基于Multi-Agent 的高校校園一卡通系統(tǒng)集成研究

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：姚敏，郭慶   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月15日

    0 引言

    隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，目前高校的信息化程度也在逐漸提升。為了提升核心競爭力，高校掀起了一場“數(shù)字化校園系統(tǒng)建設(shè)”（Digital Campus）的熱潮。

    在數(shù)字化校園建設(shè)中，“校園一卡通”作為基礎(chǔ)工程，為數(shù)字化校園提供了全面的數(shù)據(jù)采集平臺。目前高校校園一卡通中存在多個不同時期的各種信息系統(tǒng)，存在著異構(gòu)數(shù)據(jù)庫，需要整合二級管理部門的“信息孤島”[1]，解決異構(gòu)的集成問題。本文主要研究各個應(yīng)用支撐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫異構(gòu)問題，并引入Mutil-Agent 技術(shù)，提出一種基于Mutil-Agent 的高校校園一卡通集成方案。

    1 Mutil-Agent 技術(shù)

    Mutil-Agent（MA）技術(shù)主要是研究多個Agent 之間如何相互協(xié)作、相互支持以完成系統(tǒng)共同目標(biāo)的問題，其成果可應(yīng)用于物理分布或邏輯上具有分布性特點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域。多智能Agent 系統(tǒng)（Mutil-Agent System,MAS）是指由多個可執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)計(jì)算Agent 組成的集合。MAS 的協(xié)作求解問題的能力超過單個Agent,這是MAS 產(chǎn)生的最直接的原因。它能夠模擬人類社會團(tuán)體、大型組織機(jī)構(gòu)的群體工作，可用它解決復(fù)雜問題[2]。

    對MAS的研究主要涉及以下六個方面的內(nèi)容：

    ⑴ 功能控制范圍。單個Agent 的功能控制范圍可以是全局，也可以是局部。
    ⑵ 集成系統(tǒng)的操作手段。系統(tǒng)可以通過局部功能、局部接口、應(yīng)用或問題參數(shù)訪問單個Agent。
    ⑶ 系統(tǒng)控制位置。包括中心或分布的。
    ⑷ 系統(tǒng)集成機(jī)制。包括功能、語言、表示方法、應(yīng)用或問題。
    ⑸ Agent 組成。包括同構(gòu)、異構(gòu)的。
    ⑹ 系統(tǒng)Agent 類型。包括人、機(jī)器、人和機(jī)器的混合。MAS 的研究歷史最早可以追溯到80 年代中期的Actors 模型，隨后Davis 和Smith 提出了合同網(wǎng)協(xié)議。合同網(wǎng)協(xié)議至今仍被認(rèn)為是關(guān)于通信、MAS 研究的重要成果，主要內(nèi)容包括：MAS 理論、Multi-Agent 協(xié)商和Multi-Agent 規(guī)劃等。其他比較熱門的研究是，MAS 在Internet 上的應(yīng)用、移動Agent 系統(tǒng)、電子商務(wù)、基于經(jīng)濟(jì)學(xué)或市場學(xué)的MAS等。

    2 高校一卡通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及存在問題

    2.1 高校一卡通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    校園一卡通是一個全新的理念，作為學(xué)校數(shù)字化校園的基礎(chǔ)建設(shè)，在提升學(xué)校信息化建設(shè)和核心競爭力中起著舉足輕重的作用。按照業(yè)務(wù)功能的需要，校園一卡通平臺系統(tǒng)一般由支付交易系統(tǒng)、身份識別系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)接口、綜合應(yīng)用系統(tǒng)四大功能系統(tǒng)組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)資源的集成共享，統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺的目標(biāo)是為了整個信息系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定、集成、可靠的環(huán)境，保證系統(tǒng)中各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)可以充分集成并保持一致。利用共享數(shù)據(jù)庫平臺，可集成各個不同時期建立的業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個校園管理的規(guī)范化、系統(tǒng)化、一體化。

    2.2 存在問題

    在高校校園一卡通系統(tǒng)中，學(xué)校很多部門在管理方面已經(jīng)應(yīng)用了一些專業(yè)生產(chǎn)廠家所開發(fā)的較為成熟的應(yīng)用管理系統(tǒng)，如：控水控電系統(tǒng)、圖書借約系統(tǒng)、網(wǎng)上查詢系統(tǒng)、OA 系統(tǒng)等。他們采用的開發(fā)平臺各不相同。因此，目前各種類型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)同時并存，有Foxpro、Access 等桌面型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，也有SQL Server、Oracle、Sybase 之類的大中型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 

    同時，隨著Web 技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了許多新的數(shù)據(jù)形式（如文本、音頻、圖像、動畫、視頻數(shù)據(jù)等），這些異構(gòu)數(shù)據(jù)，制約了各部門間的信息傳輸和互用。

    學(xué)校本部與分校及銀行在操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)上的異構(gòu)性，高校內(nèi)部各種形式的信息系統(tǒng)，所形成的一個個分散的“信息孤島”[1]，使得數(shù)據(jù)無法共享和及時更新，給單位的規(guī)范管理造成了一定困難。

    為了解決數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，保護(hù)學(xué)校各部門的前期投資，促進(jìn)學(xué)校與銀行的相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)學(xué)校、商戶同銀行之間的信息交換，建立一個分布異構(gòu)環(huán)境下的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫集成系統(tǒng)是十分必要的。
    3 基于Mutil-Agent 的一卡通集成系統(tǒng)

    為了解決高校各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫和操作系統(tǒng)平臺的異構(gòu)性、系統(tǒng)接口不統(tǒng)一、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義不一致、開發(fā)商不同等等問題，我們在一卡通系統(tǒng)中引入多Agent 技術(shù)，即引入ManagentAgent 和各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)Agent，如OA Agent、圖書借約Agent、控水控電Agent 和網(wǎng)上查詢Agent 等來解決校園一卡通中各子系統(tǒng)間互相通信與協(xié)作，以便達(dá)到異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的集成和透明共享，實(shí)現(xiàn)分布、異構(gòu)的校園一卡通子系統(tǒng)間的信息共享、功能共享、互通信和互操作。圖2 為基于Mutil-AgentAgent 的校園一卡通集成系統(tǒng)模型。 

    Client Agent 由Web Client 組成，是用戶和系統(tǒng)交流的接口，它接收用戶的操作和請求并返回執(zhí)行結(jié)果，并為用戶提供服務(wù)，負(fù)責(zé)向Managent Agent 提交用戶信息和服務(wù)請求。用戶只需要提出相應(yīng)的要求或者作出一系列選擇，Client Agent 就能將用戶請求轉(zhuǎn)換成Agent 能識別的命令。 

    Managent Agent 是整個模型的核心，它接收Client Agent的請求任務(wù)，轉(zhuǎn)換請求格式，并分解成相應(yīng)的子業(yè)務(wù)，發(fā)送給各個子業(yè)務(wù)Agent，如OA Agent、Lib Agent、Inquiry Agent 等。接收各子業(yè)務(wù)Agent 發(fā)來的處理結(jié)果，并對其進(jìn)行整合后返回給Client Agent。

    元數(shù)據(jù)字典：包括各局部數(shù)據(jù)庫的模式信息、集成系統(tǒng)的全局視圖信息以及異構(gòu)模式的轉(zhuǎn)換規(guī)則等。這些元數(shù)據(jù)主要用于記錄整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的全局資源、局部資源和關(guān)系資源，是數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的描述。元數(shù)據(jù)在需求分析階段定義，需要在設(shè)計(jì)過程中不斷修改、實(shí)施、完善。元數(shù)據(jù)字典位于管理Agent所在的同一機(jī)器上，這樣對于全局?jǐn)?shù)據(jù)庫的訪問只需訪問本機(jī)的數(shù)據(jù)庫。對于局部數(shù)據(jù)的訪問，相應(yīng)的信息通過JDBC 從全局?jǐn)?shù)據(jù)字典提取，再由Managent Agent 執(zhí)行。

    各子業(yè)務(wù)Agent:對應(yīng)于各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。它接收和解釋來自Managent Agent 的請求，檢驗(yàn)其合法性以及權(quán)限；將服務(wù)通過標(biāo)準(zhǔn)接口JDBC 傳送給數(shù)據(jù)源執(zhí)行；取得查詢結(jié)果后，將其組織成規(guī)范的XML 格式文件傳送給ManagentAgent。

    4 基于Mutil-Agent 的集成通信機(jī)制設(shè)計(jì)

    校園一卡通集成系統(tǒng)模型中一個業(yè)務(wù)的執(zhí)行往往需要多個功能Agent 的交互協(xié)作。因而實(shí)現(xiàn)Agent 之間通信和協(xié)作，是保障校園一卡通系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。完成協(xié)作，就需要通信。為了讓每個Agent 都能理解通信的內(nèi)容并作出相應(yīng)的反應(yīng)，就需要為它們定義共同的通信機(jī)制。本文選擇KQML(Knowledge Query and Manipuliation Language)[3]作為開發(fā)語言，它提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的Agent 通信原語，定義了一組Agent 之間傳遞信息的標(biāo)準(zhǔn)語法和動作，而且KQML 通信語言支持多種類型的消息通信，能夠完成控制系統(tǒng)中的一般信息交換、功能交互與知識共享。KQML 分為三個層次：內(nèi)容層、消息層和通訊層[4]，如圖3 所示。 

     層間交互通過Inform,Request,Offer,Accept,Refuse,Command等類型的消息來實(shí)現(xiàn)。KQML 是一種較為成熟的Agent 通訊語言和通訊協(xié)議，但由于專業(yè)領(lǐng)域的封閉性和相應(yīng)軟件的不足，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今Internet 發(fā)展的需求。XML 是一種可擴(kuò)展語言，是一種跨平臺的數(shù)據(jù)交換規(guī)范，已經(jīng)成為被廣泛接受的數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)。它最重要的特征是，被標(biāo)記的各個數(shù)據(jù)是保持其含義的，因此極大地提高了系統(tǒng)間交換數(shù)據(jù)的可能性。鑒于XML語言的可擴(kuò)展性、平臺獨(dú)立性、靈活性、自描述性和簡明性[5]，本文采用XML對KQML進(jìn)行封裝。

    用XML來封裝KQML語言的統(tǒng)一格式如下：

    <?xml version=”1.0”ecoding=”UTF-8”?>
    <message>
    <ID>消息的編號</ID>
    <sender>消息發(fā)送方</sender>
    <receiver>消息接收方</receiver>
    <type>消息類型</type>
    <content>消息的內(nèi)容</content>
    </message>

    Agent 采用KQML 通信的時候，其消息可劃分為兩個層面，通信原語和通信內(nèi)容層。這兩個層面是相對獨(dú)立的。如果采用KQML 來進(jìn)行Agent 通信，可用XML 來封裝KQML 通信原語消息，同時也可用XML 來表示通信內(nèi)容。我們將給出一個KQML 的DTD 設(shè)計(jì)，通信內(nèi)容則由用戶負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)其DTD。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是[6-7]：

    ⑴ 可增強(qiáng)不同種類的Agent 之間的通信能力；
    ⑵ 可降低通信的復(fù)雜度，使某些棘手的通信得以進(jìn)行；
    ⑶ 不依賴于特定網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；
    ⑷ 有利于Agent 技術(shù)融入萬維網(wǎng)環(huán)境；
    ⑸ 有利于Agent 尋址、安全性以及標(biāo)準(zhǔn)詞匯集的定義和共享；
    ⑹ 有利于Agent 協(xié)調(diào)和合作；
    ⑺ 有利于增強(qiáng)Multi-agent 系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)充性。 

    圖4為基于XML的Agent 通信框架： 

    XML Wrapper
    KQML
    request
    Ontology
    A
    Ontology
    B
    KB
    XML Wrapper
   KQML
   result
   Ontology
   A 
   Ontology
   B 
   KB 
   Background 
   Knowledge
   Base 

    該框架的通信流程為：

    設(shè)Agent A 就某問題向Agent B 詢問。Agent A 根據(jù)自己的知識庫經(jīng)過計(jì)算或推理，利用合適的標(biāo)準(zhǔn)詞匯集生成相應(yīng)的請求，將它嵌入KQML 的內(nèi)容層，使用XML 包裝器生成XML文檔，最后通過通信服務(wù)向B 傳送。Agent B 收到該文檔后，使用XML 解析器從中分離出KQML 消息，利用自己的知識庫進(jìn)行計(jì)算、推理和詮釋，并選用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)詞匯集生成反饋信息；接著，將其轉(zhuǎn)換成XML 文檔；最后也通過通信服務(wù)向A 傳回XML文檔。

    下面給出KQML消息的DTD定義。

    <!—filename:performative.dtd-->
    <!ENTITY%commadntype“ask-if|ask-all|ask-one|re-ask|streamall|
    eos|tell|untell|deny|suggest|insert|uminsert|delete-one|
    delete-all|undelete|achieve|unachieved|advertise|unadvertised|
    subscribe|error|sorry|standby|ready|next|rest|discard|register|
    unregister|forward|broadcast|transport-address|broker-one|
    broker-all|recommend-one|recruit-one|recruit-all”>
    <!ELEMENT performative(name,sender*，receiver*，in-reply-to？，
    reply-with，language，ontology，from？，to？，content)>
    <!ELEMENT name(% commandtype)>
    <!ELEMENT sender (Agent-id)>
    <!ELEMENT receiver (Agent-id)>
    <!ELEMENT in-reply-to (#PCDATA)>
    <!ELEMENT reply-with (#PCDATA)>
    <!ELEMENT content (#PCDATA)>
    <!ELEMENT language (#PCDATA)>
    <!ELEMENT ontology (#PCDATA)>
    <!ELEMENT from (#PCDATA)>
    <!ELEMENT to (#PCDATA)>
    <!ELEMENT Agent-id(name,address?)>
    <!ELEMENT name(#PCDATA)>
    <!ATLIST name id ID #IMPLIED)
    <!ELEMENT address EMPTY>

    這里給出一個數(shù)據(jù)庫查詢的實(shí)例。假設(shè)用戶執(zhí)行的語句如下所示：
    SQLConnect(dsn，dsn_len，uid，uid-len，pwd，pwd_len)解析：

    假設(shè)定義的數(shù)據(jù)庫連接語句原型為SQLConnect(DSN，UID，Len(UID)，PWD，Len(PWD))，其中DSN 是數(shù)據(jù)源名，UID為用戶的ID，PWD 為用戶密碼，其余加Len()的表明為字符串的長度。
    文檔（Client Agent 向Managenent Agent 發(fā)送的文檔）
    <!—ask-if.xml-->
    <?xml version=“1.0” encoding=“UTF-8”standalone=“no”?>
    <!DOCTYPE performative SYSTEM“performative.dtd”>
    <!ELEMENT content sqlconnect>
    <!ELEMENT sqlconnect(dsn，dsn-len，uid，uid_len，pwd，pwd-len)>
    <!ElEMENT dsn (#PCDATA)>
    <!ATTLIST dsn_len (#PCDATA)>
    <!ATTLIST dsn_len inquire(yes|no)no>
    <!ElEMENT uid (#PCDATA)>
    <!ATTLIST uid inquire(yes|no)yes>
    <!ElEMENT uid_len (#PCDATA)>
    <!ATTLIST uid_len inquire(yes|no)no>
    <!ELEMENT pwd (#PCDATA)>
    <!ATTLIST pwd inquire(yes|no)yes>
    <!ELEMENT pwd (#PCDATA)>
    <!ATTLIST pwd inquire(yes|no)yes>
    <performative>
    <name> ask-if </name>
    <sender>
    <Agent -id>
    <name>Client Agent</name>

    </Agent -id>
    <content>
    <dsn>dsn</dsn>
    <dsn_len>dns_len</dsn_len>
    <uid>uid</uid>
    <uid_len>uid_len</uid_len>
    <pwd>pwd</pwd>
    <pwd_len>pwd_len</pwd_len>
    </content>
    </sender>
    <receiver>
    <Agent-id>
    <name> Menagement Agent</name>
    </Agent-id>
    </receiver>
    <in-reply-to/>
    <reply-with>No.1</reply-with>
    <content/>
    <language>XML</language>
    <ontology>Travel</ontology>
    </performative>

    5 結(jié)束語

    將Mutil-Agent 用于高校校園一卡通系統(tǒng)，較好地解決了異構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間的通信與協(xié)作問題，使系統(tǒng)更具有智能性和自學(xué)習(xí)功能。XML 具有的平臺獨(dú)立性、很好的擴(kuò)展性和自描述性，能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的透明互訪和共享。所以通過XML 封裝KQML 消息，能夠有效地解決異構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的通信和協(xié)作問題。