基于层次化模型的多智能体系统设计方法

周超然，张昕，赵建平

（长春理工大学计算机科学技术学院，长春 130022）

基于层次化模型的多智能体系统设计方法

周超然，张昕，赵建平

（长春理工大学计算机科学技术学院，长春 130022）

在开展系统设计时，系统的内在结构和行为特性使其自身呈现出显著的不确定性，进而造成系统控制难度的提高。在此条件下，当系统面临结构、行为或功能的变动时，会导致其在特定场景下产生设计期望之外的行为表现，引发系统局部甚至是全局失能，进而加剧了系统控制的复杂度。出于上述考虑，基于提出的用于分析系统引入变动产生响应的模型框架，针对产品开发项目过程开展层次化的系统建模，围绕用以表征系统行为特性的直接参数开展对系统引入变动后产生反馈效应的分析，提供对系统设计过程管理的改进。在此基础上，提出基于智能体技术的计算机辅助分析技术方案，为系统设计过程中的变动因素识别及效应追踪提供技术基础。

系统设计；层次化分析；智能体技术

随着技术的不断进步，各类产品系统的设计复杂度也在相应提高，对于设计过程而言，需要合理引入改进以推动系统解决方案的演进，从而保持和提升系统的可用性、适用性。在上述过程涉及到的多个知识领域中，如何应对系统设计方案的变动以推动其演进是重要的研究课题。在产品系统设计过程中，能够有效地开展对系统变动因素的识别以及相关特性的分析，对于驱动系统设计实现创新具有重要意义。在此基础上，通过对引入变动产生效应的感知和跟踪，能够进一步辅助改进产品系统设计的过程管理，实现在时间、成本、质量等多方面约束条件下对产品系统设计开发的有效控制和管理。

1 相关研究工作

根据Browning提出的定义，产品开发项目指的是从定义一个技术或市场机遇至产品开始量产的进展过程，其间要执行完成大量涉及多个知识领域的项目事务［1］。基于由Pimmler等人提出的集成分析方法［2］以及电子工业联盟提出的用于系统重构的项目规划建模方法［3］，Browning等人通过分析产品开发项目管理流程及特点，将产品开发项目建模为五个相关子系统构成的整体［1］，五个子系统包括目标子系统，过程子系统，产品子系统，工具子系统以及组织子系统，分别涵盖了产品开发项目的多个知识领域，为其他基于特定目标开展的产品开发项目建模和分析提供了理论基础。在系统理论的支持下，上述产品开发项目的系统化模型可被进一步细化。

在开展系统建模的基础上，智能体技术能够支持对所构建模型中各子系统的行为以及交互实现模拟，以反映系统在引入变动后可能表现出的响应，为调整系统设计方案提供一定的灵活性［4］。通过构建多智能体系统，得以观察和分析智能体在各类场景中的表现，辅助分析变更事件发生及其效应传播的特点，从而为后续开展变更事件效应传播的模拟、预测提供基础条件。

2 系统建模过程及变更效应分析

首先开展对产品开发项目的层次化系统分析，基于直接参数的概念实现对产品开发项目各类组成要素的识别，进而构建获得分析产品开发项目和观察变更事件的系统模型。基于对变更事件的广义理解，变更事件的发生会导致目标系统相较其初始性能状态发生偏移。本文对偏移效应进行细分，结合变更事件效应传播的场景，为定义智能体及其交互关系提供依据。在此基础上，设定配置智能体的行为，完成对多智能体系统的构建。

2.1 产品开发项目的层次化系统模型

考虑到产品开发项目的复杂性，采用层次化分解的方式对其开展系统建模。根据Zolghadri等人提出的产品及合作关系网络同步进化模型［5］，首先将产品开发项目建模成为由三个关键知识领域构成的交互系统：

（1）产品设计及开发管理领域：该领域涵盖了产品要素经过设计开发过程实现聚合并形成产品设计方案的管理内容。

（2）供应链合作关系管理领域：该领域涵盖了产品开发项目过程中供应链合作伙伴参与产品设计方案演进过程并通过提供相应的技术/服务解决方案达成共同业务目标的管理内容；

（3）项目过程管理领域：该领域涵盖了项目过程中面向时间、预算以及质量等约束条件实施的管理内容。

上述三个领域存在显著的协同性，其间存在的潜在关联能够传播变更事件效应，具备支持分析和跟踪变更事件效应传播的基础条件。

给定上述关键知识领域，基于系统论、系统工程方法以及Magee等人提出的工程系统分类识别方法开展单一领域内的系统化建模［6-8］。以关键知识领域起点，通过分析其作用以及多领域之间的关联关系，进而将产品开发项目建模为由七个子系统聚合形成的系统集合。

其中，对应产品开发项目的关键知识领域推导得出三个基础核心子系统，分别是：

（1）产品子系统：封装表达了伴随项目过程持续演进的产品设计方案；

（2）合作伙伴子系统：封装表达了供应链中各合作伙伴基本情况及项目参与角色；

（3）项目过程子系统：封装了项目过程中各类事务及其资源和约束。

基于基础核心子系统的关联和交互，可推导得出四个衍生子系统：

（1）工具子系统：封装了产品设计开发过程中用以推动产品演进的知识/经验；

（2）业务子系统：封装了产品设计开发过程中为获得阶段性成果所制定的流程以及相应约束；

（3）机构子系统：封装了开展各项业务所需的人力资源、软硬件资源配置方案和各类参与角色及其相互关系

（4）目标子系统：封装了产品设计开发过程中伴随产品设计方案演进所设定的阶段目标以及评价指标。

持续对上述建模获得的子系统开展分析，采用直接参数作为定性定量刻画给定系统在相应条件下表现响应行为和基本属性的手段。直接参数是由参数标识和参数取值构成的序对，前者用于表述选定的系统属性，后者以量化方式表征相应属性的性能指标。以此方式，在开展上述针对子系统的持续建模过程中，当给定子系统在建模划分中表现的粒度能够通过确定个数的直接参数进行表达时，则认定上述系统化建模过程完成。在此，将采用上述建模过程最终推导获得的个体称为终态对象，并且该终态对象的粒度至多与上述衍生子系统持平。层次化系统建模方法框架如图1所示。

图1 层次化的系统建模方法框架

上述建模过程得以采用统一形式特征的终态对象及其聚合关系实现对产品开发项目的系统化表达。

2.2 变更事件及其效应传播的识别与分析

给定单一的终态对象，其直接参数刻画了对应的属性特征，并由属性特征表达了该对象具备的单项性能表现。当直接参数取值超出预设的有效区间时，则认为其对应的属性特征可能无法达到相应的性能表现。据此，我们将变更事件进一步表述为“由于引入变动产生偏移效应使直接参数的重新取值无法保证对应性能表现符合预设期望的现象”。

根据上述对变更事件的表述，引入变动产生偏移效应所引发的后果分为以下三种类型：（1）容许偏移：直接参数的取值变化在其预设的可行区间之内，该情况下变更事件处于已有的认知和可管理范围之内，无需采取应对；（2）常规变更事件：直接参数的取值变化超出了预设的可行区间，但新的参数取值仍可保证对应属性的正确表达；（3）失能变更事件：直接参数的取值变化超出了预设的可行区间，并且新的参数取值已无法保证对应属性的正确表达，该情况下引发的变更事件已超出系统认知范围或可管理范围，无法采用预设的变更管理过程实现应对，进而造成所在系统可能不满足项目进展的相关约束。

由上述变更事件类型，给定具备关联的两个终态对象（分别标识为起始对象和传导对象），变更事件效应传播则呈现如下场景：

（1）起始对象的容许偏移引发传导对象的容许偏移，此种场景反映了产品设计方案的系统动力学特征，不在本文对变更事件效应分析的范围内，故不对其作进一步讨论；

（2）起始对象的容许偏移引发传导对象的常规变更事件；

（3）起始对象的容许偏移引发传导对象的失能变更事件；

（4）起始对象的常规变更事件引发传导对象的容许偏移；

（5）起始对象的常规变更事件引发传导对象的常规变更事件；

（6）起始对象的常规变更事件引发传导对象的失能变更事件。

2.3 面向效应传播的系统流程

通过分析上述识别得出的五种变更事件效应传播场景，参考其涉及的变更事件类型和特点，识别得出变更事件效应传播呈现以下演进情况，具体描述如表1所示。

表1 变更事件效应传播的演进

表1中阐述的变更事件随效应传播产生的演进情况，为定制变更管理策略提供了依据。其中，衰减的演进情况提供了利用系统设计自身实现变更应对进而持续保证产品开发项目按既定目标进展的解决方案，是在产品设计中成功融入设计可变性的具体体现；传导的演进情况反映了变更事件效应传播的普遍性以及变更管理与系统设计方案的相关性；加剧的演进情况反映了产品开发项目中为实现产品设计创新可能面临的问题和风险，需要在变更管理中通过具体措施弱化或避免此类变更事件效应传播。

3 多智能体系统建模及设计方案

通过层次化系统建模过程识别获取的终态对象用于观察和分析变更事件的发生和效应传播。对应单个终态对象构建基本的智能体，用以收集引入的直接参数取值偏移效应、识别变更事件发生、跟踪变更事件效应传播以及分析变更事件发生的后果影响。

3.1 智能体识别与构建

在对应单个终态对象构建基本智能体的基础上，为实现动态的变更事件识别、分析，另外构建了其他辅助智能体。本文中，识别创建的智能体类型具体包括：

（1）系统结构智能体：该智能体对应建模过程中识别获得的终态对象，在后续构建的多智能体系统中存在多个此类智能体，体现了系统模型的结构化特性；

（2）控制台辅助智能体：该智能体按照预设参数构建和激活其他智能体；

（3）效应传播辅助智能体：该智能体基于预设的系统结构智能体之间逻辑关系，为变更事件效应传播提供路由参数；

（4）变更事件生成辅助智能体：该智能体根据预设参数向系统结构智能体引入变更事件；

（5）变更事件效应评估辅助智能体：该智能体在多个系统结构智能体协调应对变更事件情况下，提供综合的变更事件效应评估服务，以实现系统层面的变更管理策略。

上述智能体的逻辑交互关系如图2所示。

图2 智能体逻辑交互关系

在上述类型智能体中，控制台辅助智能体通过多智能体系统的配置被构建激活，其他类型智能体则由控制台辅助智能体根据预设的系统模型相应创建并在特定条件下予以激活。效应传播辅助智能体是控制台辅助智能体激活运行后创建的第一种智能体，其根据预设的产品开发项目系统模型规格，构建保存反映系统结构智能体之间的逻辑关系以及基于此生成的变更事件效应传播路由参数。在创建激活效应传播辅助智能体后，控制台辅助智能体按照前者提供的系统结构智能体规格，依次创建激活系统结构智能体，并使其保持与效应传播辅助智能体的交互。之后，控制台辅助智能体创建并激活变更效应评估辅助智能体，并将后者的具体参数广播知会已创建的系统结构智能体，以配置变更事件效应评估机制，为后续开展变更事件效应分析建立条件；当所有系统结构智能体完成初始化并进入就绪状态后，控制台辅助智能体创建并激活变更事件生成辅助智能体，后者将根据预设参数以及用户交互请求生成变更事件，并相应地引入到选定的系统结构智能体。

3.2 技术框架及系统设计方案

由上述各类型智能体组成的系统采用多层架构进行部署，以有效降低多智能体系统的管理复杂度如图3所示。多层架构主要包含：

图3 多智能体系统的多层架构

（1）数据层：该层封装了层次化产品开发项目系统模型的数据抽象，为多智能体系统的运行提供数据管理支撑；

（2）网络层：该层封装了智能体之间的通信规则以及逻辑通路，用以为变更事件效应传播提供交互通道；

（3）操作层：该层封装了智能体交互的行为规则，以支持各类场景下的变更事件效应生成及演进的实现；

（4）展示层：该层封装了用于展示智能体交互及数据信息反馈的可视化方法，用以向用户提供变更事件效应生成及演进效果表达。

在本文的研究工作中，根据多智能体系统的设计方案，采用“JADE（全称为Java Agent Development Framework）”开源开发框架实现对多智能体系统软件原型的搭建，并相应配置了各类型智能体的行为规则，实现了对变更事件发生及其效应传播的模拟及展示如图4所示，其中构建了6个具备逻辑关联的系统结构智能体以及其他相关的辅助智能体，主要用于验证多智能体系统设计方案的可行性以及各类型智能体行为规则的合理性和有效性。

通过对多智能体系统的运行验证，证实了上述技术设计方案具备可行性以及建模过程中推导得出的变更事件效应传播演进情况。另外，通过对系统运行日志的分析发现，产品开发项目的系统模型中如存在逻辑关系环路，则相应变更事件效应传播存在较高的失能风险，在开展变更管理过程中，应对所涉及的终态对象以及相关子系统进行重新评估和构建。

图4 多智能体系统软件原型运行效果

4 结语

本文面向产品开发项目构建了层次化的系统模型，实现了迭代式的系统建模分析过程以识别获得基于直接参数表征的终态对象，并以此作为开展变更事件及其效应传播分析的客观载体。以此为基础，提出了用于变更事件效应分析的多智能体系统设计方案，初步建立了基于智能体技术的软件原型，用以辅助开展变更管理。在接下来的研究工作中，我们将细化对各类型智能体行为规则的配置，开展基于直接参数取值特征的变更事件处理方法研究，并改进多智能体系统的实现，使其具备更接近实际场景的变更事件效应模拟性能，为开展变更管理提供技术解决方案。

［1］Browning T R，Fricke E，Negele H.Key concepts in modeling product development processes［J］.Systems Engineering，2006，9（2）：104-128.

［2］Pimmler T U，Eppinger S D.Integration analysis of product decompositions［J］.1994，68（1）：343-351.

［3］American National Standards Institute and ElectronicsIndustriesAssociation.EIA/IS-632：Systems Engineering［R］.Arlington，1994.

［4］Macal C M，North M J.Tutorial on agent-based modeling and simulation［C］.Proceedings of the 37th conference on Winter simulation.Winter Simulation Conference，2005：2-15.

［5］Zolghadri M，Eckert C，Zouggar S，et al.A taxonomy of collaboration in supply chains［C］.17th International Conference on Engineering Design（ICED' 09），Stanford，CA，USA，2009.

［6］Alexander I F，Beus-Dukic L.Discovering requirements：how to specify products and services［M］. John Wiley&Sons，2009.

［7］MaierMW.Architectingprinciplesforsystemsof-systems［C］.INCOSEInternationalSymposium. 1996，6（1）：565-573.

［8］Magee C，De Weck O.Complex system classification［C］.International Council On Systems Engineering.2004:1-18.

Hierarchical Model-based Methodology of Multi-Agent System Design

ZHOU Chaoran，ZHANG Xin，ZHAO Jianping
（School of Computer Science and Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In a product development project，the occurred changes would bring opportunities as well as challenges simultaneously to companies.The former could encourage the company to modify or improve its product design and the other management aspects in order to keep its competitiveness in market，while the latter would lead the company into some potential dilemma in which the brought in changes could not be handled properly under various constraints and then propagates into some other worse consequences.Regarding the issues，we propose，in this paper，a hierarchical methodology of iteratively modeling product development projects.Relying on the suggested conceptual model of identifying change occurrence and propagation，we are then enabled to consider analyzing change occurrence and change propagation through investigating the characteristics of direct parameters specifying a product development project so as to inspire discovering the potential change propagation scenarios.With the established hierarchical model of product development project and the identified characteristics of change propagations，we suggest an agent-based technical solution to assistant analyzing change occurrence that could elicit identifying and tracking change propagations.In this way，the design of the multi-agent system prototype，as the theoretical and practical contribution to companies，could be employed to build up computer-aided decision making tool for better change management.

system design；hierarchical model；agent technology

TP391

A

1672-9870（2016）06-0105-05

2016-09-21

吉林省科技发展计划国际合作项目（20150414055GH）

周超然（1994-），男，硕士研究生，E-mail：544818904@qq.com

张昕（1983-），男，博士，讲师，E-mail：zhangxin@cust.edu.cn