一种基于多种机制的智能体情感建模方法

张族锦，杨士颖，张文俊，赵凡

0 引言

从柏拉图到笛卡尔，长久以来理性逻辑推理，在人类的实践行为中占据着中心地位，情感大多被认为是理性认知过程的对立面，影响理性决策的质量。然而近代以来认知心理学以及神经学的发展表明，情感是日常生活中的一个必要部分，它影响感知、行为和认知。情感对于人类非常关键，以神经科学家Damasio为代表的研究表明，情绪和情感对于日常的决策制定十分重要[1]。情绪和情感能力是人类与当前当前智能机器的最大区别，为智能机器建立情感系统，可以创造比较完备的拟人化智能体，使得智能体更加逼真，对于模拟真实的人类以及动物的情感情绪行为，甚至是对于研究人类的决策行为研究，都有重要积极的意义。

自上世纪60年代simon开始，将情感研究引入认知研究的过程中之后，情感研究越来越引起人们的重视，建立了很多情感计算模型。其中有Reilly构造的具有可信性和社会性的情绪主体系统，用于产生交互式戏剧[2]，Roseman定义了的多维度的情绪空间用于情感合成[3]，Reisenzein在认知评价过程中合成的情感[4]，以及基于大脑情感回路的情感模型[5]等等。但是，这些模型大多基于单一机制进行情感生成，无法完整表现智能体的情感能力。本文提出一个基于多种机制的综合情感合成模型，并且建立了一个较为完备的智能体情感模型。该模型不光有情感合成能力，而且有即时反应能力以及认知能力，从而其智能表现更接近动物的本体。

1 基于多种机制的综合情感合成模型

人的第一经验和心理科学的研究表明，认知评价可以领先于情感的产生，因此有必要对认知产生的情感和非认知产生的情感加以区分[6]。Damasio对第一性情感和第二性情感的区分，就属于这类的有益区分。第一性情感伴随着身体反应，也叫先天的情感。比如当把脏东西放在嘴唇上时，就可以在脸上表现出厌恶的表情，即使是刚生下来生活不长的只有脑干的婴儿，也会有这种表情。这种情感适合于需要快速、极少需要修正的反应。第二性的情感为在发生第一性情感和目标与条件的分类之间存在系统性联系时，在个体中延迟形成的情感。以悲伤为例，它是对一些事件（如亲人的去世）的认知上的理解相联系时产生的情感。

第一性情感由先天的硬接线或“编译”的过程产生，可以具有简单的学习能力；而第二性情感则由认知评价产生。目前使用最普遍的是Ortony等提出的OCC情感识别模型[7]，该模型设计的结构化规则，较容易在计算机中实现。OCC模型通过考虑环境中所发生的各种事件、行动和对象，确定引发的各种情感：发生的事件根据主体的目标被评价为满意的或不满意的；主体自身或其他对象的行为，根据一组标准的集合，被评价为赞成的或不赞成的；对象则根据主体的态度被评价为喜欢的或不喜欢的。综合这些因素，产生了一个包含22类情感的层次结构。

第一性的情感是硬接线的，由直接的映射产生，而第二性情感的合成过程则相对复杂，下面具体分析该过程：

（1）分类。在分类阶段个体评价事件、行动或者对象，从而产生相应的情感类型。在该阶段个体根据事件、行动对目标的影响结合各种评价因素生成相应的情感类型。

（2）量化。在量化过程，个体根据各种评价因素计算情感的强度值。Price提出了一个计算情感强度的方法[8]。情感强度由个体目标实现的愿望强度和目标实现的可能性决定，计算方法根据目标的正负性不同而略有不同。若个体目标是对好的结果的追求，则应用正性情感强度生成方法；若个体目标是对不好结果的避免，则应用负性情感强度生成方法。正负性情感的计算方法描述分别为：

其中Fpos和Fneg分别为正负性情感强度值，令其取值范围（0，1），若二者取值小于零，则取其值为零。D为目标实现的愿望强度，取值范围（0，1），E为目标实现的可能性，取值范围（0，1）。

2 具有综合情感的智能体

2.1 智能体架构

在以上情感合成模型的基础上，智能体还需要融入其他的能力，才能建构成一个完备可信的系统，从而在特定环境下灵活、自主地活动。这些能力应该包括：感知环境的事件和自身生理状况的能力、根据事件生成目标并规划执行行为的能力。综合智能体的这些特点，提出如下面图1的混合式智能体结构。

图1 混合式的智能体结构

在该结构中，各部分功能如下：

（1）感知模块。对环境中发生的事件和自身生理状态进行感知，形成感知信息，并将其输入到记忆模块，形成内部符号表示。这些感知信息包括事件、行动和对象。

（2）记忆模块。用于存储感知到的事件、行动和对象等信息，为情感生成和认知模块的运行输入参数。该模块还可以存储历史情感状态。

（3）认知模块。该模块从记忆模块提取感知信息，生成目标，并对目标进行规划，形成基本的行为序列计划以完成生成的目标。

（4）情感模块。该模块生成情感状态，并对其进行衰减，产生情绪。

（5）控制器。该模块对认知过程、情感生成过程和行为执行过程的执行顺序加以控制，以使智能体产生正确的行为。

（6）行为模块。该模块将各种基本行为分解成具体的行动并执行。

2.2 智能体整体运行

智能体在环境中活动，外部环境和内部环境（即自身生理状态）不断变化，智能体根据感知模块得到的环境信息，然后内部进行一系列活动之后输出行动，活动执行对环境产生交互作用。

本文的智能体以生存为目的，需要适于生存的快速情感和行为反应，其内部活动是一个复杂的过程：

（1）更新环境，获取感知信息。

（2）感知信息放入记忆，产生第一性情感并存入记忆，生成相应的表情。不管有没有第一性情感产生，继续以下活动。

（3）根据需要产生快速反应的条件反射动作，比如避碰行为，结束本次内部活动，如没有则继续以下活动。

（4）从记忆模块获取最近感知到的信息，根据信息进行新目标生成、目标规划，并生成行为序列，转（6）。如果没有新目标生成，顺序进行以下活动。

（5）从记忆模块获取最近感知到的事件、对象、行动等信息，结合当前目标对事件等进行认知评价，进而产生第二性情感，取智能体最大强度的情感状态显示表情。

（6）将基本行为分解成基本动作进而执行。

3 智能体整体系统的模拟

为了验证所建立的智能体情感模型的合理性和有效性，本文在WindowsXP操作系统下使用Visual Studio2005构造了一个仿真实验环境，如图2界面所示。

图2 智能体处于初始状态

在此仿真环境中，智能体的活动仿真包括自己的栖息地、池塘和果树，果树分为苦味果和美味果。智能体和动物生活在这个仿真环境里。动物分为肉食动物和草食动物，动物们在仿真环境里随机移动，肉食动物见到草食动物和人会主动攻击，而草食动物遇到水果会吃水果。智能体感知环境的变化进行，产生感知信息，通过认知模块推理产生行为决策。同时情感模块对感知信息进行评价，计算出智能体新的情感。智能体自身的生理状态包括饥饿程度和口渴程度，当智能体饥饿时则吃水果充饥，口渴时则喝水。智能体在自身生理状态都满足平衡的情况下在环境中随机移动，产生闲逛行为保持自身的舒适。当遇到肉食动物时会遭到其攻击，此时智能体会为了保存自己的生命而选择逃跑或者攻击。因此智能体的目标是解除饥饿、解渴和保存生命以及保持舒适。

为了论证智能体的情感反应因素，可将问题简单化，假设智能体只有第一性情感（厌恶）和两种第二性情感（快乐、害怕）。通过系列仿真实验，结果表明在仿真环境中，智能体能够表现出理性的行为和合理的情感。图2、3、4、5分别显示了智能体在各种情况下的情感状态。图2中为智能体初始状态，没有任何情感。经过一段时间后，智能体处于饥饿状态，建立解除饥饿的目标，进行认知规划开始外出摘水果吃。当智能体运动到苦味果果树边，摘得苦味果后，触发其第一性的厌恶情感，表情如图3所示。

图3 智能体摘到苦味果，产生厌恶的情感

智能体继续移动，来到美味果果树边，摘到美味果吃下后，因为完成了解除饥饿的目标，产生了快乐的情感，表情如图4所示。

图4 智能体摘到美味果，产生喜悦的情感

智能体吃完水果后生理处于平衡状态，产生闲逛行为。闲逛中智能体遭遇了肉食动物，遭受其攻击，逃跑失败，也就是智能体保存生命的目标失败，智能体产生害怕的情感，表情如图5所示。

图5 智能体遭遇肉食动物攻击，产生害怕的情感

4 结论

本文提出的基于多种机制的情感模型，实现了智能体的情感行为的仿真。仿真实验的结果也验证了所建立智能体情感模型的合理性和有效性，表明具有情感的智能体更能反映动物行为的本体和真实性。此方法经过完善后，可以对智能体更多的情感因素进行行为的仿真，但就情感的衰减、情感的相互转移等问题将有待于进一步的研究。

[1]安东尼奥·R.达马西奥.笛卡尔错误情绪、推理和人脑[M].北京:教育科学出版社，2007.

[2]Reilly W S. Believable Social and Emotional Agents[R].PhD thesis. Technical Report CMU-CS-96-138,School of Computer Science,Carnegie Mellon University,Pittsburgh, PA. 1996.

[3]Roseman I J. Cognitive aspects of emotion and emotional behavior[C]// Paper presented at the 87th Annual Convention, American Psychological Association. New York, NY. September 4, 1979.

[4]Reisenzein R. Appraisal processes conceptualized from a schema-theoretic perspective: Contributions to a process analysis of emotions[C]// Appraisal processes in emotion:Theory,methods, research, pp.187-201, Oxford University.

[5]王上飞,王煦法.基于大脑情感回路的人工情感智能模型[J].模式识别与人工智能，2007,（4）.

[6]罗莎琳德·皮卡德.情感计算[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[7]Ortony A,Clore G,Collins A.The Cognitive Structure of Emotions[M]. Cambridge University Press, New York,1988

[8]Donald D,Price J E, Barreil, J J,Barrell. A Quantitative-Experiential Analysis of Human Emotions[J].Motivation and Emotion, 1985,9(1).