郭廣豐

摘要：在多Agent系統(tǒng)開發(fā)中，Agent間復(fù)雜的信息交互要求消息內(nèi)容包含足夠豐富的語義信息。JADE是目前應(yīng)用最為廣泛的Agent中間件，提供了本體支持，能有效解決上述問題。詳細介紹了三種實現(xiàn)方式，進行了比較研究，并對Agent開發(fā)者提出了一些建議。

關(guān)鍵詞： JADE；語義通信；本體

中圖分類號：TP18 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）30-7166-02

JADE（Java Agent Development framework， Java Agent 開發(fā)框架），是目前應(yīng)用最為廣泛的Agent中間件。JADE是一個完全分布式的中間件系統(tǒng)，并提供了豐富的可視化工具，使得開發(fā)基于Agent的應(yīng)用變得更加容易[1]。

JADE是一個基于FIPA標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的Agent開發(fā)框架，Agent間的通信使用FIPA-ACL規(guī)范[2]。在FIPA-ACL規(guī)范中，只定義了通信涉及的基本要素和通信原語（通信行為），未對通信內(nèi)容部分的語義作明確規(guī)定。FIPA-ACL的通信原語[3]，顯示發(fā)送者希望通過發(fā)送消息達到目的，定義了簡單的特定行為功能。如“Agree”表示“同意執(zhí)行某些動作”。通信內(nèi)容是從發(fā)送者到接收者ACL消息中的實際信息。根據(jù)FIPA標(biāo)準(zhǔn)，可以是一個字符串或原始的字節(jié)序列。在簡單消息中，僅能傳遞圖書書名或圖書價格這樣的內(nèi)容。但在現(xiàn)實的情況下，往往需要更復(fù)雜的信息交互。如對象的多個屬性（除傳遞圖書的書名，還須傳遞該書的作者、ISBN號等信息）或其行為（如買書、賣書等）。這就要求發(fā)送的消息內(nèi)容包含足夠豐富的語義信息，而且消息接收者能分析出其語義信息，執(zhí)行相應(yīng)的行為，完成Agent間的交互。

近年來，研究人員開始關(guān)注本體研究，用本體來實現(xiàn)不同信息系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)或知識的交換、共享和復(fù)用。本體是“共享的概念化的明確的形式化規(guī)范”[4]。本體的目標(biāo)是捕獲相關(guān)領(lǐng)域的知識，提供對該領(lǐng)域知識的共同理解，確定該領(lǐng)域內(nèi)共同認可的詞匯，并從不同層次的形式化模式上給出這些詞匯和詞匯之間相互關(guān)系的明確定義[5]。JADE提供了本體支持，Agent間通信消息中可以包含有豐富語義信息的本體，這就實現(xiàn)了Agent間復(fù)雜的信息交互。

1 JADE平臺的基于本體的語義通信

基于JADE框架開發(fā)Agent應(yīng)用程序，以實現(xiàn)Agent間基于本體的語義通信，主要有以下幾種實現(xiàn)方式：

1.1 JADE提供的原生本體支持

在JADE中，提供了jade.content.onto.Ontology類，用來實現(xiàn)本體功能[6]。通常通過以下步驟實現(xiàn)：

1） 定義一個本體

根據(jù)對領(lǐng)域知識的分析，抽象出該領(lǐng)域?qū)?yīng)的本體。編寫相應(yīng)的本體類，該類繼承了jade.content.onto.Ontology類，在該類中定義該領(lǐng)域涉及的概念、謂詞以及Agent動作。

2） 編寫本體化的Java類

為第一步定義的本體，針對其中所有的謂詞、Agent動作和概念，分別編寫相對應(yīng)的Java類。其中謂詞對應(yīng)的類實現(xiàn)jade.content.Predicate接口；Agent動作對應(yīng)的類實現(xiàn)jade.content.AgentAction接口；概念對應(yīng)的類實現(xiàn)jade.content.Concept接口。

3） 選擇內(nèi)容語言

JADE框架本身包含了兩種語言的編＼解碼器，即SL語言和LEAP語言。SL語言是一種基于S-Expression語法的可讀字符串編碼內(nèi)容語言，支持邏輯運算符和模態(tài)操作；LEAP語言是一種非可讀的字節(jié)編碼內(nèi)容語言。另外JADE網(wǎng)站還提供了XML語法的編＼解碼器XML-ACL Codec，以及支持RDF語言的編＼解碼器。

4） 注冊定義的本體和內(nèi)容語言

在Agent使用本體和內(nèi)容語言之前，必須在內(nèi)容管理器中注冊它們。一般情況下，該操作在Agent啟動時執(zhí)行（即在Agent類的setup（）方法中執(zhí)行，分別使用registerOntology（）和registerLanguage（）方法注冊該Agent使用的本體和內(nèi)容語言。

5） 創(chuàng)建和處理作為Java對象的內(nèi)容表達

根據(jù)需求，在相應(yīng)Behaviour類中使用jade.content.ContentManager類的相關(guān)方法實現(xiàn)ACL消息的編碼和解碼。

1.2 JSA（JADE Semantic add-on， JADE語義附件）

JADE開發(fā)的Agent一般采用反應(yīng)式結(jié)構(gòu)，此外還提供JSA[7] 組件供開發(fā)者使用。JSA采用類似于BDI模型的慎思式結(jié)構(gòu)，Agent間采用語義通信。經(jīng)典的JADE程序的主要工作是編寫行為代碼，這些代碼能夠非常清晰的接收和分析簡單消息。而編寫基于JSA的語義Agent更主要是擴展語義解釋器的行為（Semantic Interpreter Behavior，SIB）。該行為的主要動作是對感知事件（如接收到消息）進行推理，進而對Agent的信念和行為進行相應(yīng)的修改[8]。

在實際開發(fā)中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用，從以下三個方面實現(xiàn)具體的語義Agent：

1） 增加新的語義解釋規(guī)則；

2） 通過Agent信念庫的定制，實現(xiàn)內(nèi)部狀態(tài)的自主管理；

3） 增加新的動作原型。

1.3 JADE框架基礎(chǔ)上構(gòu)建語義層

該實現(xiàn)方式采用分層結(jié)構(gòu)，在JADE的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個語義層，語義層包括語義引擎和本體知識庫。JADE框架的Agent收到消息后，轉(zhuǎn)交給語義層解析，語義層的語義引擎根據(jù)本體知識庫完成推理，根據(jù)推理結(jié)果更新內(nèi)部狀態(tài)或要求Agent執(zhí)行某行為。如果根據(jù)本體知識庫推理要求Agent執(zhí)行某行為，將執(zhí)行命令傳遞給Agent。在整個過程中，JADE框架的Agent充當(dāng)了執(zhí)行部件。文獻[9]中就是利用上述機制來解決語義通信的問題，并實現(xiàn)其原型系統(tǒng)Semantic Agent。Semantic Agent支持OWL和SWRL，開發(fā)者可以使用OWL和SWRL表示領(lǐng)域知識，并進行Agent開發(fā)。endprint

2 實現(xiàn)方式比較

2.1支持的內(nèi)容語言

三種實現(xiàn)方式支持的語言見表1。

表1 三種方法支持的內(nèi)容語言列表

[序號＼&實現(xiàn)方式＼&支持內(nèi)容語言＼&1＼&原生本體支持＼&SL、Leap、XML或RDF＼&2＼&JSA＼&SL、Leap＼&3＼&構(gòu)建語義層＼&OWL和SWRL＼&]

前兩種方法，和JADE框架結(jié)合緊密，本體一般使用SL或Leap語言編寫，需要程序員手工完成，目前尚無工具支持，而且分散在程序段中，測試和驗證尚無工具支持。

第三中方法，本體庫使用OWL和SWRL語言編寫，有成熟的工具如Protégé供程序員使用，并可驗證推理是否正確，可快速構(gòu)建本體知識庫。

2.2模型抽象程度

JSA采用了類BDI的模型，使用這一模型形式化FIPA Agent通信的語義。基于JSA的Agent的設(shè)計依賴于高層的抽象（主要是信念、意圖、動作），開發(fā)Agent需要增加新的語義解釋規(guī)則、定制Agent信念庫、增加新的動作原型，對開發(fā)者要求較高。

原生本體支持和Semantic Agent更接近于反應(yīng)式結(jié)構(gòu)，在消息處理環(huán)節(jié)增加了本體知識推理過程，抽象層次較低，對開發(fā)者要求低。

2.3軟件成熟度

三種方法的平臺都開發(fā)了源代碼，截止到目前為止，JADE最新版為4.3.2，JSA最新版為1.6，Semantic Agent為1.0。Semantic Agent目前只有一個原型版本，其執(zhí)行效率還有待進一步驗證；JADE和其JSA附件從1998年開始由意大利Telecom開發(fā)，2000年開發(fā)了源代碼，進行了多次版本更新，軟件成熟度更高。

（下轉(zhuǎn)第7179頁）

（上接第7167頁）

3 結(jié)論

綜合三種實現(xiàn)方式的比較分析，Agent語義通信開發(fā)建議選用JSA。同時，我們也期待JSA的下一版本能支持OWL、SWRL這些被知識工程界廣泛認可的本體語言，并實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的信念庫接口。

參考文獻：

[1] Fabio Bellifemine. White paper Jade[EB/OL]. [2014-10-12].http：//jade.tilab.com/papers/2003/WhitePaperJADEEXP.pdf.

[2] FIPA. ACL Message Structure Specification [EB/OL]. （2012-12-03）.http：//www.fipa.org/specs/fipa00061/SC00061G.html.

[3] FIPA. Communicative Act Library Specification [EB/OL]. （2012-12-03）.http：//www.fipa.org/specs/fipa00037/SC00037J.html.

[4] Gruber T R. A Translation Approach to Portable Ontology Specifications [J]. Knowledge Acquisition， 1993， 5（2）：199-220.

[5]馮志勇， 李文杰， 李曉紅，等.本體論工程及其應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2007.

[6] Giovanni Caire， David Cabanillas. Application-defined Content Languages and OntoLogies [EB/OL]. http：//jade.tilab.com/doc/tutorials/CLOntoSupport.pdf， 2010-4-15.

[7] Vincent Pautret. Jade Semantics Add-on Programmer's guide[EB/OL]. （2014-10-12）.http：//jade.tilab.com/doc/tutorials/SemanticsProgrammerGuide.pdf .

[8] 程志豐，張蕾，陳佳俊，等. 基于JADE的多Agent系統(tǒng)開發(fā)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 2013.

[9] Subercaze J， Maret P. Semantic Agent Systems [M]. Berlin： Springer， 2011.endprint

2 實現(xiàn)方式比較

2.1支持的內(nèi)容語言

三種實現(xiàn)方式支持的語言見表1。

表1 三種方法支持的內(nèi)容語言列表

[序號＼&實現(xiàn)方式＼&支持內(nèi)容語言＼&1＼&原生本體支持＼&SL、Leap、XML或RDF＼&2＼&JSA＼&SL、Leap＼&3＼&構(gòu)建語義層＼&OWL和SWRL＼&]

前兩種方法，和JADE框架結(jié)合緊密，本體一般使用SL或Leap語言編寫，需要程序員手工完成，目前尚無工具支持，而且分散在程序段中，測試和驗證尚無工具支持。

第三中方法，本體庫使用OWL和SWRL語言編寫，有成熟的工具如Protégé供程序員使用，并可驗證推理是否正確，可快速構(gòu)建本體知識庫。

2.2模型抽象程度

JSA采用了類BDI的模型，使用這一模型形式化FIPA Agent通信的語義?；贘SA的Agent的設(shè)計依賴于高層的抽象（主要是信念、意圖、動作），開發(fā)Agent需要增加新的語義解釋規(guī)則、定制Agent信念庫、增加新的動作原型，對開發(fā)者要求較高。

原生本體支持和Semantic Agent更接近于反應(yīng)式結(jié)構(gòu)，在消息處理環(huán)節(jié)增加了本體知識推理過程，抽象層次較低，對開發(fā)者要求低。

2.3軟件成熟度

三種方法的平臺都開發(fā)了源代碼，截止到目前為止，JADE最新版為4.3.2，JSA最新版為1.6，Semantic Agent為1.0。Semantic Agent目前只有一個原型版本，其執(zhí)行效率還有待進一步驗證；JADE和其JSA附件從1998年開始由意大利Telecom開發(fā)，2000年開發(fā)了源代碼，進行了多次版本更新，軟件成熟度更高。

（下轉(zhuǎn)第7179頁）

（上接第7167頁）

3 結(jié)論

綜合三種實現(xiàn)方式的比較分析，Agent語義通信開發(fā)建議選用JSA。同時，我們也期待JSA的下一版本能支持OWL、SWRL這些被知識工程界廣泛認可的本體語言，并實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的信念庫接口。

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[7] Vincent Pautret. Jade Semantics Add-on Programmer's guide[EB/OL]. （2014-10-12）.http：//jade.tilab.com/doc/tutorials/SemanticsProgrammerGuide.pdf .

[8] 程志豐，張蕾，陳佳俊，等. 基于JADE的多Agent系統(tǒng)開發(fā)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 2013.

[9] Subercaze J， Maret P. Semantic Agent Systems [M]. Berlin： Springer， 2011.endprint

2 實現(xiàn)方式比較

2.1支持的內(nèi)容語言

三種實現(xiàn)方式支持的語言見表1。

表1 三種方法支持的內(nèi)容語言列表

[序號＼&實現(xiàn)方式＼&支持內(nèi)容語言＼&1＼&原生本體支持＼&SL、Leap、XML或RDF＼&2＼&JSA＼&SL、Leap＼&3＼&構(gòu)建語義層＼&OWL和SWRL＼&]

前兩種方法，和JADE框架結(jié)合緊密，本體一般使用SL或Leap語言編寫，需要程序員手工完成，目前尚無工具支持，而且分散在程序段中，測試和驗證尚無工具支持。

第三中方法，本體庫使用OWL和SWRL語言編寫，有成熟的工具如Protégé供程序員使用，并可驗證推理是否正確，可快速構(gòu)建本體知識庫。

2.2模型抽象程度

JSA采用了類BDI的模型，使用這一模型形式化FIPA Agent通信的語義。基于JSA的Agent的設(shè)計依賴于高層的抽象（主要是信念、意圖、動作），開發(fā)Agent需要增加新的語義解釋規(guī)則、定制Agent信念庫、增加新的動作原型，對開發(fā)者要求較高。

原生本體支持和Semantic Agent更接近于反應(yīng)式結(jié)構(gòu)，在消息處理環(huán)節(jié)增加了本體知識推理過程，抽象層次較低，對開發(fā)者要求低。

2.3軟件成熟度

三種方法的平臺都開發(fā)了源代碼，截止到目前為止，JADE最新版為4.3.2，JSA最新版為1.6，Semantic Agent為1.0。Semantic Agent目前只有一個原型版本，其執(zhí)行效率還有待進一步驗證；JADE和其JSA附件從1998年開始由意大利Telecom開發(fā)，2000年開發(fā)了源代碼，進行了多次版本更新，軟件成熟度更高。

（下轉(zhuǎn)第7179頁）

（上接第7167頁）

3 結(jié)論

綜合三種實現(xiàn)方式的比較分析，Agent語義通信開發(fā)建議選用JSA。同時，我們也期待JSA的下一版本能支持OWL、SWRL這些被知識工程界廣泛認可的本體語言，并實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的信念庫接口。

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[8] 程志豐，張蕾，陳佳俊，等. 基于JADE的多Agent系統(tǒng)開發(fā)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社， 2013.

[9] Subercaze J， Maret P. Semantic Agent Systems [M]. Berlin： Springer， 2011.endprint