多Agent機(jī)器人系統(tǒng)在圖書歸類中的應(yīng)用

　　摘 要：現(xiàn)代圖書館的藏書量已成為衡量一個圖書館水平的重要指標(biāo)之一，而藏書量的增多也意味著圖書館日常管理任務(wù)的加重，圖書管理人員要耗費(fèi)巨大的精力去歸類、整理圖書。移動機(jī)器人和多Agent 技術(shù)的迅猛發(fā)展給這個亟待解決的問題帶來了一種新的、可能的解決途徑。我們提出一種基于多Agent 技術(shù)的機(jī)器人軟件實(shí)現(xiàn)模型，該機(jī)器人能自動識別、歸類圖書，并通過改進(jìn)BUG 算法導(dǎo)航適宜的行走路線，快速、準(zhǔn)確地完成圖書館大量書籍的分類整理工作，極大地簡化了傳統(tǒng)的人工操作，減輕了管理人員繁重的重復(fù)性勞動。

　　隨著科學(xué)的進(jìn)步，現(xiàn)代圖書館的藏書量和報刊雜志的種類急劇增加。隨之而來的日益繁重的管理任務(wù)，僅憑傳統(tǒng)的人工操作，不僅耗費(fèi)越來越多的人力、物力、財力，也降低了圖書管理工作的可靠性，特別是有些讀者借了多本書后隔天就馬上歸還，這無形中加重了圖書館理人員的勞動量，因而，讓機(jī)器代替人類實(shí)現(xiàn)圖書館管理的工作是圖書館管理的必然發(fā)展趨勢。

　　智能機(jī)器人是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。近年來，機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天及空間探測等許多領(lǐng)域都起到了重要的作用，同時又顯示了廣泛的應(yīng)用前景，成為人工智能學(xué)術(shù)界研究和關(guān)注的熱點(diǎn)問題。而Agent 是處在某個環(huán)境中的計算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)有能力在這個環(huán)境中自主行動以實(shí)現(xiàn)其設(shè)計目標(biāo)。多Agent 系統(tǒng)是多個可運(yùn)作的Agent 的有機(jī)結(jié)合，通過多Agent 之間的交互將一個復(fù)雜的問題簡單化。

　　將多Agent 技術(shù)應(yīng)用于移動機(jī)器人中使得機(jī)器人具有更高的智能性，實(shí)現(xiàn)自動感知環(huán)境變化、智能識別、歸類、傳送圖書，讓機(jī)器完成重復(fù)、繁重的體力勞動，減輕了圖書館工作人員的工作壓力，實(shí)現(xiàn)圖書館的智能化。

　　1 Agent與多Agent的機(jī)器人系統(tǒng)基本理論

　　1.1 Agent 理論

　　在人工智能研究的進(jìn)程中，研究者們逐漸認(rèn)識到應(yīng)該把人工智能各個領(lǐng)域的研究成果集成為一個具有智能行為概念的“人”，更重要的是人們認(rèn)識到了人類智能的本質(zhì)是一種社會性的智能，人類絕大部分的活動都涉及多個人構(gòu)成的社會團(tuán)體，大型復(fù)雜問題的求解需要多個專業(yè)人員或組織協(xié)作完成。人最重要的和最多的智能是在由眾多個體構(gòu)成的社會中進(jìn)行各種活動時體現(xiàn)出來的?！皡f(xié)作”、“競爭”、“談判”等等是人類智能行為的主要表現(xiàn)形式。要對社會性的智能進(jìn)行研究，構(gòu)成社會的基本構(gòu)件“人”的對應(yīng)物“Agent”理所當(dāng)然地就成為人工智能研究的基本對象。

　　一般認(rèn)為，Agent 是一種處于一定環(huán)境下包裝的計算機(jī)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計目的，它能在那種環(huán)境下靈活地、自主地活動。雖然目前還沒有一個大家都能接受的關(guān)于Agent 的定義，但幾乎所有被稱為Agent的軟件或硬件系統(tǒng)都具有以下的特征： 自治性（Autonomy ） 、社會性（Social Ability） 、反應(yīng)性（Reactivity）、主動性（Proactivity）、智能性（Intelligence ）、合作性（Collaboration）。

　　1.2 基于多Agent 的機(jī)器人系統(tǒng)及其任務(wù)模型

　　多機(jī)器人系統(tǒng)并非一個簡單的多機(jī)器人組合系統(tǒng)，而是一個以分布式人工智能為指導(dǎo)，結(jié)合計算機(jī)、分布式控制、多傳感器技術(shù)和理論，將多個機(jī)器人組織而成的分布式智能系統(tǒng)。多機(jī)器人系統(tǒng)在系統(tǒng)功能、并行性、柔性、穩(wěn)定性以及容錯性等方面具有單機(jī)器人系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢，其正得到深入研究和廣泛應(yīng)用。多個機(jī)器人在共同的復(fù)雜環(huán)境中協(xié)同工作時，不僅和環(huán)境之間有復(fù)雜的交互作用，而且相互之間既有分工又有協(xié)作，既有合作又有競爭。多機(jī)器人系統(tǒng)的研究存在許多與單機(jī)器人系統(tǒng)所不同的問題：（1）如何在各機(jī)器人間表達(dá)、描述問題，分解和分配任務(wù)；（2）如何使機(jī)器人間相互通訊和相互作用；（3）如何保證各機(jī)器人行為協(xié)調(diào)一致；（4）機(jī)器人間如何識別和解決沖突等等。

　　這些問題主要涉及分布式問題的求解，用傳統(tǒng)的集中控制理論和機(jī)器人理論已難以解決。當(dāng)前MAS理論的發(fā)展及其在分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用給多機(jī)器人系統(tǒng)的研究帶來了新的思路，并已在一些試驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)中得到了驗(yàn)證。

　　1.3 機(jī)器人Agent 的任務(wù)模型

　　機(jī)器人的行為總是帶有一定目的性，即與一定的任務(wù)或任務(wù)目標(biāo)相聯(lián)系任務(wù)目標(biāo)。根據(jù)其是抽象的還是具體的，可分為隱式任務(wù)和顯式任務(wù)兩類：隱式任務(wù)一般是指可用自然語言描述的，沒有明確數(shù)學(xué)形式的“抽象”任務(wù)，例如，“將圖書放到書柜上”，或“放到推車”。顯式任務(wù)則一般是具有精確的數(shù)學(xué)形式描述或量化指標(biāo)的“具體”任務(wù)，如“移動到目標(biāo)點(diǎn)（3， 7）”，或“保持加工精度為土0. 003mm ”?？梢钥吹?，隱式任務(wù)一般是高層任務(wù)指令，而顯式任務(wù)一般是底層具體任務(wù)。隱式任務(wù)需要結(jié)合環(huán)境信息以及機(jī)器人的自身狀態(tài)，轉(zhuǎn)化為顯示任務(wù)序列加以實(shí)現(xiàn)。以機(jī)器人取書為例，假設(shè)機(jī)器人位置為（5， 8}，書位置為（32， 36），推車位置為（67， 57）?！皩湃胪栖嚒睘殡[式任務(wù)目標(biāo)，其可分解為顯示任務(wù)目標(biāo)序列：“移動到位置點(diǎn)（32，36）”，“夾持位置點(diǎn)在（32， 36）的書”，“移動到位置點(diǎn)（67，57）”，“放置書到位置點(diǎn)在（67， 57）的推車”。一般而言，機(jī)器人Agent 的任務(wù)可用下式表示：

　　Task=（Goal，Precondition，Body，Effects，Setting）

　　其中Goal 表示任務(wù)task 的目標(biāo)，一般可用自然語言描述；Precondition 表示任務(wù)task 實(shí)現(xiàn)所需的前提條件；Body 表示任務(wù)task 的子任務(wù)序列或顯式目標(biāo)序列；Setting 表示任務(wù)task 的附加約束條件集；Effects 表示任務(wù)task 實(shí)現(xiàn)后對環(huán)境的效果集。

　　隱式任務(wù)在分解轉(zhuǎn)化為顯式任務(wù)時，也可能生成某些中間隱式任務(wù)，從而形成機(jī)器人任務(wù)分解的一種與/或樹結(jié)構(gòu)。其中“與”表示上層任務(wù)目標(biāo)通過實(shí)現(xiàn)所有下層任務(wù)目標(biāo)才能完成，“或”表示上層任務(wù)目標(biāo)可通過選擇實(shí)現(xiàn)下層的某個任務(wù)目標(biāo)加以完成。一般而言，樹狀結(jié)構(gòu)的最底層分支的端點(diǎn)都是機(jī)器人可直接執(zhí)行的顯式任務(wù)目標(biāo)，并且是“與”樹結(jié)構(gòu)，即顯示任務(wù)目標(biāo)序列。

　　2 基于多Agent的機(jī)器人系統(tǒng)的體系設(shè)計

　　2.1 環(huán)境設(shè)置

　　本系統(tǒng)為了便于機(jī)器人識別，將圖書館中所有的書柜用阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行編號，即每一書柜對應(yīng)相應(yīng)的標(biāo)簽編碼段，跟圖書館中每個柜上設(shè)置放置的圖書數(shù)目一致，并將其存入規(guī)則庫中。推車設(shè)計成具有若干個格子，且設(shè)定每個格子只放一本書，便于機(jī)器人區(qū)分某本書的在推車上的具體位置，推車上的格子也以阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)識，便于機(jī)器人存儲、記憶。

　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)利用多Agent 系統(tǒng)減輕人工分類、擺放圖書的工作量，其工作流程如圖1 所示：

　　圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。