PASSI方法论：从需求到代码的多智能体系统开发

# PASSI方法论：从需求到代码的多智能体系统开发 ## 1. 引言 在多智能体系统（MAS）的开发领域，目前已经提出了多种方法和表示方式。这些方法在模型与实现的“保真度”上有所不同，低保真度模型更侧重于问题导向，而高保真度模型则更倾向于解决方案导向。然而，现有的MAS分析和设计方法都未能很好地解决在不同详细程度和保真度级别之间进行系统映射的问题。为了解决这一科学问题，我们引入了一种名为PASSI（Agent Societies Specification and Implementation Process）的方法。 ## 2. PASSI方法概述 PASSI是一种逐步从需求到代码的多智能体软件开发方法，它整合了面向对象软件工程和MAS的设计模型与概念，采用统一建模语言（UML）进行表示。该方法遵循尽可能使用标准的原则，采用UML作为建模语言，FIPA架构实现智能体，并使用XML表示智能体消息中的知识。 PASSI过程由五个模型组成，每个模型包含多个阶段，具体如下： | 模型 | 阶段 | | --- | --- | | 系统需求模型 | 领域需求描述、智能体识别、角色识别、任务规范 | | 智能体社会模型 | 本体描述、角色描述、协议描述 | | 智能体实现模型 | 智能体结构定义、智能体行为描述 | | 代码模型 | 代码生成、代码手动完成 | | 部署模型 | 部署配置 | 此外，测试活动分为单智能体测试和社会测试两个步骤。单智能体测试在部署阶段之前对单个智能体进行，而社会测试则在系统部署完成后对整个系统进行。 ### 2.1 智能体的概念 在PASSI中，智能体具有两个不同的方面。在设计的初始阶段，智能体被视为一个能够通过自主决策、行动和社会关系追求目标的自主实体。智能体在与其他智能体交互时可以承担多个功能角色，每个角色由一系列任务组成，任务则是有目的的个体或交互行为单元。每个智能体都有一个基于本体的世界表示，该表示也会在智能体交换的所有消息中被引用。 ### 2.2 迭代特性 PASSI具有迭代性，存在两种类型的迭代。第一种由新需求驱动，涉及所有PASSI模型；第二种仅涉及智能体实现模型的修改，具有双重迭代级别，包括多智能体和单智能体视图之间的依赖关系，以及结构和行为事项之间的依赖关系。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(新需求) -->|第一种迭代| B(所有PASSI模型) C(智能体实现模型修改) -->|第二种迭代| D(多智能体视图) C -->|第二种迭代| E(单智能体视图) D <-->|依赖关系| E D -->|内部迭代| F(结构与行为依赖) E -->|内部迭代| F ``` ## 3. PASSI方法的详细描述 为了更详细地说明PASSI方法，我们以“Juul Møller Bokhandel A/S”书店案例研究为例进行介绍。该书店面临着与挪威管理学院沟通不畅、定价困难以及分销链问题等挑战。 ### 3.1 领域需求描述阶段 我们采用Jacobson等人提出的用例图方法来描述系统需求。领域需求描述阶段是对系统的功能描述，由一系列分层的用例图组成，详细用例图的场景通过序列图进行解释。以书店购买书籍的场景为例，该场景包括预测学生需求、定义期望报价、价格谈判、执行订单、更新购买历史档案和接收交付信息等步骤。 ### 3.2 智能体识别阶段 智能体识别从领域需求描述阶段的用例图开始，将一个或多个用例分组到带有原型的UML包中，每个包定义一个特定智能体的功能。用例之间的关系遵循UML语法和原型，不同智能体之间的用例关系被原型化为“通信”。选择用例组成智能体时，应遵循功能一致性和内聚性的标准，PASSI的迭代和增量特性有助于解决可能出现的问题。 ### 3.3 角色识别阶段 角色识别基于探索智能体识别图中涉及智能体间通信的所有可能路径，通过序列图展示交互智能体实现系统所需行为的场景。每个对象在序列图中代表一个智能体的角色，命名格式为<角色名称> : <智能体名称>。智能体可以在不同场景中扮演不同角色，也可以在同一场景中扮演多个角色。 ### 3.4 任务规范阶段 任务规范阶段关注每个智能体的行为，通过活动图将智能体的功能委托给一组任务。活动图由两个泳道组成，右侧泳道包含代表智能体任务的活动，左侧泳道包含代表其他交互智能体的活动。任务规范图总结了智能体的能力，忽略了智能体在执行特定任务时所扮演的角色信息。 ### 3.5 本体描述阶段 本体设计在领域本体描述阶段进行，使用类图表示。本体元素通过UML的泛化、关联和聚合三种标准关系进行关联。领域本体描述图描述了概念、谓词、动作及其关系，以XML模式表示，有助于获得资源描述框架（RDF）编码的本体结构。通信本体描述图则表示智能体之间的社会交互，展示了所有智能体及其交互关系。 ### 3.6 角色描述阶段 角色描述阶段建模智能体的生命周期，考虑其角色、协作需求和参与的对话。该阶段生成一个类图，其中类用于表示角色，每个智能体由一个包含其角色类的包表示。角色由多个任务组成，任务列在角色类的操作部分。角色描述图还可以显示同一智能体角色之间的变化以及智能体之间的依赖关系，包括服务依赖和资源依赖。 ### 3.7 协议描述阶段 根据FIPA架构，每个通信都使用智能体交互协议。在大多数情况下，使用FIPA标准协议，相关文档以AUML序列图的形式提供。在现有协议不适用的情况下，可以使用AUML图设计专用协议。 ### 3.8 智能体结构定义阶段 该阶段产生多个类图，分为多智能体和单智能体视图。多智能体结构定义图展示了系统的整体架构，包括智能体及其任务；单智能体结构定义图则详细展示了每个智能体的内部结构，包括其属性、方法和内部任务类。 ### 3.9 智能体行为描述阶段 同样分为多智能体和单智能体视图。多智能体行为描述通过活动图展示智能体之间和内部的事件流和通信；单智能体行为描述则详细描述上述方法。UML活动图的语法支持并发和同步，无需引入特定的并发和同步图。 ### 3.10 代码复用阶段 在这个阶段，我们尝试复用预定义的智能体和任务模式。通过扩展Rational Rose UML CASE工具，开发了支持PASSI的插件（PTK）和特定的模式复用应用程序（AgentFactory）。PTK用于编译PASSI图，而AgentFactory则在设计中使用模式时生成智能体代码。该方法通过将设计元素与代码绑定，在复用模式方面具有很高的灵活性。 ### 3.11 代码完成阶段 这是程序员的经典工作，需要根据设计图完成方法的主体。 ### 3.12 部署配置阶段 部署配置阶段使用UML部署图详细描述智能体在分布式系统或移动智能体环境中的位置、移动和通信支持。为了表示智能体的移动性，我们对UML语法进行了扩展，使用带有move_to原型的虚线连接智能体的初始和最终位置。 ## 4. 讨论 与其他方法相比，PASSI是一种从需求到代码的分析和设计方法，其最终阶段基于FIPA架构产生具体的设计和实现。而Gaia将分析和设计过程的输出视为抽象规范，需要进一步由更低级别的设计方法进行开发；MaSE在设计过程中比Gaia更进一步。在多智能体系统建模中，智能体之间的对话是一个关键问题，PASSI的本体描述阶段能够从本体角度描述智能体社会，而其他方法在这方面的处理相对不足。 ## 5. 结论与展望 PASSI方法在多智能体和分布式系统中取得了成功，无论是在机器人领域还是信息系统领域。该方法在多个研究项目和软件工程课程中得到应用，受到学生和研究人员的好评。其优点包括对来自面向对象领域的设计师过渡友好、支持多视图分析复杂系统、提供特定设计工具支持以及支持模式复用等。目前，我们正在努力增强支持PASSI的CASE工具，并扩大模式库，以进一步提高PASSI开发者的生产力。 ## 6. PASSI方法的优势总结 PASSI方法在多智能体系统开发中展现出了显著的优势，下面通过表格形式进行总结： | 优势类别 | 具体优势 | | --- | --- | | 设计理念 | 遵循使用标准的原则，采用UML建模语言、FIPA架构和XML表示知识，保证了方法的规范性和通用性。 | | 迭代特性 | 具有迭代性，能够根据新需求和实现过程中的问题进行调整，尤其是智能体实现模型的双重迭代，确保了设计的灵活性和适应性。 | | 多视图支持 | 提供系统需求、智能体社会、智能体实现、代码和部署等多个模型，每个模型又包含多个阶段，从不同角度对系统进行分析和设计，便于处理复杂系统。 | | 工具支持 | 有PTK（PASSI ToolKit）和AgentFactory等工具支持，PTK用于编译PASSI图，AgentFactory用于生成智能体代码，提高了开发效率。 | | 模式复用 | 支持模式复用，通过绑定设计元素与代码，能够快速开发复杂的多智能体系统。 | ## 7. 实际应用案例分析 以“Juul Møller Bokhandel A/S”书店案例为例，我们可以更清晰地看到PASSI方法在实际应用中的效果。 ### 7.1 需求分析与智能体识别 通过领域需求描述阶段，我们明确了书店系统的功能需求，如预测学生需求、购买书籍等。在智能体识别阶段，将这些功能需求分配到不同的智能体中，如PurchaseMonitor、PurchaseAdvisor等。这样的分配使得系统的功能模块更加清晰，便于后续的开发和维护。 ### 7.2 角色与任务定义 角色识别阶段确定了每个智能体在不同场景中扮演的角色，如PurchaseMonitor的Informer角色。任务规范阶段则进一步细化了每个智能体的任务，如PurchaseManager的StartPurchase、AskForAdvice等任务。这些角色和任务的定义为系统的行为建模提供了基础。 ### 7.3 本体与协议设计 本体描述阶段定义了系统的知识结构，包括概念、谓词和动作等，为智能体之间的通信提供了语义基础。协议描述阶段确定了智能体之间的通信协议，如FIPA标准协议，确保了通信的规范性和可靠性。 ### 7.4 代码生成与部署 代码复用阶段通过复用预定义的模式，快速生成了智能体的代码。代码完成阶段由程序员根据设计图完成方法的主体。部署配置阶段则将智能体部署到分布式系统中，并考虑了智能体的移动性。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(需求分析) -->|智能体识别| B(智能体定义) B -->|角色识别| C(角色定义) C -->|任务规范| D(任务定义) D -->|本体描述| E(本体设计) E -->|协议描述| F(协议设计) F -->|代码复用| G(代码生成) G -->|代码完成| H(代码完善) H -->|部署配置| I(系统部署) ``` ## 8. 未来发展方向 虽然PASSI方法已经取得了一定的成功，但仍有一些方面可以进一步改进和发展。 ### 8.1 工具功能增强 继续增强支持PASSI的CASE工具，如PTK和AgentFactory。可以增加更多的自动化功能，例如自动生成更多复杂的代码、自动检查设计图的错误等，提高工具的易用性和智能性。 ### 8.2 模式库扩展 扩大模式库，包含更多类型的智能体和任务模式。这样可以满足不同领域和不同需求的多智能体系统开发，进一步提高开发效率。 ### 8.3 与新技术融合 随着人工智能、物联网等技术的发展，可以将PASSI方法与这些新技术进行融合。例如，在智能体的设计中引入机器学习算法，使智能体能够更好地适应环境变化。 ### 8.4 跨领域应用拓展 尝试将PASSI方法应用到更多的领域，如医疗、交通等。不同领域的应用可能会面临不同的挑战和需求，通过拓展应用领域，可以进一步验证和完善PASSI方法。 ## 9. 总结 PASSI方法为多智能体系统开发提供了一种系统、全面的解决方案。它从需求分析开始，通过多个模型和阶段，逐步实现从需求到代码的转换。该方法具有迭代性、多视图支持、工具支持和模式复用等优势，在实际应用中取得了良好的效果。未来，我们将继续改进和发展PASSI方法，使其能够更好地适应不断变化的技术和应用需求。希望更多的开发者能够了解和使用PASSI方法，共同推动多智能体系统开发的发展。 通过以上对PASSI方法的详细介绍，我们可以看到它在多智能体系统开发中的重要性和潜力。无论是对于学术研究还是实际项目开发，PASSI方法都提供了一种有效的途径，帮助开发者更好地设计和实现复杂的多智能体系统。