Hệ Đa Agent Mở Dựa Trên Mô Hình Role và Tổ Chức

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hệ đa agent mở dựa trên mô hình role và tổ chức, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Nguyễn Mạnh Sơn
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Đình Quế
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Hệ Đa Agent Mở Dựa Trên Mô Hình Role và Tổ Chức
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2009
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Hệ Đa Agent Mở Tổng Quan Đặc Trưng Ưu Điểm

Sự phát triển của Internet đã thúc đẩy các hệ thống tính toán phân tán như web ngữ nghĩa (Semantic web), tính toán lưới (Grid computing), P2P và mạng xã hội. Những hệ thống này, còn gọi là hệ tự trị phân tán mở, đòi hỏi tính mở và phân tán cao. Hệ đa agent, với các thành phần phần mềm tự chủ, có mục đích riêng, đang được quan tâm nghiên cứu. Agent được xem là một hệ tính toán hoàn chỉnh, có khả năng hoạt động tự chủ và linh hoạt để đạt mục đích thiết kế. Với các đặc trưng như tính tự chủ, tính chủ động, khả năng phản ứng và khả năng xã hội, agent trở thành cách tiếp cận phù hợp để xây dựng hệ thống mở và phân tán. Theo ([16]), hệ thống bao gồm nhiều agent có thể cùng hướng tới mục đích chung thông qua tương tác.

1.1. Định Nghĩa Hệ Đa Agent và Hệ Đa Agent Mở

Hệ đa agent là tập hợp các agent hoạt động trong một hệ thống, mỗi agent có mục tiêu riêng nhưng hướng tới mục tiêu chung thông qua tương tác agent. Hệ đa agent giải quyết các bài toán phức tạp dựa trên tính năng và sự phối hợp của các agent. Hệ đa agent đóng (cấu trúc cố định) không phù hợp với hệ thống thông minh phân tán. Vì vậy, hệ đa agent mở ra đời, cho phép agent tự do gia nhập/rời hệ thống và thay đổi vai trò linh hoạt. Điều này tạo sự linh hoạt và khả năng thích ứng cao. Khả năng tự thích nghi và thay đổi linh hoạt trong quá trình hoạt động là một ưu điểm lớn của kiến trúc đa agent.

1.2. Đặc Trưng Cơ Bản Của Hệ Đa Agent Mở

Hệ thống đa agent mở có cấu trúc tổ chức động và phức tạp, với khả năng thích nghi cao. Các agent có thể tham gia hoặc rời khỏi nhóm, tổ chức. Tổ chức tự động thay đổi để phù hợp với môi trường. Agent có thể tự thay đổi role, dựa trên khả năng của mình. Tương tác agent được xây dựng dựa trên luật, giao thức, quyền hạn và sử dụng mô hình tích hợp ontology. Đây là những yếu tố then chốt giúp hệ thống hoạt động hiệu quả trong môi trường mở. Vấn đề xây dựng mô hình biểu diễn mô hình role và các kỹ thuật gán role cho agent là rất quan trọng.

II. Các Khái Niệm Cốt Lõi Trong Hệ Đa Agent Mở Chi Tiết

Trong hệ đa agent mở, ngoài các khái niệm cơ bản như trong hệ đa agent đóng, còn có các khái niệm quan trọng như goal, role, agent, group, organization, domain, protocol, capacity, plan, policy và ontology. Goal mô tả chức năng cần đạt được, với các quan hệ phức tạp như AND, OR. Role là thực thể hướng tới goal cụ thể, với tập khả năng yêu cầu và hành vi tương ứng. Agent là thực thể phần mềm độc lập, tự chủ và hướng đích, có thể thay đổi hành vi dựa trên role.

2.1. Role Vai Trò và Agent Thực Thể Trong Hệ Mở

Role đóng vai trò then chốt trong hệ đa agent mở, khác với hệ đóng. Mỗi role định nghĩa tập khả năng cần thiết và hành vi tương ứng. Mô hình hóa role và gán role là vấn đề quan trọng. Agent là thực thể phần mềm tự chủ, có thể thay đổi hành vi trong tương tác dựa trên role. Kiến trúc bên trong và tương tác ngoài giữa các agent phức tạp hơn do khả năng thích nghi và thay đổi linh hoạt. Agent có thể thay đổi vai trò trong quá trình tương tác dựa trên khả năng của agent đó.

2.2. Tổ Chức Miền và Các Giao Thức Tương Tác Agent

Group là tập các agent có mục tiêu giống nhau. Organization là tập hợp các agent và group, tuân theo luật tương tác. Domain kết hợp tổ chức và môi trường, giới hạn phạm vi quan tâm. Protocol là tương tác cụ thể giữa agent hoặc quan hệ giữa role. Khả năng (Capacity) của agent quan trọng để đảm nhận role. Plan (kế hoạch) là chuỗi hành vi của agent. Policy (chính sách) đặc tả luật của tổ chức. Ontology định nghĩa khái niệm trong miền, thường là hệ ontology tích hợp từ các thành phần.

III. Phương Pháp Luận Phát Triển Hệ Đa Agent Tổng Quan

Phát triển ứng dụng phần mềm dựa trên công nghệ agent đã dẫn đến nhiều phương pháp luận khác nhau. Các phương pháp luận cho hệ đa agent đóng dựa trên một trong ba cách tiếp cận: dựa trên agent, phát triển từ hướng đối tượng, và dựa trên công nghệ tri thức. Cách tiếp cận dựa trên agent xây dựng hệ thống dựa trên khái niệm trừu tượng hóa mức xã hội. Cách tiếp cận hướng đối tượng mở rộng các kỹ thuật đã có. Cách tiếp cận dựa trên công nghệ tri thức sử dụng khái niệm và quá trình trong công nghệ tri thức.

3.1. Các Cách Tiếp Cận Xây Dựng Phương Pháp Luận

Có ba cách tiếp cận chính. Cách tiếp cận dựa trên agent và công nghệ agent xây dựng hệ đa agent dựa trên các khái niệm trừu tượng hóa mức xã hội nhƣ: nhóm, tổ chức, luật xã hội (ví dụ Gaia, SODA). Cách tiếp cận phát triển từ hướng đối tượng cho rằng các kỹ thuật đã đƣợc phát triển và áp dụng rộng rãi cho công nghệ phần mềm hƣớng đối tƣợng có thể đƣợc mở rộng cho các phần mềm hƣớng agent (ví dụ MASSIVE, MaSE). Cách tiếp cận dựa trên công nghệ tri thức sử dụng các khái niệm và quá tr ình trong công nghệ tri thức (ví dụ CoMoMAS).

3.2. Nhược Điểm Chung Của Phương Pháp Luận Hệ Đa Agent Đóng

Các phương pháp luận cho hệ đa agent đóng có nhược điểm chung: tổ chức agent là cố định và chỉ có một mức, agent không thể tự động tham gia/rời tổ chức, và agent không thể tự động thay đổi role. Các giao thức và mô hình tương tác giữa agent được thiết kế cố định. Điều này hạn chế tính linh hoạt và khả năng thích ứng của hệ thống trong môi trường mở. Khả năng mở rộng và khả năng tùy biến là những yếu tố quan trọng cần xem xét.

IV. Mô Hình Role Trong Hệ Đa Agent Mở Các Cách Tiếp Cận

Mô hình role trong hệ đa agent mở là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Các cách tiếp cận mô hình hóa role khác nhau dựa trên quan điểm về tổ chức đa agent và role, cách thức biểu diễn role và mô tả quan hệ giữa các role. Luận văn này sẽ phát triển một mô hình role và đại số tương tác trên role dựa trên mô tả role trong BRAIN Framework. Một thuật toán gán role cho agent trong hệ đa agent mở cũng sẽ được đề xuất và thử nghiệm.

4.1. Biểu Diễn Role Trong BRAIN Framework Chi Tiết

BRAIN Framework là một phương pháp tiếp cận để mô hình hóa role. Mô hình role trong BRAIN bao gồm các thành phần <Q, C, B>, trong đó Q là tập hợp các quyền, C là tập hợp các ràng buộc và B là tập hợp các hành vi. Role được biểu diễn bằng XML. Dựa trên mô hình biểu diễn này, có thể xây dựng đại số quan hệ trên tập role.

4.2. Xây Dựng Đại Số Quan Hệ Trên Tập Role

Đại số quan hệ trên tập role cho phép định nghĩa các quan hệ giữa các role, ví dụ như quan hệ kế thừa, quan hệ yêu cầu và quan hệ loại trừ. Các quan hệ này giúp mô tả cấu trúc tổ chức của hệ thống đa agent. Việc xây dựng đại số quan hệ giúp cho việc phân tích và thiết kế hệ thống trở nên dễ dàng hơn.

V. Kỹ Thuật Gán Role Trong Hệ Đa Agent Mở Thuật Toán ARA

Kỹ thuật gán role cho agent là một vấn đề quan trọng trong hệ đa agent mở. Các cách tiếp cận gán role khác nhau phụ thuộc vào mô hình tổ chức. Luận văn này đề xuất một thuật toán gán role áp dụng cho mô hình tổ chức có agent lãnh đạo, gọi là thuật toán ARA. Thuật toán ARA xem xét khả năng của agent để gán role phù hợp. Các cách tiếp cận gán role khác nhau có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

5.1. Tổng Quan Về Các Cách Tiếp Cận Gán Role Cho Agent

Có nhiều cách tiếp cận khác nhau để gán role cho agent trong hệ đa agent mở. Một số cách tiếp cận dựa trên đấu giá, trong đó các agent cạnh tranh để đảm nhận role. Một số cách tiếp cận dựa trên hợp tác, trong đó các agent cùng nhau quyết định ai sẽ đảm nhận role. Thuật toán ARA thuộc loại cách tiếp cận hợp tác.

5.2. Đề Xuất Thuật Toán Gán Role ARA Chi Tiết

Thuật toán ARA gán role cho agent dựa trên khả năng của agent và yêu cầu của role. Thuật toán này phù hợp với mô hình tổ chức có agent lãnh đạo, trong đó agent lãnh đạo chịu trách nhiệm gán role cho các agent khác. Thuật toán đảm bảo rằng các role được gán một cách hiệu quả và công bằng.

VI. Ứng Dụng Thực Tế Thử Nghiệm Hệ Thống Đa Đấu Giá Mở

Luận văn thử nghiệm hệ thống đa đấu giá trong thương mại điện tử để minh họa ứng dụng của mô hình role và thuật toán gán role. Hệ thống đa đấu giá là một ví dụ điển hình về hệ đa agent mở, trong đó các agent (người bán, người mua) tự do tham gia và rời khỏi hệ thống. Phân tích, thiết kế hệ thống áp dụng mô hình biểu diễn và thuật toán gán role đã xây dựng. Kết quả cài đặt, thử nghiệm cho thấy tính hiệu quả của phương pháp.

6.1. Phân Tích Yêu Cầu và Thiết Kế Hệ Thống Đa Đấu Giá

Phân tích yêu cầu hệ thống đa đấu giá bao gồm mô tả hệ thống và xây dựng mô hình goal. Thiết kế hệ thống bao gồm xây dựng thư viện role và quan hệ giữa các role. Mô hình lớp agent và thiết kế phân tầng hệ thống sử dụng JADE được thực hiện. Các bước này đảm bảo hệ thống đáp ứng yêu cầu và hoạt động hiệu quả.

6.2. Kết Quả Cài Đặt và Thử Nghiệm Hệ Thống

Kết quả cài đặt và thử nghiệm hệ thống đa đấu giá cho thấy tính khả thi và hiệu quả của phương pháp. Hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Các agent có thể tự do tham gia và rời khỏi hệ thống, và role được gán một cách linh hoạt. Điều này chứng minh ưu điểm của hệ đa agent mở dựa trên mô hình role và tổ chức.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về hệ đa agent mở 1.3 Mối quan hệ giữa role và mô hình tổ chức trong hệ đa agent mở 1.1 Vai trò của role trong thiết kế hệ đa agent mở Nhƣ đã trình bày trong phần 1.1, role là một khái niệm quan trọng khi xem xét hệ đa agent mở. Có thể hiểu role là tập hợp các chuẩn mực, mô tả, quy tắc và khái niệm cho hành vi của một con người hoặc một vị trí xã hội. Từ lâu, khái niệm role đã đƣợc sử dụng trong phát triển phần mềm nhƣ một công cụ cho các hoạt động cơ bản nhƣ: mô hình hóa hệ thống, phân tích thiết kế hệ thống, mô tả tƣơng tác, quản lý nguồn nhân lực. Trong phát triển phần mềm hƣớng đối tƣợng với UML , role đƣợc sử dụng để xây dựng tập hành vi mà đối tƣợng có thể áp đặt lên đối tƣợng khác, hoặc là thành phần trong biểu đồ cộng tác, hoặc dùng để mô tả các lớp giao diện.

Tuy nhiên, role không phải là khái niệm có vai trò quyết định trong phân tích và thiết kế hƣớng đối tƣợng. Trong phát triển hệ đa agent và đặc biệt là hệ đa agent mở, nhiều nghiên cứu khẳng định role là khái niệm có vai trò quyết định ([2. Theo Zambonelli ([3,4]), role đƣợc định nghĩa là tập các khả năng, hành vi mong đợi và tri thức mà agent có thể dùng đến khi cần. Có thể hiểu, role cung cấp tập khả năng mà agent có thể sử dụng trong quá trình hƣớng tới đích đƣợc thiết kế.

Xét trên quan điểm phát triển hệ thống, trong hệ đa agent đóng, role có thể đƣợc biểu diễn nhƣ một nhóm các tác vụ (task) cố định và các trách nhiệm đƣợc xác định trƣớc. Trong hệ đa agent mở, role có thể đƣợc gán và thay đổi trong quá trình tƣơng tác giữa các agent. Việc một agent đảm nhận hay không đảm nhận một role là dựa trên khả năng và mục tiêu của agent đó trong quá trình thực thi của hệ thống. Các phƣơng pháp luận phát triển hệ đa agent mở, đã giới thiệu trong phần 1.2, đều coi role là khái niệm quan trọng để tiến trình phát triển phần mềm.

Mỗi phƣơng pháp có thể quan tâm ở mức độ nào đó với các khái niệm nhƣ tổ chức, goal, protocol hay cài đặt hệ thống nhƣng đều rất coi trọng khái niệm role (xem Bảng so sánh 1.1) TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 15 Chương 1: Tổng quan về hệ đa agent mở Phương pháp Pha phân tích Pha thiết kế Cài đặt luận hệ thống Tổ Goal Role Agent Protocol Plan chức Tropos + + ++ ++ ++ ++++ ROADMAP +++ + +++ + +++ ++ +++ GaiA-EXOA +++ + +++ + +++ + + O-MaSE ++ +++ ++ ++ ++ +++ ++++ Bảng 1.1: So sánh các phương pháp luận cho hệ đa agent mở Luận văn sẽ đi sâu vào hai vấn đề quan trọng khi phát triển hệ đa agent mở dựa trên role là xây dựng mô hình biểu diễn role (chƣơng 2) và đƣa ra thuật toán gán role áp dụng cho một mô hình tổ chức cụ thể (chƣơng 3). Phần tiếp theo của chƣơng 1 sẽ khái quát các mô hình tổ chức nói chung và quan điểm về role và gán role cho agent trong các mô hình tổ chức đó.2 Role trong các mô hình tổ chức của hệ đa agent mở Dựa trên cấu trúc tổ chức xã hội con ngƣời, nhiều nhóm nghiên cứu khác nhau đã đƣa ra rất nhiều dạng tổ chức đa agent khác nhau. Sự khác biệt giữa các dạng tổ chức này là do bản chất tƣơng tác và vai trò của các agent tham gia trong tổ chức đó. Trong tài liệu [15], nhóm B.

Lesser đã tổng kết các dạng tổ chức đa agent. Phần này sẽ trình bày vắn tắt các kiểu tổ chức này theo các đặc trƣng chính và những suy nghĩ về vấn đề gán role cho các agent theo kiểu tổ chức đó. Tổ chức kiểu cây (Hierarchies) Đặc trƣng cơ bản của kiểu tổ chức cây là đƣợc xây dựng dựa trên cấu trúc phân rã của tập goal của hệ thống. Các agent tham gia vào hệ thống để đảm nhận các goal của hệ thống theo cách tiếp cận chia để trị.

Một đặc điểm quan trọng của kiểu tổ chức này là cố gắng giảm thiểu quan hệ “rộng rãi” giữa một agent với các TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 16 Chương 1: Tổng quan về hệ đa agent mở nhiều agent khác. Các agent chỉ quan hệ với các agent mức trên (node cha trong cây) và mức dƣới (node con trên cây). Các role đƣợc gán trong cấu trúc cây hoàn toàn theo cấu trúc phân rã goal và task trong hệ thống. Mỗi agent khi tham gia hệ thống đều có một tập khả năng tƣơng ứng với một vị trí nào đó trên cây và do đó sẽ đƣợc gán role tƣơng ứng để hƣớng tới goal đƣợc yêu cầu cho node đó Tổ chức Holarchies Đặc trƣng cơ bản của kiểu tổ chức này là hệ thống đƣợc chia thành các nhóm có tính chất tự chủ (ở mức độ nào đó) gọi là holon.

Một agent có thể thuộc một nhóm và một nhóm có thể thuộc một nhóm lớn hơn. Mỗi nhóm nhƣ vậy thƣờng gồm các agent cùng hƣớng đến việc thực hiện một tác vụ nào đó. Có thể xem kiểu tổ chức này là một trƣờng hợp riêng của tổ chức kiểu cây trong đó cho phép một số tƣơng tác giữa các node không có quan hệ cha con trực tiếp Gán role trong tổ chức Holarchies cũng dựa trên cấu trúc phân rã goal và task của hệ thống. Tuy nhiên, khác với cấu trúc cây, các role không thể tƣơng ứng với một node trên cây mà cần xem xét các tƣơng tác (ràng buộc) giữa các node.

Mỗi node cũng có thể là một hoặc nhiều agent trong cùng một nhóm. Tổ chức kiểu liên minh (coalition) Đặc trƣng cơ bản của kiểu tổ chức liên minh là một tập con các agent trong hệ thống có thể “liên minh” với nhau để hƣớng tới đích chung trong một thời gian. Trong một liên minh, có thể có agent lãnh đạo. Khi đã liên minh lại thì các liên minh tƣơng tác với nhau nhƣ những thực thể duy nhất.

Không có sự phối hợp giữa các agent của các liên minh khác nhau. Gán role cho tổ chức kiểu liên minh có thể đƣợc quyết định bởi agent lãnh đạo (nếu có). Tại thời điểm các agent phải liên minh, agent lãnh đạo hoặc agent điều phối chung sẽ xác định và phân chia role cho các agent tham gia để hƣớng tới đích chung. Tổ chức kiểu đội (team) Đặc trưng cơ bản của kiểu tổ chức đội (team) là các agent trong đội (team) có hành động riêng nhƣng cùng hỗ trợ để đạt tới đích chung.

Các agent có thể hoạt động theo một “kế hoạch chung” xác định trƣớc. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 17 Chương 1: Tổng quan về hệ đa agent mở Gán role trong mô hình tổ chức này có hai đặc trƣng cơ bản:  Mỗi agent trong đội đều có thể nhận một hoặc nhiều role để thực hiện các tác vụ phân rã từ đích chung của hệ thống.  Các role có thể thay đổi tuỳ theo kế hoạch chung của đội và sự kiện từ môi trƣờng. Tổ chức kiểu hội họp (congregation) Đặc trưng cơ bản của tổ chức kiểu hội họp là các agent riêng lẻ phối hợp với nhau theo nhóm nhằm bổ sung cho nhau.

Mỗi nhóm agent theo kiểu này thƣờng không chỉ có một goal mà có thể có nhiều goal khác nhau. Tuy nhiên, các agent này thƣờng phải có một tập khả năng và yêu cầu cố định ban đầu tƣơng tự nhau. Tổ chức kiểu hội họp có thể tồn tại lâu dài. Gán role trong tổ chức này sẽ có các đặc điểm:  Các hội sẽ đƣợc tạo ra và gán nhãn.

Mỗi agent tuỳ thuộc vào tập khả năng và yêu cầu của nó sẽ xem xét để lựa chọn hội phù hợp. Role đƣợc gán cho các agent khi agent tham gia vào hội.  Các agent có thể thay đổi hội mà nó tham gia trong quá trình hƣớng tới goal của nó. Do đó role cũng đƣợc thay đổi theo.

Tổ chức kiểu xã hội (societies) Đặc trưng cơ bản kiểu tổ chức xã hội là hệ thống đƣợc xây dựng có tính mở, linh động. Các agent có đích riêng rất khác nhau, khả năng không đồng nhất, tƣơng tác với nhau nhằm hƣớng tới đích riêng của mình. Kiểu tổ chức này ràng buộc các agent bằng cách sử dụng các luật xã hội. Gán role trong tổ chức kiểu xã hội có thể rất phức tạp và thƣờng không có quy tắc chung cho tất cả các trƣờng hợp.

Nếu có một hoặc một vài luật xã hội chi phối mọi hoạt động của tổ chức thì role cũng đƣợc gán cho agent dựa trên các luật xã hội đó. Tổ chức kiểu liên hiệp (federation) Đặc trưng cơ bản của kiểu liên hiệp là hệ thống có agent điều phối chung (facilitator, mediator, broker). Các agent trong liên hiệp chỉ tƣơng tác với agent điều phối này. Các liên hiệp khác nhau tƣơng tác với nhau thông qua tƣơng tác của TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 18 Chương 1: Tổng quan về hệ đa agent mở các agent trung gian.

Các agent trong các liên hiệp khác nhau có thể không cần có ngôn ngữ giao tiếp chung và tƣơng tác, xử lý đƣợc tập trung ở agent trung gian. Role đƣợc gán cho các agent tham gia vào liên hiệp bởi agent điều phối trong liên hiệp đó. Tùy thuộc vai trò của agent điều phối trong hệ thống cụ thể, các role có thể đƣợc quản lý trực tiếp bởi agent điều phối hoặc agent điều phối chỉ là trung gian để agent tham gia tổ chức tƣơng tác với agent quản lý role. Tổ chức kiểu chợ (market-based) Đặc trưng của tổ chức kiểu chợ khác với kiểu liên hiệp ở chỗ các agent trong hệ thống là đối thủ cạnh tranh của nhau.

Các agent hƣớng tới việc đạt đƣợc lợi ích riêng, có thể trái ngƣợc với lợi ích của các agent khác (ví dụ agent mua và agent bán). Tuy nhiên, các agent trong tƣơng tác sẽ hƣớng tới cân bằng chung của toàn bộ các agent tham gia. Gán role trong tổ chức kiểu chợ có thể sử dụng agent điều phối nhƣ trong mô hình kiểu liên hiệp hoặc dựa trên hàm mục tiêu của mỗi agent. Tổ chức kiểu ma trận Đặc trưng của kiểu ma trận là một agent có thể được quản lý bởi nhiều agent quản lý.

Các hoạt động của một agent có thể bị ảnh hƣởng bới nhiều agent quản lý khác nhau. Mỗi hàng trong ma trận là các agent, mỗi cột là các agent quản lý. Gán role và quản lý role đƣợc thực hiện bởi các agent quản lý tại mỗi hàng. Agent quản lý nào chiếm ƣu thế trong thời điểm hiện tại thì agent sẽ nhận đƣợc role từ agent quản lý đó.