[论文解读] Internalising Interaction Protocols as First-Class Programming Elements in Multi Agent Systems

David Lillis|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2017

Multi-Agent Systems and Negotiation参考文献 148被引用 7

一句话总结

本文提出了ACRE（Agent Conversation Reasoning Engine），一种将交互协议作为多智能体系统（MAS）中的一等元素进行形式化处理的框架，实现了结构化、可重用且可调试的智能体通信。通过将协议建模为具有正式操作语义的有限状态机，ACRE支持平台无关的集成，提升了通信可靠性，并降低了通信密集型MAS应用的开发复杂度。

ABSTRACT

Since their inception, Multi Agent Systems (MASs) have been championed as a solution for the increasing problem of software complexity. Communities of distributed autonomous computing entities that are capable of collaborating, negotiating and acting to solve complex organisational and system management problems are an attractive proposition. Central to this is the requirement for agents to possess the capability of interacting with one another in a structured, consistent and organised manner. This thesis presents the Agent Conversation Reasoning Engine (ACRE), which constitutes a holistic view of communication management for MASs. ACRE is intended to facilitate the practical development, debugging and deployment of communication-heavy MASs. ACRE has been formally defined in terms of its operational semantics, and a generic architecture has been proposed to facilitate its integration with a wide variety of diverse agent development frameworks and Agent Oriented Programming (AOP) languages. A concrete implementation has also been developed that uses the Agent Factory AOP framework as its base. This allows ACRE to be used with a number of different AOP languages, while providing a reference implementation that other integrations can be modelled upon. A standard is also proposed for the modelling and sharing of agent-focused interaction protocols that is independent of the platform within which a concrete ACRE implementation is run. Finally, a user evaluation illustrates the benefits of incorporating conversation management into agent programming.

研究动机与目标

• 通过提供统一、形式化的手段来管理智能体交互，解决多智能体系统（MAS）中日益复杂的通信问题。
• 通过将交互协议抽象为可重用的一等编程元素，减少通信密集型MAS的开发与调试开销。
• 通过一种通用且形式化指定的架构，实现对话管理的平台无关集成。
• 通过集中定义协议并强制执行一致的对话流程，支持安全、可预测且可靠的智能体通信。
• 通过一种标准化的、基于XML的协议描述格式，促进开发者之间的互操作性与共同理解，该格式独立于特定的AOP语言或框架。

提出的方法

• 将交互协议形式化为具有显式状态、转换和变量绑定的有限状态机，以建模对话流程。
• 使用谓词（例如，Match、Triggers、Advances）和函数（例如，Append、Combine、New Conversation）定义形式化操作语义，以指定协议的执行过程。
• 设计一种通用的、与框架无关的架构，包含消息传输服务、协议管理器和对话管理器等组件，以支持与多种AOP框架的集成。
• 使用Java中的Agent Factory框架实现ACRE的参考系统，证明其与多种AOP语言的兼容性。
• 提供图形化工具和调试器插件，以支持协议创建、管理以及对智能体对话的运行时检查。
• 定义一种标准化的XML模式用于协议仓库，以实现交互协议在平台间独立的共享与重用。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将MAS中的交互协议建模并管理为一等编程构造，以提升通信结构和可维护性？
• RQ2 需要何种形式化语义，才能确保在不同实现和平台之间，智能体对话的一致且可预测的执行？
• RQ3 通过ACRE集成对话管理，在多大程度上能够降低通信密集型MAS应用的开发复杂度并提高其可靠性？
• RQ4 如何设计一种通用的、与框架无关的架构，以支持与多种智能体开发框架和AOP语言的集成？
• RQ5 标准化的、平台无关的协议描述格式在多大程度上能够增强MAS系统中开发者之间的互操作性与共同理解？

主要发现

• ACRE的形式化操作语义确保了在任何编程语言中对话管理的一致实现，从而保障了正确性与可移植性。
• 通用架构支持与多种AOP框架（包括Agent Factory、JADE和Jason）的集成，且对底层平台能力的假设极少。
• 基于Java和Agent Factory的参考实现表明，ACRE可无缝集成到现有的智能体开发流程中。
• 对本科生和研究生的评估表明，ACRE并未增加开发者的认知或实现负担，同时显著提升了代码的可预测性与可靠性。
• 主观分析显示，使用ACRE的开发者避免了诸如消息顺序错误、状态处理不一致和不安全协议流程等常见陷阱。
• 基于XML的标准化协议格式实现了与实现语言无关的协议定义，支持跨团队和平台的重用与协作。