­вить одних агентов выполнять поручения других. Иерархия отношений су­бординации представляет собой древовидную структуру. В противополож­ность этому в MAC могут вводиться и эгалитарные структуры, когда всякий агент может попросить любого другого агента выполнить некоторую задачу, и потенциальный исполнитель всегда может отказаться.

По мнению Вернера, фундаментальными особенностями группы, состав­ленной из виртуальных агентов, сотрудничающих во имя достижения общей цели, являются социальная структура и распределение ролей между агента­ми. При этом социальная структура образуется в результате назначения со­циальных ролей.