基于认知的情感多Agent交互建模研究

周豪+谢昕

摘  要：以多角色CVLE建模和角色情感为研究主线，在结合国内外虚拟环境、认知理论、情感理论、多Agent系统（Multi-Agent System，MAS）理论等相关文献基础上，针对CVLE具有多角色、开放式、协作性、感知性的特点，提出一种基于角色组织与感知的多Agent框架模型；针对虚拟角色认知与情感交互影响特点，提出了基于认知的情感交互建模，可实现具有开放式多角色的协同虚拟学习环境系统。

关键词：CVLE；Agent；情感交互；建模

中图分类号：TN915.5           文献标识码：A

1   引言（Introduction）

随着20世纪末e-learning的诞生与发展，将协同虚拟环境与e-learning相结合应用成为基于网络的学习领域新的需求，从而推动了对协同虚拟学习环境（Collaborative Virtual Learning Environment，CVLE）这个新领域的研究[1]。近年来各国学者在该领域进行大量研究随着IT技术的迅速发展，我国的网络教育市场也在迅猛发展，根据资料显示到2013年底我国网络教育用户已达到2650万人，作为网络教育的新方式e-learning也逐渐被广大人群使用[2]。CVLE作为特殊的e-learning系统，由于其具有语音、行为、情感上的互动，让教学变得更加生动，给学习者与教育者真实的交互感受，这使得CVLE将会在职业培训、企业培训、终身学习等方面起到重要作用，尤其对推动江西网络教育的发展，改变江西教育及科技相对落后的现状具有重要的现实意义[3]。

为了提高虚拟培训学习环境的真实感和体验感，情感建模也逐渐地被应用到协同虚拟培训学习环境中[4]。情感模型研究起始于国外，OCC模型是第一个易于计算机实现的认知情感产生模型，它是对环境中事件、主体和对象感知进行评价的情感模型[5]。Particia等结合OCC情感模型，提出一种智能学习环境中学生情感推理建模的BDI方法，该方法能有效推断学生表情、建立表情模型和选择合理的情感策略[6]。Sloman提出了基于情感h-cogaff斯洛曼情感描述模型，试图描述自然发生的过程，探讨内部潜在的机制研究引起的出现和情感行为的变化[7]。通过以上对比可以看出，国外重点在认知对情感作用的研究，但较少针对认知与情感交互影响模型进行研究，而国内在情感领域也有众多研究，并且结合认知过程讨情感问题，取得了一定的研究成果，但侧重于情感理论研究，在研究情感应用系统上有待加强。

2  协同虚拟环境建模（Collaborative virtual

environment modeling）

协同虚拟环境（CVLE）是协同虚拟、人工智能技术结合应用与e-learning的产物，其目的是为用户提供共享的、真实感的虚拟学习空间，使人们更真实，自然，协同交互协调，人与人之间的讨论和学习。CVLE也不完全相同于一般的协同虚拟环境系统，CVLE更注重于教学、指导与交流，其自身的特点主要表现在：

（1）过程的协同和互动服务的复杂性，因为虚拟的协作学习环境，在分布式环境中，虚拟教室环境的建立，包括不同的参与者和合作之间的相互作用，带来非常模拟难度大。

（2）具有多角色性和开放式，即使用者具有多种角色，且存在角色转换、自由入场退场等开放式问题。

（3）具有情感交互性特点，经验表明情感是学习效果的重要的影响因素。以上相关问题是影响CVLE发展和应用的重要因素，也是使其成为当前国内外研究热点的重要原因，目前国内外相关文献大部分只是从某一方面进行讨论，而没有明确给出一个完整的解决方案。

该模型设计结构如图1所示，首先将CVLE划分为角色类型空间、角色空间和Agent社会三个层次空间，然后根据层次映射关系分别实现原子角色、角色组织、角色实体三种核心对象建模，最后在Agent社会层与基于感知的多Agent框架模型融合，实现Agent之间数据协同交互，其主要过程如图1所示。

图1 角色组织设计结构图

Fig.1 Design structure chart of character organization

（1）原子角色模型是一种抽象的单纯的角色概述，原子角色模型的定义采用抽象的规范化语言进行描述。根据实际案例构建角色原子模型需要按照以下操作进行，如图1所示，首先根据实际应用需求，提取场景中原子角色属性，构建各种基本角色的原子角色模型。

（2）提取协同虚拟环境中实际的角色需求，分析角色需求内涵中包含的原子角色类型，然后根据角色需求与原子角色之间的继承、依赖、关联关系，构建角色需求的角色组织结构，多个角色组织结构的集合组成了角色类型空间。

（3）根据上一步已经完成的角色组织结构，分析虚拟每个虚拟人物各自属性与功能服务特点，采用量化方式对各项属性赋值，并根据角色行为要求实现其功能与服务内容，针对每一虚拟角色生成该虚拟人物的角色实例。

（4）角色实例中已经包含了虚拟人物的属性、功能和服务，因此将角色实例与Agent智能体关联应用，决定了Agent所扮演的角色类型；其所采用的主要方法是将角色实体的属性、功能服务注入到Agent结点中，Agent根据角色实体中各项参数进行协同交互活动，实现角色组织与基于感知多Agent框架模型的无缝融合。

3 情感交互模型建模（Emotional interaction

modeling）

基于认知的情感交互模型是一种以认知、情感及其相互关系为研究内容的情感研究模型，该模型遵循“事件感知—评价决策—情感影响—经验学习”的流程设计思想，符合自然人类认知与情感过程。本模型结构如图2所示，其包含评价模型、场景认知图、情感模型、经验学习模型、行为决策模型等组成部分。该模型的主要研究过程如图2所示。endprint

图2 基于认知的情感交互模型框图

Fig.2 Model diagram of emotional interaction based cognitive

（1）结合认知学理论，研究认知与场景、对象、事件、情感等之间交互的内涵本质，提出场景认知图概念，它是虚拟角色对场景环境和社会交互形势的认知积累，其包含地形认知图、对象认知图、活动认知图、情感认知图和关系认知图；结合Object-Z语言采用形式化描述的方法构建场景认知图的数学模型，并在计算机中采用结构化和图形化方法进行表示。

（2）结合场景认知图、模糊规则库，构建基于认知的事件模糊评价模型；通过该评价模型，对外部事件和活动进行评价，从而推测情感影响因子。

（3）从情绪心理学基本理论出发，分别从性格、心境、情绪三个层次分析情感组成要素，如五元组的使用（Frank、负责、性格外向、开朗的性格、神经质）表示的空间，使用PAD（快乐的觉醒的乐趣、激发、显性）方法是心灵的空间，根据五种典型的情感参数在OCC模型（愤怒、厌恶、恐惧、快乐、悲伤）表达的情感空间，根据OCC模型中五个典型情感参数（愤怒、厌恶、恐惧、高兴、悲伤）表示情绪空间，采用非线性方程描述情感影响因子、性格、心境、情绪之间相互影响关系，从而构建情感因子影响的情感模型。

（4）对于虚拟角色经验学习与行为决策功能，通过构建事件交互知识库，对每次事件交互进行记录，对每一种事件目的、动作及所产生的情感影响因子进行统计，选择目的相似，而且影响情感因子能量概率最大的行为动作，作为其决策行为。

4   结论（Conclusion）

针对CVLE具有多角色、开放式、协同性的特点，建立一种基于多角色组织与感知的多Agent框架模型；针对虚拟人物智能体具有认知与情感相互影响的特点，建立一种基于认知的情感交互模型。通过这两种模型的结合应用，最后实现具有情感感知交互、开放式多角色的协同虚拟学习环境系统。

参考文献（References）

[1] 张雪元，王志良，永井正武.机器人情感交互模型研究[J].计算

机工程，2006，32（24）：6-8.

[2] 杨宏伟，潘志庚，刘更代.一种综合可计算情感建模方法[J].计

算机研究与发展，2008，45（4）：579-587.

[3] 石琳，等.智能虚拟环境中主体的情感计算研究[J].计算机应

用，2010，30（5）：1367-1370.

[4] 李海芳，何海鹏，陈俊杰.性格心情和情感的多层情感建模方

法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2011，23（4）：725-730.

[5] 薛为民.基于认知机制的情感虚拟人交互技术研究[J].北京联

合大学学报（自然科学版），2010，24（4）：1-6.

[6] 张志勇，等.基于角色和协作场景的MAS管理模型及应用[J].

计算机应用软件，2005，22（10）： 109-111.

[7] 周留军，等.基于学习者个性因素的多Agent协同学习系统[J].

计算机工程与应用，2005，30（255）：93-95.

作者简介：

周  豪（1988-），男，硕士生.研究领域：计算机应用技术，电

子政务.

谢  昕（1969-），男，硕士，教授.研究领域：计算机网络与信

息安全，自动化控制.endprint

图2 基于认知的情感交互模型框图

Fig.2 Model diagram of emotional interaction based cognitive

（1）结合认知学理论，研究认知与场景、对象、事件、情感等之间交互的内涵本质，提出场景认知图概念，它是虚拟角色对场景环境和社会交互形势的认知积累，其包含地形认知图、对象认知图、活动认知图、情感认知图和关系认知图；结合Object-Z语言采用形式化描述的方法构建场景认知图的数学模型，并在计算机中采用结构化和图形化方法进行表示。

（2）结合场景认知图、模糊规则库，构建基于认知的事件模糊评价模型；通过该评价模型，对外部事件和活动进行评价，从而推测情感影响因子。

（3）从情绪心理学基本理论出发，分别从性格、心境、情绪三个层次分析情感组成要素，如五元组的使用（Frank、负责、性格外向、开朗的性格、神经质）表示的空间，使用PAD（快乐的觉醒的乐趣、激发、显性）方法是心灵的空间，根据五种典型的情感参数在OCC模型（愤怒、厌恶、恐惧、快乐、悲伤）表达的情感空间，根据OCC模型中五个典型情感参数（愤怒、厌恶、恐惧、高兴、悲伤）表示情绪空间，采用非线性方程描述情感影响因子、性格、心境、情绪之间相互影响关系，从而构建情感因子影响的情感模型。

（4）对于虚拟角色经验学习与行为决策功能，通过构建事件交互知识库，对每次事件交互进行记录，对每一种事件目的、动作及所产生的情感影响因子进行统计，选择目的相似，而且影响情感因子能量概率最大的行为动作，作为其决策行为。

4   结论（Conclusion）

针对CVLE具有多角色、开放式、协同性的特点，建立一种基于多角色组织与感知的多Agent框架模型；针对虚拟人物智能体具有认知与情感相互影响的特点，建立一种基于认知的情感交互模型。通过这两种模型的结合应用，最后实现具有情感感知交互、开放式多角色的协同虚拟学习环境系统。

参考文献（References）

[1] 张雪元，王志良，永井正武.机器人情感交互模型研究[J].计算

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[2] 杨宏伟，潘志庚，刘更代.一种综合可计算情感建模方法[J].计

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[3] 石琳，等.智能虚拟环境中主体的情感计算研究[J].计算机应

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[5] 薛为民.基于认知机制的情感虚拟人交互技术研究[J].北京联

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[6] 张志勇，等.基于角色和协作场景的MAS管理模型及应用[J].

计算机应用软件，2005，22（10）： 109-111.

[7] 周留军，等.基于学习者个性因素的多Agent协同学习系统[J].

计算机工程与应用，2005，30（255）：93-95.

作者简介：

周  豪（1988-），男，硕士生.研究领域：计算机应用技术，电

子政务.

谢  昕（1969-），男，硕士，教授.研究领域：计算机网络与信

息安全，自动化控制.endprint

图2 基于认知的情感交互模型框图

Fig.2 Model diagram of emotional interaction based cognitive

（1）结合认知学理论，研究认知与场景、对象、事件、情感等之间交互的内涵本质，提出场景认知图概念，它是虚拟角色对场景环境和社会交互形势的认知积累，其包含地形认知图、对象认知图、活动认知图、情感认知图和关系认知图；结合Object-Z语言采用形式化描述的方法构建场景认知图的数学模型，并在计算机中采用结构化和图形化方法进行表示。

（2）结合场景认知图、模糊规则库，构建基于认知的事件模糊评价模型；通过该评价模型，对外部事件和活动进行评价，从而推测情感影响因子。

（3）从情绪心理学基本理论出发，分别从性格、心境、情绪三个层次分析情感组成要素，如五元组的使用（Frank、负责、性格外向、开朗的性格、神经质）表示的空间，使用PAD（快乐的觉醒的乐趣、激发、显性）方法是心灵的空间，根据五种典型的情感参数在OCC模型（愤怒、厌恶、恐惧、快乐、悲伤）表达的情感空间，根据OCC模型中五个典型情感参数（愤怒、厌恶、恐惧、高兴、悲伤）表示情绪空间，采用非线性方程描述情感影响因子、性格、心境、情绪之间相互影响关系，从而构建情感因子影响的情感模型。

（4）对于虚拟角色经验学习与行为决策功能，通过构建事件交互知识库，对每次事件交互进行记录，对每一种事件目的、动作及所产生的情感影响因子进行统计，选择目的相似，而且影响情感因子能量概率最大的行为动作，作为其决策行为。

4   结论（Conclusion）

针对CVLE具有多角色、开放式、协同性的特点，建立一种基于多角色组织与感知的多Agent框架模型；针对虚拟人物智能体具有认知与情感相互影响的特点，建立一种基于认知的情感交互模型。通过这两种模型的结合应用，最后实现具有情感感知交互、开放式多角色的协同虚拟学习环境系统。

参考文献（References）

[1] 张雪元，王志良，永井正武.机器人情感交互模型研究[J].计算

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[3] 石琳，等.智能虚拟环境中主体的情感计算研究[J].计算机应

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[5] 薛为民.基于认知机制的情感虚拟人交互技术研究[J].北京联

合大学学报（自然科学版），2010，24（4）：1-6.

[6] 张志勇，等.基于角色和协作场景的MAS管理模型及应用[J].

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[7] 周留军，等.基于学习者个性因素的多Agent协同学习系统[J].

计算机工程与应用，2005，30（255）：93-95.

作者简介：

周  豪（1988-），男，硕士生.研究领域：计算机应用技术，电

子政务.

谢  昕（1969-），男，硕士，教授.研究领域：计算机网络与信

息安全，自动化控制.endprint