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摘要：在分析信息家电智能化需求的基础上，该文提出一种基于MAS的信息家电系统模型，用Agent实现不同功能单元的控制与管理，通过MAS技术的思想，方法和体系建立信息家电系统的整体结构，并给出了该模型的理论基础，对系统中各种Agent进行了分析。
关键词：信息家电系统；MAS；MIAS
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)35-2556-03
Research on an MAS-based Information Appliance System
ZHANG Xiao-mei
(Department of Computer and Information Science, Kaili College, Kaili 556000, China）
Abstract: In this paper, an Information Appliance System based on multi-agent system (MIAS) is brought up by analyzing the intelligence demand of Information Appliance. It realizes the control and management of different function units with Agent, and builds up the Information Appliance System by the thinking, method and architectures of MAS. It also provides its theory and analyzes all kinds of Agents in MIAS model.
Key words: information appliance system; multi-agent system; MAS-based information appliance system
1 引言
在2008秋季英特尔信息技术峰会上，英特尔高级副总裁帕特?基辛格发表主题演讲，其演讲的主题是“数字事业：信息家电＝嵌入 动态 视觉（IA = Embedded Dynamic Visual）。传统的家用电器已经无法满足现代家庭的需要，人们需要能够自动获取外界信息、能与其它家电协同合作并具有智能化的信息家电，因此信息家电和智能家居的出现与发展是未来家庭智能化发展的必然趋势。在对信息家电功能实现结构分析的基础上，用MAS技术的思想、方法和体系建立信息家电系统模型，把每个信息家电设备看成一个Agent，建立一个基于多Agent系统的信息家电系统来管理和操作家居中的每个信息家电设备，将会给人们的生活带来极大的舒适和便利，信息家电能够根据主人的习惯自动设置自己的参数，主动作出反应。
2 信息家电系统MAS模型的理论基础
在家居系统中，信息的集成为实现自动控制和智能管理奠定了基础，利用MAS技术建立信息家电管理和控制模型，将对提高系统的整体性能，优化系统管理起到关键作用。首先，一个信息家电系统MAS模型可用以下6元组表示:
其中：Agents是信息家电环境中存在的Agent集合，信息家电环境中的物理实体、软件实体、人都可以根据需要抽象成为Agent，但在结构和功能上都存在着很大差异，最终目标是通过联盟与协作完成单个Agent所无法胜任的工作。
Structure是Agent的组织结构，可表示为{StruTree, Relations}, StruTree是多Agent按一定原则建立起来的树形结构，在信息家电环境中由于Agent之间存在着差异，体现出一种等级性，具有较强能力的Agent往往处于较高级别，而具体执行任务Agent(如信息家电设备Agent)一般处于下层。Relations是Agent之间某些固有的联系，有约束、依赖和联合等，这是由具体的信息家电环境所决定的。
Environment是MAS所处的支撑环境，对于很多Agent，环境是它们所感受到的外界刺激的刺激源，也是它们行为的作用对象，在与环境的作用过程中可以获取知识实现学习功能。所以可以将环境动态定义为刺激产生器、知识提供者与行为作用体的组合:
Environment=def Receive agenti(t,s)|Effect agentj(t,f)|ProvideKnowledge(x,k)
Receive agenti(t,s)表示Agenti在t时刻从环境中接收到刺激s, Effect agentj(t,f)表示Agentj在t时刻对环境产生作用f, ProvideKnowledge(x,k)表示Agent从环境中学习到关于x的知识k。
CommonSense是指常识，也就是系统中各个Agent都知道的知识，常识不仅要为Agent指出确切的含义，还要为Agent提供方便的引用手段，这涉及到系统中本体与方法库的建立。
CooperationCriterion是多Agent协作规范，可为Agent协作提供支持的知识库与协作行为约束规范。主要帮助Agent理解任务，实现有效任务分解，建立合法的多Agent协作关系，提供任务冲突等意外情况的解决办法。可表示为:
CooperationCriterion=defTaskDispatch(Ti,Aj,b)|TaskSchedule(t)lTaskExecute(Ti, Aj)
其中TaskDispatch(Ti,Aj,b)表示将i个子任务{{t1, ...ti}分配给j个Agent{Ai,.... Aj}执行，有可能存在一个Agent执行不只一项子任务的情况，也有可能几个Agent共同完成一项子任务的情况，所以i不一定与j相等，b为子任务之间的约束关系。TaskSchedule(t)表示对任务t的规划，特别是任务对于空间与时间序列上的特殊要求。TaskExecute(Ti, Aj)表示Agent具体任务的执行。
BehaviorCriterion是多Agent的公共行为规范，对各Agent的功能职责，行为约束关系实现公共约定。
基于MAS的信息家电系统模型可根据家居设备的不同功能单元分别由一个或多个Agent实现其智能管理。由于Agent除了能够完成一定功能之外，还应该具有与其它Agent通信与协作的能力，所以对于每一硬件实体都应具有一个软件部分来实现与其它Agent的联系，这一软件部分可以是设备自身所具有的，也可以利用其它设备代理它实现这一功能，而它们之间可以用更为简单的方式传递所必需的信号。不管以何种方式实现，我们将功能执行部分与交互实现部分合起来作为一个完整的Agent，这并不影响系统的整体实现，只是具体实现方法的技巧问题。
根据信息家电系统的特点，可以存在三种形式的Agent，即物理Agent、软件Agent和人类Agent(即用户)。家庭中各种设备都可以作为物理Agent加入系统之中，当然还需要代表设备实现与系统交互的软件代理；软件Agent主要包括各种实现一定功能的软件单元(如家庭财务管理系统等)；人可以通过各种接口或界面实现与系统的互动，可以实现系统中决策和控制的功能，所以人也可以作为一种特殊的Agent纳入系统之中。这三种类型的Agent同时存在、协同工作，以实现信息、控制和管理的全面集成。
3 MIAS的构建
基于以上理论和信息家电智能化需求，本文提出一种基于多Agent系统的信息家电系统（MAS -based Information Appliance System, MIAS）模型。该模型包括家庭网关Agent、用户界面Agent、移动Agent、自动控制Agent、功能Agent、其他Agent、家电设备Agent、安防设备Agent、教育/娱乐Agent、灌溉设备Agent和照明设备Agent十一个部分，结构如图1所示。
在MIAS的体系结构中，家庭网关Agent不仅是连接器，而且具有某些管理职能。其主要负责： 1) 传递Agent间的请求及响应，并为它们建立通信连接； 2) 协调Agent间的合作；3) 协助智能家居中其它代理Agent提供的服务。家庭网关具有一般Agent的各种特征，但它又具有独特的个性，如：
1) 网关Agent除了其特有的私有知识外，还包含MIAS的公共知识；
2) 网关Agent所提供的服务一方面用来管理MIAS中的Agent，另一方面为Agent间建立通信连接，并协调Agent间的行动，即规定多Agent的公共行为规范。
3) 网关Agent实现与外部网络的连接和家庭网络的全局控制。
用户界面Agent实现用户和系统的交互功能，与用户交互过程中，界面Agent可以设计为具有学习和记忆功能，对用户的习惯进行学习，最终可以自主的实现符合某一用户习惯的信息家电环境设置。
家电设备Agent，即信息家电中各个设备都对应一个设备Agent，代表设备完成设备之间以及设备与家庭网关之间的信息交互。通过各个设备Agent以及系统中的其它Agent可实现对信息家电设备从安装，使用，维护到撤除这一整个生命周期内的管理。
移动Agent可用来实现代码移动，网络资源搜索，远程交互，用户个人助理等功能，一个移动Agent应用的经典例子是移动Agent存放于用户的移动设备中，当用户移动到一定环境中时，移动Agent通过无线方式进入当地系统，代表用户与当地系统谈判、接洽和搜索有用信息，在实现目标后返回，并通知用户结果，当然这一功能的实现还有待于客观条件的成熟。
教育/娱乐Agent是一种根据用户需求建立的Agent，可以提供远程教育或互动游戏娱乐。
自动控制Agent是在无人管理的情况下，实现家居系统的监测、自动控制和紧急情况处理的Agent，是家居自动化管理的核心。
这里我们只示意了MIAS中各Agent粗粒度的划分，这些Agent具有较高的等级，能够实现较为复杂的功能，可以对低级的设备Agent具有协助和管理的功能。
信息家电系统一般结构如图1所示，我们按照不同的功能单元将信息家电系统分成了几个部分，它们以家庭网关为核心，形成了松散的联合体系。这些按功能组成的应用系统可分为信息家电设备、家庭照明设备、家庭娱乐设备、家政安防设备、自动灌溉设备、家庭事务管理和Internet接入和远程服务等等。
1) 信息家电设备：在信息家电系统中，信息家电设备一般作为独立的功能单元存在，但同时也具有通信和远程控制的功能，这是智能控制和系统集成的必要条件。
2) 家庭照明设备: 根据用户的活动实现灯光的自动控制以及根据命令设置合适的灯光效果，将会营造更好的家居环境。
3) 数字设备管理及人机界面：这一部分是家庭数字设备的集合，如PC，笔记本、PDA和打印机等，很多设备都具有很强的数字处理和信息存储功能，用户可以用来实现很多用途，如工作、学习、网页浏览、信息查询、并能进行各种设置，有的设备可以作为图形界面实现对家庭网关的操作，并能够通过它来实现各种信息家电设备的控制功能。其中声音提示和语音命令将是一种很有前途的技术，会更加适合人们的行为习惯，但是实现有较大的难度。
4) 家庭娱乐设备：以声像为主的家庭娱乐设备是家庭中不可或缺的重要组成部分，数字电视机、DVD、音响系统、数码摄像机和录像机等构成了娱乐系统的主要部分，同样，在网络环境下实现它们的数据传输和自动控制，也会为使用者带来很大的方便。
5) 家政安防设备：它是家庭中新兴的一个重要部分，利用各种传感器技术实现信息的采集和家居环境的监测，完成防盗、防火、防煤气泄漏、防地震、玻璃破碎报警和紧急求救等功能。在这里，三表数据采集也加入在其中，但要实现远程抄表功能还要依靠运营商的具体方案。
6) 自动灌溉设备：对于家庭中的花卉绿色植物，自动灌溉系统将会起到重要作用，尤其是对于没有充足时间照顾它们的人们，可以从繁杂的事务中解脱出来，集中精力与重要工作。
7) 家庭事务管理： 这一系统管理是人们的日常生活各种细节，各种家庭事务、日程安排、定时提醒、决策支持、家庭食谱以及健身计划等等。
8) Internet接入和远程服务：信息家居的一个重要功能就是实现与外界网络环境的交互，是人们可以进行信息获取、电子购物，信息家电设备的远程控制和远程诊断，远程医疗等等。
以上列出了信息家电系统的几个功能单元，功能单元并不是封闭的系统，不同功能单元的设备之间是会直接或者间接地建立各种联系，也可以重新组合为新的功能单元，尤其是对于具有很多用途的信息家电设备。而且随着技术的发展和人们生活水平的提高，家居的一体化发展趋势已经初见端倪，海尔在“2002 International CES”上向人们展示了可接入网络的冰箱、空调、微波炉、洗衣机等一大批网络信息家电。海尔橱柜在国产橱柜里也比较领先，尤其是“橱电一体化”的开创，更是大大推动了整个橱柜行业的进步，这种局部的应用集成对于推进家居向整体化方向发展将起到积极的促进作用。按照功能将信息家电系统划分成不同的部分，将有利于我们建立信息家电系统MAS模型。
4 结束语
本文讨论了MAS技术在信息家电系统中应用，设计了一个实用性很强，综合全面的基于MAS的信息家电系统模型，侧重分析了它的理论基础和系统中的各种Agent。改系统模型能实现对信息家电设备的有效管理，而且系统具有开发和设备协作等特点，适应信息家电系统分布和个性化的要求。下一阶段，我们将进一步研究基于该体系结构的多Agent间的合作及协作协议等，并在此基础上实现一个面向MIAS的软件开发环境。
参考文献：
[1] Multi-agent Approach[C].Proc of Workshop Embodied Artificial Intelligence,Zurich,Switzerland,2002.
[2] http://www.chinamet.com.cn/cn/meinfo/jmkx/details.jsp?id=30174[EB/OL].
[3] Jennings N,Wooldridge M.Agent-Oriented software engineering[M]//Bradshaw J.Handbook of Agent Technology.AAAI/MIT Press,2000.
[3] 蔡自兴,徐光佑.人工智能及其应用[M].北京:清华大学出版社,2003.
关键词：信息家电系统；MAS；MIAS
中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)35-2556-03
Research on an MAS-based Information Appliance System
ZHANG Xiao-mei
(Department of Computer and Information Science, Kaili College, Kaili 556000, China）
Abstract: In this paper, an Information Appliance System based on multi-agent system (MIAS) is brought up by analyzing the intelligence demand of Information Appliance. It realizes the control and management of different function units with Agent, and builds up the Information Appliance System by the thinking, method and architectures of MAS. It also provides its theory and analyzes all kinds of Agents in MIAS model.
Key words: information appliance system; multi-agent system; MAS-based information appliance system
1 引言
在2008秋季英特尔信息技术峰会上，英特尔高级副总裁帕特?基辛格发表主题演讲，其演讲的主题是“数字事业：信息家电＝嵌入 动态 视觉（IA = Embedded Dynamic Visual）。传统的家用电器已经无法满足现代家庭的需要，人们需要能够自动获取外界信息、能与其它家电协同合作并具有智能化的信息家电，因此信息家电和智能家居的出现与发展是未来家庭智能化发展的必然趋势。在对信息家电功能实现结构分析的基础上，用MAS技术的思想、方法和体系建立信息家电系统模型，把每个信息家电设备看成一个Agent，建立一个基于多Agent系统的信息家电系统来管理和操作家居中的每个信息家电设备，将会给人们的生活带来极大的舒适和便利，信息家电能够根据主人的习惯自动设置自己的参数，主动作出反应。
2 信息家电系统MAS模型的理论基础
在家居系统中，信息的集成为实现自动控制和智能管理奠定了基础，利用MAS技术建立信息家电管理和控制模型，将对提高系统的整体性能，优化系统管理起到关键作用。首先，一个信息家电系统MAS模型可用以下6元组表示:
其中：Agents是信息家电环境中存在的Agent集合
Structure是Agent的组织结构，可表示为{StruTree, Relations}, StruTree是多Agent按一定原则建立起来的树形结构，在信息家电环境中由于Agent之间存在着差异，体现出一种等级性，具有较强能力的Agent往往处于较高级别，而具体执行任务Agent(如信息家电设备Agent)一般处于下层。Relations是Agent之间某些固有的联系，有约束、依赖和联合等，这是由具体的信息家电环境所决定的。
Environment是MAS所处的支撑环境，对于很多Agent，环境是它们所感受到的外界刺激的刺激源，也是它们行为的作用对象，在与环境的作用过程中可以获取知识实现学习功能。所以可以将环境动态定义为刺激产生器、知识提供者与行为作用体的组合:
Environment=def Receive agenti(t,s)|Effect agentj(t,f)|ProvideKnowledge(x,k)
Receive agenti(t,s)表示Agenti在t时刻从环境中接收到刺激s, Effect agentj(t,f)表示Agentj在t时刻对环境产生作用f, ProvideKnowledge(x,k)表示Agent从环境中学习到关于x的知识k。
CommonSense是指常识，也就是系统中各个Agent都知道的知识，常识不仅要为Agent指出确切的含义，还要为Agent提供方便的引用手段，这涉及到系统中本体与方法库的建立。
CooperationCriterion是多Agent协作规范，可为Agent协作提供支持的知识库与协作行为约束规范。主要帮助Agent理解任务，实现有效任务分解，建立合法的多Agent协作关系，提供任务冲突等意外情况的解决办法。可表示为:
CooperationCriterion=defTaskDispatch(Ti,Aj,b)|TaskSchedule(t)lTaskExecute(Ti, Aj)
其中TaskDispatch(Ti,Aj,b)表示将i个子任务{{t1, ...ti}分配给j个Agent{Ai,.... Aj}执行，有可能存在一个Agent执行不只一项子任务的情况，也有可能几个Agent共同完成一项子任务的情况，所以i不一定与j相等，b为子任务之间的约束关系。TaskSchedule(t)表示对任务t的规划，特别是任务对于空间与时间序列上的特殊要求。TaskExecute(Ti, Aj)表示Agent具体任务的执行。
BehaviorCriterion是多Agent的公共行为规范，对各Agent的功能职责，行为约束关系实现公共约定。
基于MAS的信息家电系统模型可根据家居设备的不同功能单元分别由一个或多个Agent实现其智能管理。由于Agent除了能够完成一定功能之外，还应该具有与其它Agent通信与协作的能力，所以对于每一硬件实体都应具有一个软件部分来实现与其它Agent的联系，这一软件部分可以是设备自身所具有的，也可以利用其它设备代理它实现这一功能，而它们之间可以用更为简单的方式传递所必需的信号。不管以何种方式实现，我们将功能执行部分与交互实现部分合起来作为一个完整的Agent，这并不影响系统的整体实现，只是具体实现方法的技巧问题。
根据信息家电系统的特点，可以存在三种形式的Agent，即物理Agent、软件Agent和人类Agent(即用户)。家庭中各种设备都可以作为物理Agent加入系统之中，当然还需要代表设备实现与系统交互的软件代理；软件Agent主要包括各种实现一定功能的软件单元(如家庭财务管理系统等)；人可以通过各种接口或界面实现与系统的互动，可以实现系统中决策和控制的功能，所以人也可以作为一种特殊的Agent纳入系统之中。这三种类型的Agent同时存在、协同工作，以实现信息、控制和管理的全面集成。
3 MIAS的构建
基于以上理论和信息家电智能化需求，本文提出一种基于多Agent系统的信息家电系统（MAS -based Information Appliance System, MIAS）模型。该模型包括家庭网关Agent、用户界面Agent、移动Agent、自动控制Agent、功能Agent、其他Agent、家电设备Agent、安防设备Agent、教育/娱乐Agent、灌溉设备Agent和照明设备Agent十一个部分，结构如图1所示。
在MIAS的体系结构中，家庭网关Agent不仅是连接器，而且具有某些管理职能。其主要负责： 1) 传递Agent间的请求及响应，并为它们建立通信连接； 2) 协调Agent间的合作；3) 协助智能家居中其它代理Agent提供的服务。家庭网关具有一般Agent的各种特征，但它又具有独特的个性，如：
1) 网关Agent除了其特有的私有知识外，还包含MIAS的公共知识；
2) 网关Agent所提供的服务一方面用来管理MIAS中的Agent，另一方面为Agent间建立通信连接，并协调Agent间的行动，即规定多Agent的公共行为规范。
3) 网关Agent实现与外部网络的连接和家庭网络的全局控制。
用户界面Agent实现用户和系统的交互功能，与用户交互过程中，界面Agent可以设计为具有学习和记忆功能，对用户的习惯进行学习，最终可以自主的实现符合某一用户习惯的信息家电环境设置。
家电设备Agent，即信息家电中各个设备都对应一个设备Agent，代表设备完成设备之间以及设备与家庭网关之间的信息交互。通过各个设备Agent以及系统中的其它Agent可实现对信息家电设备从安装，使用，维护到撤除这一整个生命周期内的管理。
移动Agent可用来实现代码移动，网络资源搜索，远程交互，用户个人助理等功能，一个移动Agent应用的经典例子是移动Agent存放于用户的移动设备中，当用户移动到一定环境中时，移动Agent通过无线方式进入当地系统，代表用户与当地系统谈判、接洽和搜索有用信息，在实现目标后返回，并通知用户结果，当然这一功能的实现还有待于客观条件的成熟。
教育/娱乐Agent是一种根据用户需求建立的Agent，可以提供远程教育或互动游戏娱乐。
自动控制Agent是在无人管理的情况下，实现家居系统的监测、自动控制和紧急情况处理的Agent，是家居自动化管理的核心。
这里我们只示意了MIAS中各Agent粗粒度的划分，这些Agent具有较高的等级，能够实现较为复杂的功能，可以对低级的设备Agent具有协助和管理的功能。
信息家电系统一般结构如图1所示，我们按照不同的功能单元将信息家电系统分成了几个部分，它们以家庭网关为核心，形成了松散的联合体系。这些按功能组成的应用系统可分为信息家电设备、家庭照明设备、家庭娱乐设备、家政安防设备、自动灌溉设备、家庭事务管理和Internet接入和远程服务等等。
1) 信息家电设备：在信息家电系统中，信息家电设备一般作为独立的功能单元存在，但同时也具有通信和远程控制的功能，这是智能控制和系统集成的必要条件。
2) 家庭照明设备: 根据用户的活动实现灯光的自动控制以及根据命令设置合适的灯光效果，将会营造更好的家居环境。
3) 数字设备管理及人机界面：这一部分是家庭数字设备的集合，如PC，笔记本、PDA和打印机等，很多设备都具有很强的数字处理和信息存储功能，用户可以用来实现很多用途，如工作、学习、网页浏览、信息查询、并能进行各种设置，有的设备可以作为图形界面实现对家庭网关的操作，并能够通过它来实现各种信息家电设备的控制功能。其中声音提示和语音命令将是一种很有前途的技术，会更加适合人们的行为习惯，但是实现有较大的难度。
4) 家庭娱乐设备：以声像为主的家庭娱乐设备是家庭中不可或缺的重要组成部分，数字电视机、DVD、音响系统、数码摄像机和录像机等构成了娱乐系统的主要部分，同样，在网络环境下实现它们的数据传输和自动控制，也会为使用者带来很大的方便。
5) 家政安防设备：它是家庭中新兴的一个重要部分，利用各种传感器技术实现信息的采集和家居环境的监测，完成防盗、防火、防煤气泄漏、防地震、玻璃破碎报警和紧急求救等功能。在这里，三表数据采集也加入在其中，但要实现远程抄表功能还要依靠运营商的具体方案。
6) 自动灌溉设备：对于家庭中的花卉绿色植物，自动灌溉系统将会起到重要作用，尤其是对于没有充足时间照顾它们的人们，可以从繁杂的事务中解脱出来，集中精力与重要工作。
7) 家庭事务管理： 这一系统管理是人们的日常生活各种细节，各种家庭事务、日程安排、定时提醒、决策支持、家庭食谱以及健身计划等等。
8) Internet接入和远程服务：信息家居的一个重要功能就是实现与外界网络环境的交互，是人们可以进行信息获取、电子购物，信息家电设备的远程控制和远程诊断，远程医疗等等。
以上列出了信息家电系统的几个功能单元，功能单元并不是封闭的系统，不同功能单元的设备之间是会直接或者间接地建立各种联系，也可以重新组合为新的功能单元，尤其是对于具有很多用途的信息家电设备。而且随着技术的发展和人们生活水平的提高，家居的一体化发展趋势已经初见端倪，海尔在“2002 International CES”上向人们展示了可接入网络的冰箱、空调、微波炉、洗衣机等一大批网络信息家电。海尔橱柜在国产橱柜里也比较领先，尤其是“橱电一体化”的开创，更是大大推动了整个橱柜行业的进步，这种局部的应用集成对于推进家居向整体化方向发展将起到积极的促进作用。按照功能将信息家电系统划分成不同的部分，将有利于我们建立信息家电系统MAS模型。
4 结束语
本文讨论了MAS技术在信息家电系统中应用，设计了一个实用性很强，综合全面的基于MAS的信息家电系统模型，侧重分析了它的理论基础和系统中的各种Agent。改系统模型能实现对信息家电设备的有效管理，而且系统具有开发和设备协作等特点，适应信息家电系统分布和个性化的要求。下一阶段，我们将进一步研究基于该体系结构的多Agent间的合作及协作协议等，并在此基础上实现一个面向MIAS的软件开发环境。
参考文献：
[1] Multi-agent Approach[C].Proc of Workshop Embodied Artificial Intelligence,Zurich,Switzerland,2002.
[2] http://www.chinamet.com.cn/cn/meinfo/jmkx/details.jsp?id=30174[EB/OL].
[3] Jennings N,Wooldridge M.Agent-Oriented software engineering[M]//Bradshaw J.Handbook of Agent Technology.AAAI/MIT Press,2000.
[3] 蔡自兴,徐光佑.人工智能及其应用[M].北京:清华大学出版社,2003.