CN101159042A - 基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，(1)给定实际应用问题，构造组织任务图；(2)根据组织任务图，构造基于层次图的虚拟对象群体的组织模型；(3)基于虚拟对象群体的组织模型，构造描述虚拟对象群体行为演化的图变换系统；(4)根据所述的图变换系统构造基于层次图变换的虚拟对象群体的自适应系统结构。本发明中组织的重组过程具有主动性、可控性的优点。

Description

基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法

技术领域

本发明属于计算机虚拟现实和人工智能技术领域，特别是涉及虚拟环境中群体自治对象行为建模中一种刻画群体对象行为演化的方法。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality，VR)产生于上世纪60年代。它利用计算机技术为核心的现代高新技术，生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围内的虚拟环境(VirtualEnvironment，VE)，用户可借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。虚拟现实具有交互(Interaction)、沉浸(Immersion)和构想(Imagination)的3I特性，利用它能够高精度、细粒度地对客观存在或假想中的事物进行模拟与表现，从而在虚拟环境中对物理规律和现象进行分析。虚拟自治对象是虚拟环境的重要组成部分。生成一定数量的虚拟自治对象参与环境交互，丰富了虚拟环境，提高了操作人员体验环境的逼真性。虚拟自治对象构建的行为的真实性，灵活性及可靠性直接影响着虚拟仿真结果的有效和可信。

虚拟对象的构建技术一般涉及几何、物理特性和行为三个方面内容。相比较而言，几何建模和物理建模的方法较为成熟，对于个体和群体的行为建模方法研究较少，为了构造智能型对象和群体对象，将行为建模与人工智能相结合是需要研究解决的问题。Agent理论和技术是上世纪70年代末发展起来的分布式人工智能研究领域之一，近年来发展起来的Agent理论有望成为描述虚拟自治对象认知行为和群体行为的形式化工具。MAS(Multi-agentSystem)是Agent理论领域研究重要方向之一，研究多个Agent群体对问题的求解，包括3个主要问题：模型，组织和交互，组织的形成和演化问题是基于Agent的计算和Agent合作问题求解的关键。

近年来，Agent组织的演化问题成为多Agent系统研究的热点。已有的组织演化研究的典型方法主要是从自组织方法和Agent个体的行为状态的变化等方面，从微观角度进行分析组织演化的机制，因而在宏观上组织的演化行为具有突现的特性，组织的行为是内部Agent个体行为的突现的结果，具有不可控等缺点。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，该方法中组织的重组过程具有主动性、可控性的优点。

本发明的技术解决方案：一种基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特点在于步骤如下：

(1)给定实际应用问题，构造组织任务图；

(2)根据组织任务图，构造基于层次图的虚拟对象群体的组织模型；

(3)基于虚拟对象群体的组织模型，构造描述虚拟对象群体行为演化的图变换系统；

(4)根据所述的图变换系统构造基于层次图变换的虚拟对象群体的自适应系统结构。

所述步骤(1)中构造组织任务图的方法如下：由实际应用领域问题，通过任务的分解与合并，按照任务的父-子组成关系形成关于任务的有向非循环图，从而形成组织任务图。

所述步骤(2)中的虚拟对象群体的组织模型自下而上分为组织的社会结构Rolegraph、角色指定Connection Graph和虚拟对象行为协调Agentgraph三个维度，其中社会结构定义了组织中角色及角色之间的关系，例如角色之间基于任务的依赖关系；角色指定ConnectionGraph定义了组织中虚拟对象与其承担的角色之间的匹配关系；虚拟对象行Agentgraph为协调定义了通过角色指定后，由角色之间的社会结构关系及虚拟对象与角色之间的匹配而形成的虚拟对象之间的行为协调关系，表示了虚拟对象进行行为协调的交互对象；当两个角色之间存在任务的依赖关系时，则分别承担该两个角色的虚拟对象之间建立任务的协调关系。具体的建立方法如下：

(a)按照形成的任务图，构造能够实现组织根节点任务的子任务集合，将一个角色对应一个任务节点，从而形成组织的社会结构，即角色关系结构；

(b)根据虚拟对象个体的任务状态及拥有的资源状态，通过集中角色分配方式将组织任务在虚拟对象个体之间进行角色指定，形成角色指定关系结构和协调关系结构，从而形成组织结构实例。

所述步骤(3)的构造描述虚拟对象群体行为演化的图变换系统的方法中，构造描述虚拟对象群体行为演化的图变换系统，包括三个方面的要素，分别为虚拟对象的组织的图对象的集合、图规则集合和图规则应用条件集合，具体的构造方法如下：

(1)根据虚拟对象的组织的社会结构集合，生成虚拟对象的可能的角色指定情况，从而生成组织状态的图对象集合；

(2)定义图对象的可能的图节点与边的操作的规则，例如节点或边的添加、删除，由虚拟对象的组织的三个维度的图规则组合成组织的图对象操作规则集合；

(3)定义图规则的应用条件集合，构造实现虚拟对象的组织的图状态转移系统的图规则应用路径的搜索算法，可以采用图的宽度或广度搜索方式。

所述步骤(4)的构造基于层次图变换的虚拟对象群体的自适应系统自上而下分为三个层次：观察层：包括监控Monitoring和自适应调节Self-adaptive Mediator两个模块，监控模块实现系统运行时检测虚拟对象的组织的元模型实例状态；自适应调节模块用于管理和实施虚拟对象的组织的行为演化过程，该模型包含了虚拟对象的组织的图变换系统；元模型层：元模型层抽象了系统层的元素，并向观察层提供管理的接口；系统层：提供了实现虚拟对象及系统运行的环境。

本发明的原理如下：本发明虚拟环境群体对象的行为演化具有主动性、可控性等特点。本发明从宏观角度基于Agent组织方法，分析一类具有显式层次结构的多Agent系统的Agent个体行为演化，从而用来描述虚拟环境中自治对象群体行为的演化过程。为完成发明的目的，本发明从组织结构角度提出了一种描述组织结构的社会结构、角色指定和Agent协调三个维度的单根节点层次图模型，用来描述虚拟对象的组织模型；给出了Agent组织重组过程的基于层次图变换的形式定义，包括将层次图模型刻画重组过程的组织结构状态和扩展double-pushout代数图变换规则，形式定义重组过程，用来描述虚拟自治对象群体行为演化的过程；并给出了基于层次图变换描述自治对象群体行为的多Agent系统的自适应系统结构。

为了实现本发明，具体的技术方案包括两个方面：一方面从概念模型上分析并给出了具有显式层次结构的组织结构的三个维度的模型及相应的图变换系统模型；另一方面从软件实现角度，给出了实现组织结构的三个维度的元模型结构及基于图变换系统的虚拟环境群体对象行为演化的自适应体系结构，在技术方案中具体地分成三个步骤实现上述的两个方面。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明辅助虚拟环境中虚拟对象的应用系统开发，为应用系统中虚拟对象的群体行为演化提供了一种实现途径，从宏观角度基于组织方法给出了一类具有显式层次结构的虚拟自治对象的群体组织行为演化机制的形式描述，在基于组织方法中，组织任务规定了自治对象群体需要完成的功能，同时在组织的演化过程中，组织任务可以重新设计，因此从组织角度实现自治对象群体的行为具有可控性和主动性特点，同时实现自治对象个体的行为在组织约束下的自治性，提高了虚拟对象的应用系统对于外部环境的自适应性。

附图说明

图1为本发明的方法实施流程图；

图2为本发明的虚拟自治对象的组织结构示例；

图3为本发明的虚拟自治对象的组织元模型结构；

图4为本发明的虚拟对象的组织的行为演化过程中的虚拟对象承担给定的角色图规则和离开组织放弃承担的角色图规则；

图5为从软件实现角度，本发明的基于图变换的虚拟自治对象群体的自适应系统结构图；

图6为本发明的监控模块实现流程图；

图7为本发明的自适应调节模块的实现流程图；

图8为本发明的元模型层实现流程图；

图9为本发明的系统层的实现流程图。

图6为本发明的监控模块实现流程图；

图7为本发明的自适应调节模块的实现流程图；

图8为本发明的元模型层实现流程图；

图9为本发明的系统层的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：

1.给定实际应用问题，构造组织任务图

针对给定的实际应用问题，构造组织的任务图。例如，在基于二维平面网格环境下的捕食者与猎物之间追逐问题。在二维平面网格环境下，当四个捕食者从猎物的不同的四个方向进行围堵时，猎物才算被截获到。在每次仿真循环中，猎物可以向周边的四个方向移动一个格。图2中的社会结构显示了当存在一个猎物情形下的组织任务图示例。在图2的社会结构中，每个角色对应其中的一个任务，并且角色r1充当该任务图的根节点，因而组织的角色关系结构在这种设计方式下与组织任务图同构，具体构造组织任务图的方法为：由实际应用领域问题，通过任务的分解与合并，按照任务的父-子组成关系形成关于任务的有向非循环图，从而形成组织任务图。

2.构造基于层次图的虚拟对象群体的组织模型

为了对虚拟对象群体进行有效地管理以及根据实际应用的特点，本发明采用具有显式层次结构的组织对虚拟对象群体进行建模，图2显示了步骤1给出的基于二维平面网格环境下的捕食者与猎物之间追逐问题中捕食者虚拟对象的组织结构示例。虚拟对象的组织模型分为组织的社会结构Rolegraph、角色指定Connection Graph和虚拟对象行为协调Agentgraph三个维度。虚拟对象的行为由其承担的角色决定，虚拟对象之间的行为约束由预定的角色之间的关系决定。在组织模型中，社会结构由组织内虚拟对象承担的角色和角色之间的依赖关系组成，定义了参与组织的虚拟对象在组织内部的位置、任务及资源约束，组织的角色关系设计依赖于组织任务的分解与合并。在显式层次结构的组织中，角色之间的依赖关系体现了相应角色之间的任务层次；角色指定定义了给定的虚拟对象与组织角色的指定关系；虚拟对象行为协调定义了对象承担特定角色后基于角色任务的任务委托和合作关系。

图2给出的虚拟对象的组织结构的三个维度分别可以采用图方法进行刻画，也即组织的社会结构可以表达成具有一个根节点的有向非循环图，节点对应角色，节点之间的边对应角色之间的任务父-子依赖关系；角色指定可以表达成由虚拟对象节点和角色节点组成的二分图，其中的边由虚拟对象节点指向角色节点，表示虚拟对象的角色承担关系；虚拟对象行为协调可以表达成一个有向非循环图，通过角色指定，角色之间的任务依赖关系实例化成虚拟对象之间的任务委托与合作关系，构成该有向非循环图的边。在实际应用系统中，从软件实现角度，虚拟对象的这种组织结构模型可以由图3给出的虚拟自治对象的组织元模型结构实现。在图3的组织元模型结构中，结构元素分成三个层次：最底层是角色图层(Rolegraph Level)：定义角色、角色之间的依赖及交互；中间层是连接图层(ConnectionGraph Level)：定义Agent与角色的指定；最上层是Agent图层(Agentgraph Level)：利用Agent实现虚拟对象，定义Agent对象及相互的协调关系。在图3的三个层次的图结构分别实现了虚拟环境对象的组织结构的社会结构、角色指定和Agent协调的三个维度的概念模型。

由虚拟对象的社会结构、角色指定及行为协调三个维度的图结构可以组合构造虚拟对象的组织的层次图，具体地构造组织模型及组织结构实例的流程如下：

(1)由实际应用领域问题要求而得到组织目标的任务图结构，通过任务的分解与合并，按照任务的父-子组成关系形成关于任务的有向非循环图。

(2)按照形成的任务图，构造能够实现组织根节点任务的子任务集合，将一个角色对应一个任务节点，从而形成组织的社会结构，即角色关系结构；

(3)根据虚拟对象个体的任务状态及拥有的资源状态，通过集中角色分配方式在组织任务执行的过程中动态角色指定，形成角色指定关系结构和协调关系结构，从而形成组织结构实例。

上述的流程是虚拟对象的组织结构的三个维度的模型实现流程，从软件角度，组织结构对应的元模型结构构造过程将在自适应系统结构实现部分说明。

3.虚拟对象群体行为演化的图变换系统

图变换方法用于描述虚拟对象的行为演化。图3的组织元模型结构作为该图变换方法中的图对象，也即图变换系统的图的对象需要扩展为包含虚拟对象的组织三个维度的图状态，相应的图变换规则需要扩展为三个维度的图的对象变换规则。图4显示了在基于二维平面网格环境下的捕食者与猎物之间追逐问题中，捕食者虚拟对象承担给定的角色图规则和离开组织放弃承担的角色图规则。给定的图规则示例中每个图规则分别包含Agent图规则(Agentgraph Rule)、连接图规则(Connection graph Rule)和角色图规则(Rolegraph Rule)，分别对图变换系统的图对象，即虚拟对象的组织状态中的虚拟对象行为协调、角色指定结构和社会结构进行图操作，例如虚拟对象节点的添加或删除，角色指定的边、节点的添加或删除。另外，虚拟对象的组织的图规则中三个图规则采用双导出(double-pushout)的代数图变换规则方式，并且其左边图和右边图都是有向非循环图。除此之外，角色图规则的左边图和右边图都具有一个根节点，如图4中角色指定图规则和Agent离开组织的图规则对应的Rolegraph规则所示。

在图变换系统中，虚拟对象的组织的图规则对组织的图对象进行操作，从而实现组织的图对象的变化或组织的对象状态迁移，也即从宏观层次表现虚拟对象的行为演化过程。虚拟对象的组织的图对象及图对象之间的迁移构成虚拟对象的组织的图状态转移系统。图状态转移系统记录了给定虚拟对象初始组织结构状态下组织的图规则应用的历史过程，包括组织结构状态和图规则。虚拟对象的组织的行为演化过程也即是在图状态转移系统中给定初始状态和目标状态之间的可达路径。构造描述虚拟对象群体行为演化的图变换系统，包括三个方面的要素，分别为虚拟对象的组织的图对象的集合、图规则集合和图规则应用条件集合，具体的构造方法如下：

(1)根据虚拟对象的组织的社会结构集合，生成虚拟对象的可能的角色指定情况，从而生成组织状态的图对象集合；

(2)定义图对象的可能的图节点与边的操作的规则，例如节点或边的添加、删除，由虚拟对象的组织的三个维度的图规则组合成组织的图对象操作规则集合；

(3)定义图规则的应用条件集合，构造实现虚拟对象的组织的图状态转移系统的图规则应用路径的搜索算法，可以采用图的宽度或广度搜索方式。

虚拟自治对象的组织的行为演化流程具体如下：

(1)根据虚拟对象群体的目标任务，对任务按照父-子关系进行分解与合并，形成任务的图结构，该图为具有单个根节点的有向非循环图，根节点即为对象群体的总任务，一般具有长期性；

(2)根据形成的任务图，构造虚拟对象组织的社会结构，一般单个角色对应一个任务节点，任务节点之间的边决定了相应角色之间的依赖边；

(3)将虚拟对象进行角色指定，并形成虚拟对象的组织的目标状态；

(4)根据虚拟对象的组织的初始状态和组织的图的状态转移系统，搜索一条从初始状态到目标状态的图规则应用路径；

(5)基于图规则的应用路径，实施虚拟对象的组织的图对象操作，从而实现虚拟对象组织的状态迁移；

(6)监听当前组织的任务执行状态，若任务执行失败，则将虚拟对象承担的角色进行重新指定，如果不能生成比当前组织的状态更优的角色指定，则将虚拟对象的组织进行重新设计，返回到步骤(2)。

4.基于层次图变换的虚拟对象群体的自适应系统结构

为了将描述虚拟对象的群体行为演化的图变换系统集成到虚拟对象的应用系统中，图5给出了本发明的基于图变换的虚拟自治对象群体的自适应系统结构，自上而下分为三个层次：

观察层：包括监控Monitoring和自适应调节Self-adaptive Mediator两个模块，监控模块实现系统运行时刻虚拟对象的组织的元模型实例状态；自适应调节模块管理和实施虚拟对象的组织的行为演化过程，该模型包含了虚拟对象的组织的图变换系统；

元模型层：元模型层抽象了系统层的元素，并向观察层提供管理的接口；

系统层：提供了实现虚拟对象及系统运行的环境。

具体地构造虚拟自治对象群体的多Agent系统的自适应系统结构的流程如下：

(1)构造系统运行的基础设施，例如通信基础环境及系统运行的内部环境、外部环境及界面接口；

(2)构造实现虚拟自治对象的群体组织模型的数据结构，如图3所示的组织结构的元模型，作为自治对象的群体行为演化过程中组织结构实例状态；

(3)构造观察层的监控模块，用于检测自治对象的组织结构实例状态；

(4)构造观察层的自适应调节模块，用于实现虚拟自治对象的组织结构的层次图变换系统，本发明采用集中方式实现自治对象的群体组织演化过程。

如图6所示，监控模块实现的过程如下：

(1)获取当前时间的环境任务状态、组织结构的元模型状态以及Agent个体执行的任务状态；

(2)判断组织任务是否完成，如果完成则终止，否则转入步骤(3)；

(3)判断组织任务是否变化及Agent个体执行的任务能否完成，将判断结果传送给自适应调节模块，并进入继续监控状态。

如图7所示，自适应调节模块的实现过程如下：

(1)从监控模块获取当前时刻组织任务状态；

(2)根据当前组织任务状态和图变换系统中控制条件确定组织结构的社会结构的目标状态；

(3)利用集中方式对Agent角色重新指定，确定组织结构的目标状态；

(4)根据给定的搜索策略，由图变换系统对应的图状态转移系统确定从组织结构的当前状态到目标状态的图变换规则应用路径；

(5)修改组织的元模型状态并反馈给系统运行层的Agent个体。

如图8所示，元模型层的实现过程如下：

(1)通过对组织任务及组织结构的三个维度模型的分析，实现组织结构的三个维度的要素；

(2)由自适应调节模块输出的组织结构的目标状态，更新元模型的图对象状态。

如图9所示，系统层的实现过程如下：

(1)构建系统运行层的Agent个体、通信环境及组织任务生成模块；

(2)接收自适应调节模块输出结果并向Agent个体通知更新结果，Agent个体通过通信环境向监控模块反馈当前任务的执行状态，任务生成模块产生变化的任务并向监控模块反馈任务变化状态。

Claims (9)

1.一种基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特征在于步骤如下：

(1)给定实际应用问题，构造组织任务图；

(2)根据组织任务图，构造基于层次图的虚拟对象群体的组织模型；

(3)基于虚拟对象群体的组织模型，构造描述虚拟对象群体行为演化的图变换系统；

(4)根据所述的图变换系统构造基于层次图变换的虚拟对象群体的自适应系统结构。

2.根据要求1所述的基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特征在于：所述步骤(1)中构造组织任务图的方法如下：由实际应用领域问题，通过任务的分解与合并，按照任务的父-子组成关系形成关于任务的有向非循环图，从而形成组织任务图。

3.根据要求1所述的基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特征在于：所述步骤(2)中的虚拟对象群体的组织模型自下而上分为组织的社会结构Rolegraph、角色指定Connection Graph和虚拟对象行为协调Agentgraph三个维度，其中社会结构定义了组织中角色及角色之间的关系，例如角色之间基于任务的依赖关系；角色指定Connection Graph定义了组织中虚拟对象与其承担的角色之间的匹配关系；虚拟对象行Agentgraph为协调定义了通过角色指定后，由角色之间的社会结构关系及虚拟对象与角色之间的匹配而形成的虚拟对象之间的行为协调关系，表示了虚拟对象进行行为协调的交互对象；当两个角色之间存在任务的依赖关系时，则分别承担该两个角色的虚拟对象之间建立任务的协调关系。

4.根据要求1所述的基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特征在于：在所述步骤(3)的构造描述虚拟对象群体行为演化的图变换系统的方法中，构造描述虚拟对象群体行为演化的图变换系统，包括三个方面的要素，分别为虚拟对象的组织的图对象的集合、图规则集合和图规则应用条件集合，具体的构造方法如下：

(1)根据虚拟对象的组织的社会结构集合，生成虚拟对象的可能的角色指定情况，从而生成组织状态的图对象集合；

(2)定义图对象的可能的图节点与边的操作的规则，例如节点或边的添加、删除，由虚拟对象的组织的三个维度的图规则组合成组织的图对象操作规则集合；

(3)定义图规则的应用条件集合，构造实现虚拟对象的组织的图状态转移系统的图规则应用路径的搜索算法，可以采用图的宽度或广度搜索方式。

5.根据要求1所述的基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特征在于：所述步骤(4)的构造基于层次图变换的虚拟对象群体的自适应系统自上而下分为三个层次：

观察层：包括监控Monitoring和自适应调节Self-adaptive Mediator

两个模块，监控模块实现系统运行时检测虚拟对象的组织的元模型实例状态；自适应调节模块用于管理和实施虚拟对象的组织的行为演化过程，该模型包含了虚拟对象的组织的图变换系统；

元模型层：元模型层抽象了系统层的元素，并向观察层提供管理的接口；

系统层：提供了实现虚拟对象及系统运行的环境。

6.根据要求5述的基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特征在于：所述的监控模块实现方法：

(1)获取当前时间的环境任务状态、组织结构的元模型状态以及虚拟对象个体执行的任务状态；

(2)判断组织任务是否完成，如果完成则终止，否则转入步骤(3)；

(3)判断组织任务是否变化及虚拟对象个体执行的任务能否完成，将判断结果传送给自适应调节模块，并进入继续监控状态。

7.根据要求5述的基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特征在于：所述的自适应调节模块的实现方法：

(1)从监控模块获取当前时刻组织任务状态；

(2)根据当前组织任务状态和图变换系统中控制条件确定组织结构的社会结构的目标状态；

(3)利用集中方式对虚拟对象角色重新指定，确定组织结构的目标状态；

(4)根据给定的搜索策略，由图变换系统对应的图状态转移系统确定从组织结构的当前状态到目标状态的图变换规则应用路径；

(5)修改组织的元模型状态并反馈给系统运行层的虚拟对象个体。

8.根据要求5述的基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特征在于：所述的元模型层的实现方法：

(1)通过对组织任务及组织结构的三个维度模型的分析，实现组织结构的三个维度的要素；

(2)由自适应调节模块输出的组织结构的目标状态，更新元模型的图对象状态。

9.根据要求5述的基于层次图组织与变换的虚拟环境群体对象行为演化方法，其特征在于：所述的系统层的实现方法：

(1)构建系统运行层的虚拟对象个体、通信环境及组织任务生成模块；

(2)接收自适应调节模块输出结果并向虚拟对象个体通知更新结果，虚拟对象个体通过通信环境向监控模块反馈当前任务的执行状态，任务生成模块产生变化的任务并向监控模块反馈任务变化状态。

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