协同智能网格及其实现架构

D01:10.13374.isml001053x.2007.10.位1 第29卷第10期 北京科技大学学报 Vol.29 No.10 2007年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0et.2007 协同智能网格及其实现架构 沈记全1,2)贾宗璞2) 涂序彦) 1)北京科技大学信息工程学院.北京1000832)河南理工大学计算机科学与技术学院焦作454000 摘要为了提高网格的智能水平和协调能力以及协同分布的网格服务，支持动态的计算环境和多变的用户需求，提出了协 同智能网格CIG(cooperative intelligent grid).CIG以OGSA为基础，应用分布式人工智能和分布协调控制的理论和方法来研 究和解决网格中如何高效准确地协同现有的网格服务以完成所面临的任务.文中描述了CIG的概念和体系结构，从社区/联 邦式政策导向型的系统结构、领域自适应的中介服务协作机制和理性化协商机制等方面构建开放动态的CIG.CG可以有效 地组织各网格实体的协调、协商和合作，提高了服务组合的自动化程度和抽象层次. 关键词网格服务：代理：中介服务：心理模型 分类号TP393.0 目前在国内外学术界，有关网格的研究项目层 制定标准并不能很好地支持“软件作为服务”这一理 出不穷：同时，网格技术的应用也开始受到BM、微 念，其原因在于从根本上说标准对技术的规范化和 软等大型企业的大力推动，与Wb服务技术紧密结 统一化固然有助于解决不同层次的互操作问题，但 合，开始应用到商业计算领域中，但是，网格理论还 对技术本身的不足无能为力.而对于网格这样的一 不成熟，许多关键问题亟待解决，许多方面都没有建 个分布的、动态的、无显式全局控制的系统来说，必 立统一的模型.同时，众多的网格应用仍处于分立 须适应实际网格结构变型与结构进化的需要和不断 的状态，缺乏全局范围的自动协作机制；智能化程度 演化的用户个性的需求，协同分布在网格上的服务， 不高，人机交互不够丰富，计算机还不够智能习. 而目前的网格体系结构还不能完全满足这方面的要 目前网格服务的应用相对较为单调，主要是把 求. 原有的信息封装成服务，再通过SOAP/WSDL/ 本文针对这一问题，提出了协同智能网格 GWSDL/UDDI等系列标准进行发布、发现和使用， (CIG.CIG研究的是网格实体之间智能行为的协 还不能很好地协同现有的网格服务完成所面临的复 调，这些自治的实体具有社会知识和领域知识，能够 杂的应用任务.为了充分发挥网格的优势，较全面 依据心智状态自主地工作，并具有语义互操作和协 实现“软件作为服务”这一目标，还需在软件服务的 调能力，能够协同匹配或组合己有的网格服务完成 基础上，对所谓的“增值服务”或“组合服务”提供支 所面临的问题. 持，进一步构建完整的、面向服务的体系结构SOA (service-oriented architecture)的技术体系和系列标 1CIG的概念 准.目前这方面研究的一个热点是如何协同分布在 随着分布式计算环境的迅速增长和普及应用， 网格上的、已有的网格服务，以完成更为复杂的应用 松散型协同工作已成为实用需求的主流.为了提高 目标或提供更有价值的“组合服务”.BPEL4WS, 网格的智能水平与协调能力，适应实际网格结构变 WS-Coordination和WS-T ransaction等标准的提出 型与结构进化的需要，协同分布的网格服务，支持动 体现了这种技术的要求).然而从软件技术的角度 态的计算环境和多变的用户需求.人们提出“协同 分析，这些技术标准距网格环境下的协同服务需要 智能网格CIG2一7，其概念模型如下： 还有差距，例如文献4指出，即使是使用BPEL来 DAI+DCC+Grid-CIG (1) 组合服务，其结构仍然太平坦而不规整(unstruc 式中，DAI为分布式人工智能(distributed artificial ud),因而导致其不易调整和演化.因此仅仅通过 intelligence);DCC为分布协调控制(distributed coor 收稿日期：200605-09修回日期：2006-1-20 dinating control);Grid为网格；CIG为协同智能网格 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No.60375038) cooperative intelligent grid). 作者简介：沈记全(1969一），男.副教授，博士研究生 DAI是人工智能和分布式计算相结合的领域

协同智能网格及其实现架构 沈记全1, 2) 贾宗璞2) 涂序彦1) 1) 北京科技大学信息工程学院, 北京 100083 2) 河南理工大学计算机科学与技术学院, 焦作 454000 摘 要 为了提高网格的智能水平和协调能力以及协同分布的网格服务, 支持动态的计算环境和多变的用户需求, 提出了协 同智能网格 CIG ( cooperative intellig ent grid) .CIG 以 OGSA 为基础, 应用分布式人工智能和分布协调控制的理论和方法来研 究和解决网格中如何高效准确地协同现有的网格服务以完成所面临的任务.文中描述了 CIG 的概念和体系结构, 从社区/ 联 邦式政策导向型的系统结构、领域自适应的中介服务协作机制和理性化协商机制等方面构建开放动态的 CIG .CIG 可以有效 地组织各网格实体的协调、协商和合作, 提高了服务组合的自动化程度和抽象层次. 关键词 网格服务;代理;中介服务;心理模型 分类号 TP393.0 收稿日期:2006-05-09 修回日期:2006-11-20 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No .60375038) 作者简介:沈记全( 1969—) , 男, 副教授, 博士研究生 目前在国内外学术界, 有关网格的研究项目层 出不穷;同时, 网格技术的应用也开始受到 IBM 、微 软等大型企业的大力推动, 与 Web 服务技术紧密结 合, 开始应用到商业计算领域中.但是, 网格理论还 不成熟, 许多关键问题亟待解决, 许多方面都没有建 立统一的模型.同时, 众多的网格应用仍处于分立 的状态, 缺乏全局范围的自动协作机制 ;智能化程度 不高, 人机交互不够丰富, 计算机还不够智能[ 1-2] . 目前网格服务的应用相对较为单调, 主要是把 原有的信息封装成服务, 再通过 SOAP/WSDL/ GWSDL/ UDDI 等系列标准进行发布 、发现和使用, 还不能很好地协同现有的网格服务完成所面临的复 杂的应用任务.为了充分发挥网格的优势, 较全面 实现“软件作为服务” 这一目标, 还需在软件服务的 基础上, 对所谓的“增值服务”或“组合服务”提供支 持, 进一步构建完整的、面向服务的体系结构 SOA (service-oriented architecture) 的技术体系和系列标 准.目前这方面研究的一个热点是如何协同分布在 网格上的 、已有的网格服务, 以完成更为复杂的应用 目标或提供更有价值的“ 组合服务” .BPEL4WS, WS-Coordination 和 WS-T ransaction 等标准的提出 体现了这种技术的要求 [ 3] .然而从软件技术的角度 分析, 这些技术标准距网格环境下的协同服务需要 还有差距 .例如文献[ 4] 指出, 即使是使用 BPEL 来 组合服务, 其结构仍然太平坦而不规整( unstruc￾tured) , 因而导致其不易调整和演化 .因此仅仅通过 制定标准并不能很好地支持“软件作为服务”这一理 念, 其原因在于从根本上说标准对技术的规范化和 统一化固然有助于解决不同层次的互操作问题, 但 对技术本身的不足无能为力 .而对于网格这样的一 个分布的、动态的 、无显式全局控制的系统来说, 必 须适应实际网格结构变型与结构进化的需要和不断 演化的用户个性的需求, 协同分布在网格上的服务, 而目前的网格体系结构还不能完全满足这方面的要 求 . 本文针 对这一问题, 提 出了协同 智能网格 ( CIG) .CIG 研究的是网格实体之间智能行为的协 调, 这些自治的实体具有社会知识和领域知识, 能够 依据心智状态自主地工作, 并具有语义互操作和协 调能力, 能够协同匹配或组合已有的网格服务完成 所面临的问题. 1 CIG的概念 随着分布式计算环境的迅速增长和普及应用, 松散型协同工作已成为实用需求的主流.为了提高 网格的智能水平与协调能力, 适应实际网格结构变 型与结构进化的需要, 协同分布的网格服务, 支持动 态的计算环境和多变的用户需求.人们提出“协同 智能网格C IG” [ 1-2, 5-7] , 其概念模型如下: DAI +DCC +Grid ※CIG ( 1) 式中, DAI 为分布式人工智能( distributed artificial intelligence) ;DCC 为分布协调控制( distributed coor￾dinating control) ;Grid 为网格;CIG 为协同智能网格 ( cooperative intelligent g rid) . DAI 是人工智能和分布式计算相结合的领域. 第 29 卷 第 10 期 2007 年 10 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 No.10 Oct.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.10.021

。1060。 北京科技大学学报 第29卷 它研究的目标是要建造描述自然系统和社会系统的 应该具有区别OGSA的特点： 精确概念模型，是研究在分布式系统中，实体之间如 何交互、知识和动作如何分布和协作以增强整个系 网格应用计算密集型。数据密集型，知识密集型，协作密集型等 统的性能.DAI的研究可分为分布式问题求解和多 应用支持的环境端程支持系统，面向对象技术，商品休技术等 Agent系统（一种松散型的协作工作系统）. 协同服务分布协调机制、策略、方法，协同逻辑等 DCC是研究分布式大系统的“可协调性”、“协 网格服务注册，认证，监控，安全，策略。服务管理等 调控制策略”等理论与方法.可协调性是基于大系 WEB服务服务的发布，发现和服务请求者与提供者之间的绑定 统结构的“能通性”、“可控性”、“可观性”，研究分布 国际互连阿分布式资源.互连网协议(TTP.FTP.SMP)等 大系统的资源协调、任务协调的可协调性判据和条 件.DCC的分布协调控制策略主要有导引协调、分 图1协同智能网格体系结构 Fig I Architecture of cooperative intelligent grid 组协调、循环协调、全息协调等. CIG是以现有的网格理论为基础，是网格与分 ()协同逻辑显式表达，并与计算逻辑分离. 布式人工智能和分布协调控制相结合的产物，是一 S0C中需要丰富的协同逻辑，应该提供专门的机制 个开放、动态的人机社会(society of people and com- 来显式表达协同逻辑，而不能将其固化于语言或平 puters).社会由多人和多机组成，是一个开放的、动 台之中.同时基于关注分离(separation of concerns) 态的、和谐的人机社会：社会既有共同目标，又有分 这一软件工程的基本原则，应该使协同逻辑和计算 工：既有规范，又有自主性：任何人在任何地点都能 逻辑解耦. 使用任何资源(3A:any place,any time,and any (2)协同逻辑可编程.上述协同逻辑的表达机 source). 制不但要表达各种特点于应用的协同方式，而且要 2 CIG的体系结构 支持对系统进行动态调整以适应环境和需求的变 化，这就要求协同逻辑可以动态修改. 目前的网格系统主要提供如注册、发布、发现、 (3)协同逻辑可以动态灵活部署.由于服务实 认证等基本服务.在这一层面上，为了使网格服务 体已经部署到网格系统中，协同逻辑在网格上的恰 的发布、发现和使用能够在一个跨组织的层面上得 当分布就至关重要.最好能使协同逻辑可在网格系 以实施，主要的工作是制定一套平台/语言中立的、 统上动态部署、自由迁移，最佳适应网格服务的物理 支持松耦合交互的软件服务标准.自然地，XML成 分布. 为这套标准的基础.随着定义服务交互的S0AP、描 (4)以协同为中心.在CIG中强调的不是具体 述服务接口的WSDL/GWSDL和支持服务注册、发 功能的实现，因为网格服务已提供了各种具体的功 布和发现的UDDI标准的制定和推广，一个基于 能，而应该重点研究如何协同这些服务资源来完成 WEB服务的网格基础架构逐渐形成.在这样的一 用户的目标 个基础架构的基础上，人们可以利用XML、SOAP、 WSDL/GWSDL、UDDI来开发、部署、发现和使用 3协同智能网格的实现架构 网格服务 在CIG系统中，系统的全局连贯性而无显式全 随着网格技术的发展，面向服务的计算(sr- 局控制、各实体间的行为协调程度以及各实体是否 vice-oriented computing,SOC)近年来已成为软件产 具有自适应性，是关系到整个系统性能和开放性的 业界和学术界关注的一个热点话题9，而$0C的 核心内容，同时也是衡量系统智能水平和自动协作 核心是如何协同已有的服务来完成面临的任务.目 程度的重要指标.从社区/联邦式政策导向型的系 前的OGSA架构还不能满足SOC的要求.CIG正 统结构、领域自适应的中介服务协作机制和理性化 是针对这一问题，继承了OGSA的基本架构（图1 协商机制等三个方面建设开放的、动态的、无显式全 中的非阴影部分)，增加了一个新的“协同服务”层 局控制的CIG(如图2所示)· (图1中的阴影部分).现有的OGSA的基本架构虽 3.1社区/联邦式政策导向型的系统结构 己考虑到网格系统的某些特征，如松耦合、平台中立 大系统控制论和分布协调控制论的研究表明： 等，但由于其最终仍依赖传统的实现技术（如基于工 要想实现一个大系统的“协调化”，首先其结构是能 作流的集成技术、协同逻辑与计算逻辑紧密耦合等) 通的、可控的、可观的.因此可以把CIG设计成一个 来实现，故很难全面实现SOC的理念.为此，CIG 基于Web Services框架的社区/联邦式政策导向型

它研究的目标是要建造描述自然系统和社会系统的 精确概念模型, 是研究在分布式系统中, 实体之间如 何交互 、知识和动作如何分布和协作以增强整个系 统的性能.DAI 的研究可分为分布式问题求解和多 Agent 系统( 一种松散型的协作工作系统) . DCC 是研究分布式大系统的“ 可协调性” 、“ 协 调控制策略” 等理论与方法 .可协调性是基于大系 统结构的“能通性” 、“可控性” 、“ 可观性”, 研究分布 大系统的资源协调 、任务协调的可协调性判据和条 件.DCC 的分布协调控制策略主要有导引协调 、分 组协调、循环协调、全息协调等 . CIG 是以现有的网格理论为基础, 是网格与分 布式人工智能和分布协调控制相结合的产物, 是一 个开放 、动态的人机社会( society of people and com￾puters) .社会由多人和多机组成, 是一个开放的、动 态的 、和谐的人机社会 ;社会既有共同目标, 又有分 工;既有规范, 又有自主性;任何人在任何地点都能 使用任何资源( 3A :any place, any time, and any source) . 2 CIG的体系结构 目前的网格系统主要提供如注册 、发布 、发现 、 认证等基本服务.在这一层面上, 为了使网格服务 的发布 、发现和使用能够在一个跨组织的层面上得 以实施, 主要的工作是制定一套平台/语言中立的 、 支持松耦合交互的软件服务标准.自然地, XM L 成 为这套标准的基础.随着定义服务交互的 SOAP 、描 述服务接口的 WSDL/GWSDL 和支持服务注册、发 布和发现的 UDDI 标准的制定和推广, 一个基于 WEB 服务的网格基础架构逐渐形成.在这样的一 个基础架构的基础上, 人们可以利用 XM L 、SOAP 、 WSDL/GWSDL 、UDDI 来开发、部署、发现和使用 网格服务 . 随着网格技术的发展, 面向服务的计算( ser￾vice-oriented computing, SOC) 近年来已成为软件产 业界和学术界关注的一个热点话题[ 8-9] , 而 SOC 的 核心是如何协同已有的服务来完成面临的任务 .目 前的 OGSA 架构还不能满足 SOC 的要求 .CIG 正 是针对这一问题, 继承了 OGSA 的基本架构( 图 1 中的非阴影部分) , 增加了一个新的“协同服务” 层 ( 图 1 中的阴影部分) .现有的OGSA 的基本架构虽 已考虑到网格系统的某些特征, 如松耦合、平台中立 等, 但由于其最终仍依赖传统的实现技术( 如基于工 作流的集成技术 、协同逻辑与计算逻辑紧密耦合等) 来实现, 故很难全面实现 SOC 的理念.为此, CIG 应该具有区别OGSA 的特点: 图1 协同智能网格体系结构 Fig.1 Architecture of cooperative intelligent grid ( 1) 协同逻辑显式表达, 并与计算逻辑分离. SOC 中需要丰富的协同逻辑, 应该提供专门的机制 来显式表达协同逻辑, 而不能将其固化于语言或平 台之中.同时基于关注分离( separation of concerns) 这一软件工程的基本原则, 应该使协同逻辑和计算 逻辑解耦. ( 2) 协同逻辑可编程.上述协同逻辑的表达机 制不但要表达各种特点于应用的协同方式, 而且要 支持对系统进行动态调整以适应环境和需求的变 化, 这就要求协同逻辑可以动态修改 . ( 3) 协同逻辑可以动态灵活部署 .由于服务实 体已经部署到网格系统中, 协同逻辑在网格上的恰 当分布就至关重要 .最好能使协同逻辑可在网格系 统上动态部署、自由迁移, 最佳适应网格服务的物理 分布. ( 4) 以协同为中心.在 CIG 中强调的不是具体 功能的实现, 因为网格服务已提供了各种具体的功 能, 而应该重点研究如何协同这些服务资源来完成 用户的目标 . 3 协同智能网格的实现架构 在 CIG 系统中, 系统的全局连贯性而无显式全 局控制、各实体间的行为协调程度以及各实体是否 具有自适应性, 是关系到整个系统性能和开放性的 核心内容, 同时也是衡量系统智能水平和自动协作 程度的重要指标 .从社区/联邦式政策导向型的系 统结构、领域自适应的中介服务协作机制和理性化 协商机制等三个方面建设开放的 、动态的 、无显式全 局控制的C IG( 如图 2 所示) . 3.1 社区/联邦式政策导向型的系统结构 大系统控制论和分布协调控制论的研究表明: 要想实现一个大系统的“ 协调化”, 首先其结构是能 通的、可控的 、可观的.因此可以把CIG 设计成一个 基于 Web Services 框架的社区/联邦式政策导向型 · 1060 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 29 卷

第10期 沈记全等：协同智能网格及其实现架构 。1061。 用户1 用户2 用户3 用户1 社会中介 人机社会 服务 发布/发现 服务 服务 发布/发现 发布/发现 社区中介虚拟社区1 社区中介 虚拟社区2 社区中介虚拟社区n 服务 服务 服务 服务 发布/发现 服务 发布/发现 服务 发布/发现 发布/发现 发布/发现 发布/发现 服务 服务 服务 发布/发现 发布/发现 发布/发现 Agent Agent· Agent Agent] AREn)) Agent (Agent(Agent) 服务绑定 服务绑定 服务绑定 图2协同智能网格的实现架构 Fig.2 System frame of cooperative intelligent grid 的系统结构.人机社会(society of people and com- 作，不再是传统意义上的中心服务器.“社会中介” puters SPC)建设为虚拟社区(virtual community,. 与“社区中介”之间、“社区中介”与gent之间是一 VC)的集合： 种松散型管理与被管理的关系.服务中介除了处理 SPC=(VCi), 来自agent的“注册、发布、发现”等基本的服务请求 VCi={a:Agents∈u:Users and(a,w)∈Bindingi} 外，还进行形象思维和确定或不确定、精确或非精确 (2) 的知识推理，判断agent的运行状态，准确匹配服务 或自动组合服务，对服务请求给出快速的、正确的、 式中，VCi指第i个虚拟社区，Agents指agent集合， 恰当的响应 User指用户集合，Bindingi指注册于第i个虚拟社 服务中介的中介服务(M$)可以用四元组表示： 区中的agent与相应的用户的绑定关系. MS=(RGS,VC,MSRC,CM)(3) 为使agent接受网格用户的监控和调节，每个 式中，GS为请求的网格服务，VC为虚拟社区， agent都将其身份认证与主人的身份认证绑定在一 MSRC为中介服务的注册中心，CM为协作机制. 起，以便通过人机社会的担保去促进agent的行为 规范.任意两个或几个agent通过Internet/Intranet 其中VC可以用四元组表示：VC={GSLD,DKD SMM/SCM,MSM}.GSLD为网格服务的本地数 自由组合成一个社区/联邦，这样既可以保证系统能 据库，储存服务提供者发布的本类型服务：DKD为 够进行分工合作、分区管理，又确保它的灵活性、可 领域知识库，储存领域的基本知识、领域专家的先验 扩充性、可裁减性.agent可以提供特定的服务，具 知识等：SMM/SCM为服务匹配算法/服务组合算 有明确的“分工”；按照gent提供的服务内容和属 法：MSM为中介服务协作机制.这里，服务中介通 性把它划分到对应的社区/虚拟组织(virtual organi- 过MSC收集信息，并将服务提供者发布的服务分 zation)中，进行“分区”管理.虚拟社区是能够完成 类存入GSLD中；当服务请求者向MSRC发出RGS 特定任务和功能的虚拟组织，如旅游服务社区、天气 时，MSRC根据RGS的类型发送给适当的VC;VC 预报社区、金融社区、教育社区等.通过虚拟社区的 再启动SMM/SCM,从GSLD和DKD中匹配或组 分级分区管理不仅强化整个系统的多级协调管理能 合RGS描述的服务.MSM是事件驱动型的，通过 力，还可以建立和维护层次结构化协作机制，促进 网格服务的注册、发布，发现等事件触发相应的中介 agent在协作支持层次上的协作. 服务. 3.2领域自适应的中介服务协作机制 网格实体一般是应用于某个领域，这样它提供/ 随着网格计算的快速增长和普及应用，松散型 请求的服务或多或少带有较明显的行业特征和业务 协同工作己慢慢成为实用需求的主流，是社团组织 特色，而同一领域的服务能够反映出一定的共性，因 和个人的迫切需要.在CIG系统中，“社会中介”和 此领域专家可通过领域需求的分析，结合其行业特 “社区中介”扮演系统的服务中介角色，主要负责 征、业务背景，对领域的共性需求进行抽象，归纳总 CIG服务的注册、定位、服务绑定等隐式协调管理工 结出一些规则性服务组合，形成领域模板（存入

图 2 协同智能网格的实现架构 Fig.2 System frame of cooperative intelligent grid 的系统结构.人机社会( society of people and com￾puters, SPC) 建设为虚拟社区( virtual community, VC) 的集合 : SPC ={VC i}, VCi ={a :Agents ∈ u :Users and ( a, u) ∈Binding i} ( 2) 式中, VC i 指第i 个虚拟社区, Agents 指agent 集合, User 指用户集合, Binding i 指注册于第 i 个虚拟社 区中的 agent 与相应的用户的绑定关系 . 为使 agent 接受网格用户的监控和调节, 每个 agent 都将其身份认证与主人的身份认证绑定在一 起, 以便通过人机社会的担保去促进 agent 的行为 规范.任意两个或几个 agent 通过 Internet/ Intranet 自由组合成一个社区/联邦, 这样既可以保证系统能 够进行分工合作 、分区管理, 又确保它的灵活性 、可 扩充性、可裁减性.agent 可以提供特定的服务, 具 有明确的“分工” ;按照 agent 提供的服务内容和属 性把它划分到对应的社区/虚拟组织( virtual o rgani￾zation) 中, 进行“ 分区”管理 .虚拟社区是能够完成 特定任务和功能的虚拟组织, 如旅游服务社区 、天气 预报社区、金融社区 、教育社区等 .通过虚拟社区的 分级分区管理不仅强化整个系统的多级协调管理能 力, 还可以建立和维护层次结构化协作机制, 促进 agent 在协作支持层次上的协作. 3.2 领域自适应的中介服务协作机制 随着网格计算的快速增长和普及应用, 松散型 协同工作已慢慢成为实用需求的主流, 是社团组织 和个人的迫切需要.在 CIG 系统中, “ 社会中介” 和 “社区中介” 扮演系统的服务中介角色, 主要负责 CIG 服务的注册 、定位 、服务绑定等隐式协调管理工 作, 不再是传统意义上的中心服务器 .“ 社会中介” 与“社区中介”之间 、“社区中介” 与 agent 之间是一 种松散型管理与被管理的关系.服务中介除了处理 来自 agent 的“注册 、发布、发现”等基本的服务请求 外, 还进行形象思维和确定或不确定 、精确或非精确 的知识推理, 判断 agent 的运行状态, 准确匹配服务 或自动组合服务, 对服务请求给出快速的、正确的、 恰当的响应 . 服务中介的中介服务( MS) 可以用四元组表示 : M S ={RGS, VC, M SRC, CM} ( 3) 式中, RGS 为请求的网格服务, VC 为虚拟社区, MS RC 为中介服务的注册中心, CM 为协作机制. 其中 VC 可以用四元组表示:VC ={GS LD, DKD, SMM/SCM , M SM }.GSLD 为网格服务的本地数 据库, 储存服务提供者发布的本类型服务;DKD 为 领域知识库, 储存领域的基本知识、领域专家的先验 知识等;SMM/SCM 为服务匹配算法/服务组合算 法 ;M SM 为中介服务协作机制 .这里, 服务中介通 过 MS RC 收集信息, 并将服务提供者发布的服务分 类存入 GSLD 中 ;当服务请求者向 MS RC 发出 RGS 时, MSRC 根据 RGS 的类型发送给适当的 VC;VC 再启动 SM M/SCM, 从 GS LD 和 DKD 中匹配或组 合 RGS 描述的服务.MSM 是事件驱动型的, 通过 网格服务的注册、发布 、发现等事件触发相应的中介 服务. 网格实体一般是应用于某个领域, 这样它提供/ 请求的服务或多或少带有较明显的行业特征和业务 特色, 而同一领域的服务能够反映出一定的共性, 因 此领域专家可通过领域需求的分析, 结合其行业特 征 、业务背景, 对领域的共性需求进行抽象, 归纳总 结出一些规则性服务组合, 形成领域模板( 存入 第 10 期 沈记全等:协同智能网格及其实现架构 · 1061 ·

。1062 北京科技大学学报 第29卷 DKD中.领域模板封装了基本的组合逻辑，对领 end for 域的共性需求进行了抽象，这样当一个请求的服务 if tem<>Ohen任意选定一个tem. 是一个组合服务时，就不必用户自己重新组合这些 Temld:∥也可以按a十B的和来选取最大值，依照 服务，只要在DKD中查找所需的模板即可. tem.TemStru提供服务； SMM/SCM是决定中介服务性能高低的关键. end 下面给出领域自适应的服务匹配/组合算法.为了 3.3理性化协商机制 更好地理解该算法，首先介绍几个概念. 在CIG中，agent既可以是服务的提供者，又可 定义1领域模板是指一种指定了顺序、结构 以是服务的请求者.agent隐去本地资源的异质特 及内部属性，通过裁剪、配置而直接套用的业务过程 征，提供透明的服务.agent独立负责各自的资源调 框架，可以形式化描述如下： 度，并按照“因需(as-needed)”模式提供服务，对CIG Template=(Temld,TemNam,TemInfo,TemStru) 中的共享资源具有对等权限，即在满足各种协议和 (4) 操作规程的前提下同等地使用CIG中的共享资源. 式中，Temld为模板唯一标识，用以区分不同的模 agent能够利用知识修改自己的心智状态，以适应环 板；TemNam为模板名称；TemInfo为模板的描述信 境的变化和协作求解.一旦建立连接，不再需要服 息，包括模板的功能、输入，输出等；TemStru为模板 务中介的干预，所有事务就由双方相互协作、相互协 的结构，表示模板涉及到的服务及其之间的逻辑关 商来完成.两agent间的协商可以通过建立心理模 系，是最重要的部分 型(MM)来实现.心理模型能够使agent理性决策 定义2模板匹配是指GS与领域模板中 应采取的协商行为和内容山，可表示为四元组： Tem Info匹配断言： MM=SB,BD,NS,CK) (6 match(RGS,TemInfo)=(matchba(RGS,TemInfo), 式中，$B为社交信念，包括行为约束条件和当前社 matchsig(RGS,TemInfo)) (5) 交环境的信息等；BD为基本愿望，描述本agent拟 式中，matchas(RGS,TemInfo)为基本匹配，表示比 开展的活动及需求或动作过程等：NS为协商状况， 较RGS和TemInfo中服务功能的相关性： 记载协商过程的动态信息：CK为关于协商行为和 matcha(RGS,TemInfo)为基调匹配，表示比较RGS 内容的推理知识，旨在应用SB、BD、NS来决策agent 和TemInfo中输入（输出）类型和方向的相关性. 应该采用的协商态势和协作合同条款的内容取值. 定义3相似度(D)是指RGS与领域模板中 推理知识又可分为评价知识，战略知识和战术知识. TemInfo相匹配的程度.可以采用数值计算来度 BDI(信念、愿望、意图)模型是agent领域中最 量，包括基本匹配相似度和基调匹配相似度.基本 著名、最有影响力的心智模型，信念描述agent的领 匹配相似度可以采用关键字匹配方法来计算，取值 域知识模型，愿望表示agent希望达到的某种状态， 0~1之间；基调匹配相似度可以采用集合论和关键 意图是gent决定（或承诺）做的事13.BDI agent 字匹配方法来计算，取值0~1之间（基本匹配相似 是一种实用推理结构，其推理过程和人们日常使用 度和基调匹配相似度的计算方法可参考文献10])· 的方法类似，这里参照其推理方法对理性决策过程 服务匹配/组合算法具体描述如下： 描述如下： procedure SMA-SCA(RGS:WS) procedure MM(si:Message)//si-sensor input, begin 感知输入 teme=:设置候选的模板集为空. begin for each tem in BKD∥对在背景知识库BKD sb=create():∥信念生成函数，建立当前 中每个模板 的社交信念集合sb RDis=matchi(RGS,tem.TemInfo)；∥ bd=generate(sb,s);∥愿望生成函数，根 计算基本匹配相似度 据当前的社交信念和感知输入生成可能的选择bd RDig=matchig RGS,tem.TemInfo):/ nbd=filter(sb,bd,ck,ns);过滤函数，应 计算基调匹配相似度 用CK进行推理、慎思，确定新的nbd If(RDba>a)and RDigB)then tem"ect action=act(nbd);∥决策函数，确定要采 =temseeUtem.Temlds:∥a,B可以根据实际情况 取的动作/意图 选定确定的值，当其值为1时为完全匹配 ns=Register()；协商状况记载函数，记

DKD 中) .领域模板封装了基本的组合逻辑, 对领 域的共性需求进行了抽象, 这样当一个请求的服务 是一个组合服务时, 就不必用户自己重新组合这些 服务, 只要在 DKD 中查找所需的模板即可. SMM/SCM 是决定中介服务性能高低的关键 . 下面给出领域自适应的服务匹配/组合算法.为了 更好地理解该算法, 首先介绍几个概念 . 定义 1 领域模板是指一种指定了顺序 、结构 及内部属性, 通过裁剪、配置而直接套用的业务过程 框架, 可以形式化描述如下: Template ={TemId , TemNam, TemInfo, TemStru} ( 4) 式中, TemId 为模板唯一标识, 用以区分不同的模 板;TemNam 为模板名称;TemInfo 为模板的描述信 息, 包括模板的功能 、输入 、输出等;TemStru 为模板 的结构, 表示模板涉及到的服务及其之间的逻辑关 系, 是最重要的部分 . 定义 2 模板匹配是指 RGS 与领域模板中 TemInfo 匹配断言: match( RGS, TemInfo ) ={matchbas( RGS, TemInfo ) , matchsig( RGS, TemInfo )} ( 5) 式中, matchbas( RGS, TemInfo) 为基本匹配, 表示比 较 RGS 和 TemInfo 中 服 务 功 能 的 相 关 性 ; matchsig ( RGS, TemInfo ) 为基调匹配, 表示比较 RGS 和 TemInfo 中输入( 输出) 类型和方向的相关性 . 定义 3 相似度( RD) 是指 RGS 与领域模板中 TemInfo 相匹配的程度.可以采用数值计算来度 量, 包括基本匹配相似度和基调匹配相似度.基本 匹配相似度可以采用关键字匹配方法来计算, 取值 0 ～ 1 之间;基调匹配相似度可以采用集合论和关键 字匹配方法来计算, 取值 0 ～ 1 之间( 基本匹配相似 度和基调匹配相似度的计算方法可参考文献[ 10] ) . 服务匹配/组合算法具体描述如下 : procedure SMA -SCA( RGS :WS) begin tem select = ;∥设置候选的模板集为空 . for each tem in BKD ∥对在背景知识库 BKD 中每个模板 RDbas =matchbas( RGS, tem .TemInfo) ;∥ 计算基本匹配相似度 RDsig =matchsig ( RGS, tem .TemInfo) ;∥ 计算基调匹配相似度 If( RDbas >α) and ( RDsig >β) then tem select =tem select ∪tem .TemId ;∥α, β 可以根据实际情况 选定确定的值, 当其值为 1 时为完全匹配 end fo r if tem select < > then 任意选定一个 tem . TemId ;∥也可以按 α+β 的和来选取最大值, 依照 tem .TemStru 提供服务; end 3.3 理性化协商机制 在 CIG 中, agent 既可以是服务的提供者, 又可 以是服务的请求者.agent 隐去本地资源的异质特 征, 提供透明的服务.agent 独立负责各自的资源调 度, 并按照“因需( as-needed)”模式提供服务, 对 C IG 中的共享资源具有对等权限, 即在满足各种协议和 操作规程的前提下同等地使用 CIG 中的共享资源. agent 能够利用知识修改自己的心智状态, 以适应环 境的变化和协作求解 .一旦建立连接, 不再需要服 务中介的干预, 所有事务就由双方相互协作、相互协 商来完成 .两 agent 间的协商可以通过建立心理模 型( MM ) 来实现.心理模型能够使 agent 理性决策 应采取的协商行为和内容[ 11] , 可表示为四元组: MM ={SB, BD, NS, CK} ( 6) 式中, SB 为社交信念, 包括行为约束条件和当前社 交环境的信息等 ;BD 为基本愿望, 描述本 agent 拟 开展的活动及需求或动作过程等;NS 为协商状况, 记载协商过程的动态信息 ;CK 为关于协商行为和 内容的推理知识, 旨在应用 SB 、BD 、NS 来决策agent 应该采用的协商态势和协作合同条款的内容取值. 推理知识又可分为评价知识 、战略知识和战术知识. BDI( 信念、愿望 、意图) 模型是 agent 领域中最 著名、最有影响力的心智模型, 信念描述 agent 的领 域知识模型, 愿望表示 agent 希望达到的某种状态, 意图是 agent 决定( 或承诺) 做的事 [ 12] .BDI agent 是一种实用推理结构, 其推理过程和人们日常使用 的方法类似, 这里参照其推理方法对理性决策过程 描述如下: procedure MM ( si:Message) ∥si —sensor input, 感知输入 begin sb =create( ) ;∥信念生成函数, 建立当前 的社交信念集合 sb bd =generate( sb, si) ;∥愿望生成函数, 根 据当前的社交信念和感知输入生成可能的选择 bd nbd =filter( sb, bd, ck, ns) ;∥过滤函数, 应 用 CK 进行推理、慎思, 确定新的 nbd action =act( nbd) ;∥决策函数, 确定要采 取的动作/意图 ns =Register( ) ;∥协商状况记载函数, 记 · 1062 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 29 卷

第10期 沈记全等：协同智能网格及其实现架构 。1063。 录协商过程的动态信息 现软件控制结构对用户的透明，提高了服务组合的 end 自动化程度和抽象层次. 4结论 (3)通过协商建立优化的协作关系和妥善处理 协作过程出现的异常情况是CIG中各实体展开和 网格技术的兴起，为“软件作为服务”开拓了契 协调协作活动的有效手段 机，而如何协同分布在网格上的、己有的网格服务， 参考。文献 以完成更为复杂的应用目标或提供更有价值的“组 合服务”是目前网格研究的核心问题之一，本文综 【刂Foster I,Kesselman C.网格计算.2版.金海，袁平鹏，石柯， 译.北京：电子工业出版社，2004 合运用网格、大系统控制论和分布人工智能理论成 【习徐志伟，冯百明，李伟.网格计算技术北京：电子工业出版 果，提出了协同智能网格.并分别从社区/联邦式政 社，2004 策导向型的系统结构、领域自适应的中介服务协作 [3 Cerbera F.Khalf R.Mukhi N.ct al.The next step in web ser vices.Commun ACM,2003,46(10):29 机制和理性化协商机制三个方面构建了CIG. [4 Yang J.Web Service componentizat ion.Commun ACM.2003. (1)建立社区/联邦式政策导向型的系统结构， 46(10):35 能够有效地组织各网格实体的协调、协商和合作，引 【习涂序彦，王纵，郭燕慧。大系统控制论.北京：北京邮电大学出 版社，2005 导和协调各网格实体的智能行为.同时这种面向服 【(沈记全，郑雪峰，涂序彦.基于广义人工生命的网格管理模型 务的系统架构应用XML/SOAP/GWSDL等规范、 的研究.计算机应用.2005.25(12)：2787 协议将CIG中资源、信息、数据等统一抽象为服务， 【刀涂序彦，尹怡欣.人工生命及其应用.北京：北京邮电大学出 版社，2004。 这样隐藏了各种资源的异构性，十分有利于灵活的、 [8 Papazoglou M P,Georgakopoubus D.Service-oriented comput- 一致的、动态的共享机制的实现，使得分布式协调管 ing int mduction.Commun ACM,2003.46(10):24 理有了标准的接口和行为，为网格实体间开展有效 [9 Erl T.Service-Oriented Architecture A FieH Guide to Integrat- 的协作提供了可能. ing XM L and WEB Service.New Jersey:Prentice Hall PTR. 2004 (2)中介服务是CIG中各实体展开和协调社交 L10胡建强，邹鹏.王怀民，等.W山服务描述语言QWSDL和服 活动的催化剂：为使各实体能够及时、准确和便捷地 务匹配模型研究计算机学报.2005,28(4)：505 寻找到协作伙伴和获得所需的服务，建立中介服务 【山高济，袁成祥，王进.支持Agmt社交活动的方法体系 SASA5.计算机学报，2005,28(5)：838 体系是强化CIG中各实体协作成效的重要环节.领 【12王文杰，叶世伟.人工智能原理与应用.北京：人民邮电出版 域自适应的中介服务协作机制则能够根据服务的领 社，2004 域自动选取相应的领域模板自动组合服务，从而实 Cooperative intelligent grid and its implementing frame SHEN Jiquan.JIA Zongpu2,TU Xuyan) 1)Informat ion and Engineering School,University of Science and Techmlogy Beijing.Beijing 100083.China 2)Computer Science and Technology School.Henan Polytechnie University,Jiaozuo 454000.China ABSTRACT To improve intelligent level and coordinative ability,cooperate with distributed grid services,and adapt to dynamic computing environment and variable user demands in the grid,cooperative intelligent grid (CIG)was proposed.CIG was based on OGSA,and the applied theory and methodology of distributed artificial intelligence and distributed coordinating control to improve the existing grid services'cooperativity and provide services to grid users more efficiently and accurately.The concept of CIG was introduced first,and followed by the description of the architecture of CIG,then the principles and methods for constructing an open and dy namic CIG w ith respect to the community/federal policydriven system structure.The domain-adapting medium service collaboration mechanism and rational negotiation mechanism were discussed.CIG can effectively organize coordi- nation,negotiat ion and collabo ration among grid entities and improve the autom ation degree and abstract admin- istrative levels of grid service composition. KEY WORDS grid service;agent;medium service;mind model

录协商过程的动态信息 end 4 结论 网格技术的兴起, 为“软件作为服务”开拓了契 机, 而如何协同分布在网格上的、已有的网格服务, 以完成更为复杂的应用目标或提供更有价值的“组 合服务”是目前网格研究的核心问题之一.本文综 合运用网格 、大系统控制论和分布人工智能理论成 果, 提出了协同智能网格, 并分别从社区/联邦式政 策导向型的系统结构、领域自适应的中介服务协作 机制和理性化协商机制三个方面构建了 CIG . ( 1) 建立社区/联邦式政策导向型的系统结构, 能够有效地组织各网格实体的协调 、协商和合作, 引 导和协调各网格实体的智能行为 .同时这种面向服 务的系统架构应用 XM L/SOAP/GWSDL 等规范 、 协议将 CIG 中资源 、信息 、数据等统一抽象为服务, 这样隐藏了各种资源的异构性, 十分有利于灵活的 、 一致的、动态的共享机制的实现, 使得分布式协调管 理有了标准的接口和行为, 为网格实体间开展有效 的协作提供了可能. ( 2) 中介服务是 CIG 中各实体展开和协调社交 活动的催化剂;为使各实体能够及时、准确和便捷地 寻找到协作伙伴和获得所需的服务, 建立中介服务 体系是强化CIG 中各实体协作成效的重要环节.领 域自适应的中介服务协作机制则能够根据服务的领 域自动选取相应的领域模板自动组合服务, 从而实 现软件控制结构对用户的透明, 提高了服务组合的 自动化程度和抽象层次 . ( 3) 通过协商建立优化的协作关系和妥善处理 协作过程出现的异常情况是 CIG 中各实体展开和 协调协作活动的有效手段. 参 考 文 献 [ 1] Fost er I, Kesselman C .网格计算.2 版.金海, 袁平鹏, 石柯, 译.北京:电子工业出版社, 2004 [ 2] 徐志伟, 冯百明, 李伟.网格计算技术.北京:电子工业出版 社, 2004 [ 3] Cerbera F, Khalaf R, Mukhi N, et al.The next step in w eb ser￾vices.Commun ACM, 2003, 46( 10) :29 [ 4] Yang J.Web Service componentization.Commun ACM, 2003, 46( 10) :35 [ 5] 涂序彦, 王纵, 郭燕慧.大系统控制论.北京:北京邮电大学出 版社, 2005 [ 6] 沈记全, 郑雪峰, 涂序彦.基于广义人工生命的网格管理模型 的研究.计算机应用, 2005, 25( 12) :2787 [ 7] 涂序彦, 尹怡欣.人工生命及其应用.北京:北京邮电大学出 版社, 2004 [ 8] Papazoglou M P, Georgakopoulous D .Service-oriented comput￾ing:introduction.Commun ACM, 2003, 46( 10) :24 [ 9] Erl T .Service-Orient ed Archit ecture:A Field Guide t o Integrat￾ing XM L and WEB Service.New Jersey :Prentice Hall PT R, 2004 [ 10] 胡建强, 邹鹏, 王怀民, 等.Web 服务描述语言 QWSDL 和服 务匹配模型研究.计算机学报, 2005, 28( 4) :505 [ 11] 高济, 袁成祥, 王进.支持 Agent 社交 活动的方法体 系 SASA5.计算机学报, 2005, 28( 5) :838 [ 12] 王文杰, 叶世伟.人工智能原理与应用.北京:人民邮电出版 社, 2004 Cooperative intelligent grid and its implementing frame S HEN J iquan 1, 2) , J IA Zongpu 2) , TU Xuyan 1) 1) Information and Engineering S chool, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, C hina 2) Comput er Science and Technology S chool, Henan Polytechnic Universit y, Jiaozuo 454000, China ABSTRACT To improve intelligent level and coordinative ability , cooperate with distributed g rid services, and adapt to dynamic computing environment and variable user demands in the grid, cooperative intelligent grid ( CIG) was proposed .CIG w as based on OGSA, and the applied theory and methodology of distributed artificial intelligence and distributed coo rdinating control to improve the existing g rid services' cooperativity and provide services to g rid users more efficiently and accurately .The concept of CIG w as introduced first, and followed by the description of the architecture of CIG, then the principles and methods fo r constructing an open and dy namic CIG w ith respect to the community/ federal policy-driven system structure .The domain-adapting medium service collaboration mechanism and rational negotiation mechanism were discussed .CIG can effectively organize coordi￾nation, nego tiation and collabo ration among grid entities and improve the automation deg ree and abstract admin￾istrative levels of g rid service composition . KEY WORDS g rid service;agent ;medium service;mind model 第 10 期 沈记全等:协同智能网格及其实现架构 · 1063 ·