Software & Systems

На сегодняшний день актуальной является задача создания полностью децентрализованных одноранговых информационных систем, позволяющих гибко интегрировать в логически единое целое существующие и вновь появляющиеся проблемно-ориентированные информационные ресурсы. Примером подобных систем являются системы информационной поддержки инноваций, обеспечивающие единое информационное пространство для эффективного взаимодействия субъектов инновационной деятельности. Эффективной технологией реализации распределенных информационных систем данного класса является технология мобильных программных агентов. Такие системы должны обеспечивать не только распределенный доступ к информации, но и децентрализованные хранение и обработку данных, решать проблемы технологической и семантической разнородности информационных ресурсов.

В качестве одного из подобных решений можно рассматривать разработанный научным коллективом Института информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского НЦ РАН прототип системы информационной поддержки инновационной деятельности в регионе – мультиагентную систему интеграции распределенных информационных ресурсов инноваций [1] и соответствующую информационную технологию [2].

Разработанная мультиагентная система реализует виртуальную бизнес-среду (ВБС) развития инноваций, в рамках которой реальные бизнес-процессы, связанные с зарождением, развитием и реализацией инновационных идей, отображаются на соответствующие информационные процессы поиска и обработки информации. Субъекты инновационной деятельности представляются в виде программных агентов, взаимодействующих друг с другом в едином информационном пространстве в интересах своих владельцев, образуя открытую мультиагентную систему с децентрализованной архитектурой.

Ключевой проблемой, в общем случае ограничивающей рост децентрализованных информационных систем, является полиномиальный рост объемов межузловых коммуникаций с возрастанием количества узлов системы. В условиях проблемно-ориентированных информационных систем, когда передаваемые между прикладными агентами порции данных имеют существенный объем, это приводит к недопустимому росту нагрузки на компоненты распределенной сетевой инфраструктуры (узлы и коммуникации).

Для решения подобных проблем в работе предлагается метод минимизации межузловых взаимодействий между агентами, основанный на разбиении единого информационного пространства, в котором функционируют агенты, на виртуальные площадки (площадка представляет собой некоторый отдельный узел сети) и на перемещении интенсивно взаимодействующих агентов на эти площадки с целью объединения субъектов проблемно-ориентированной деятельности и их агентов в группы по интересам. Предлагаемое решение реализовано в виде двух дополняющих друг друга механизмов (алгоритмов) взаимодействия программных агентов – механизма локализации межагентных взаимодействий (преобразование межузлового взаимодействия агентов во взаимодействие на одном общем узле) и механизма динамического распределения агентов (распределение нагрузки между узлами системы).

Мультиагентная технология формирования виртуальных бизнес-площадок

Реализация метода рассмотрена на примере децентрализованной мультиагентной системы информационной поддержки инноваций. В отличие от существующих систем информационной поддержки инноваций разработанная мультиагентная система имеет открытую децентрализованную архитектуру и является множеством взаимосвязанных программных компонентов, реализующих функции разнотипных агентов, представляющих интересы субъектов инновационных процессов, общесистемных сервисов, таких как сервис онтологий, сертификатов, а также специализированных системных служб, обеспечивающих интеграцию в систему разнородных информационных ресурсов инноваций. Содержащаяся в системе информация, являющаяся объектом оперирования со стороны программных агентов, представлена прежде всего формализованными описаниями инновационных предложений, а также дополнительной справочной информацией, используемой в ходе проработки и реализации инновационных проектов. С помощью этой информации агент по заказу своего хозяина осуществляет поиск бизнес-парт­неров по реализации инновационных проектов, формирование и предварительную оценку потенциально эффективных инновационных структур, объединяющих исследователей, разработчиков, менеджеров, инвесторов и других субъектов инноваций, задействованных в реализации проекта.

Особенностями рассматриваемой информационной системы являются ее открытость для свободного подключения и отключения новых агентов, а также способность функционировать в условиях большого количества входящих в систему узлов. Такая свобода и масштабируемость обеспечиваются заложенными в систему механизмами равноправного (пирингового) взаимодействия узлов и функциональных компонентов. С точки зрения существующих разновидностей пиринговых архитектур рассматриваемую систему можно отнести к гибридным одноранговым системам.

По общей логике работы данная система имеет мультиагентную реализацию. Каждый субъект инновационной деятельности представлен в системе одним или несколькими программными агентами, представляющими бизнес-предложения своих владельцев в ВБС, тип которых соответствует бизнес-роли субъекта (исследователь, инвестор, инноватор и т.д.). В функционировании системы можно выделить три основные фазы: создание и предварительное группирование агентов, представляющих бизнес-предложения, автоматическое формирование виртуальных бизнес-площа­док (ВБП) (самоорганизация агентов), создание и оценка потенциально эффективных бизнес-струк­тур, ориентированных на реализацию инновационной идеи.

Мультиагентная технология формирования ВБП реализуется шестью этапами.

Этап 1. Генерация агентов для зарегистрированных бизнес-предложений субъектов инноваций в адресных пространствах инновационных порталов (узлов) ВБС. На этом этапе осуществляется регистрация бизнес-предложений субъектов инноваций в информационных базах инновационных порталов. Пользователям в зависимости от их бизнес-ролей предоставляется возможность настройки функциональных опций и свойств агентов, представляющих бизнес-предложения. На основе установленных конфигураций происходят генерация и запуск агентов в локальном агентном представительстве портала.

Этап 2. Предварительное объединение сгенерированных агентов в группы по областям интересов. На данном этапе выполняется семантический анализ описаний бизнес-предложений субъектов инноваций, а на его основе – разбиение всей совокупности агентов, функционирующих в пределах портала, на группы по областям интересов. Предварительно сформированные группы агентов регистрируются на доске объявлений.

Этап 3. Локальное формирование бизнес-пло­щадок на основе генерализации бизнес-предло­жений внутри портала. Внутри сформированных на предыдущем этапе групп агентов анализируются детализированные описания бизнес-предложе­ний субъектов инноваций (членов группы) и выявляются агенты совместной деятельности. Выполняются процедуры конкретизации целей агентов и их отображения на древовидные концептуальные модели предметной области, а также преобразования детализированных бизнес-предло­жений в генерализованные и объединение агентов в проблемно-ориентированные группы, образующие бизнес-площадку. Далее осуществляется генерация агента-координатора для каждой локально сформированной бизнес-площадки.

Этап 4. Оценка нагрузки на узлы системы и определение интенсивностей межагентных коммуникаций. Определяются загруженные и незагруженные узлы в системе. Рассчитываются интенсивности межагентных и межгрупповых коммуникаций на межузловом и внутриузловом уровнях.

Этап 5. Миграция групп агентов на узлы системы, содержащие близкие по интересам бизнес-площадки. На основе полученных на четвертом этапе оценок нагрузки на коммуникационную инфраструктуру реализуются механизмы динамического перераспределения агентов и групп агентов между узлами системы и процедуры перемещения групп агентов с сильно загруженных узлов системы на менее загруженные (на узлы, содержащие бизнес-площадки с требуемыми характеристиками и агентов совместной деятельности).

Этап 6. Перегруппирование агентов на принимающих узлах на основе генерализации бизнес-предложений. В рамках данного этапа осуществляется перегруппирование действующих и мигрировавших агентов с целью формирования новых и/или расширения существующих ВБП. Новая информация о сформированных группах агентов и соответствующих бизнес-площадках регистрируется на доске объявлений. Далее осуществляется переход к третьему этапу. Процесс самоорганизации агентов системы продолжается до тех пор, пока все агенты не будут распределены по проблемно-ориентированным ВБП.

В пределах сформированных ВБП осуществляются подбор подходящих бизнес-партнеров для реализации генерализованных бизнес-предложе­ний и формирование всех альтернативных вариантов инновационных структур с заданными ограничениями из выделенного множества подходящих компонентов. Вместе с тем производится оценка деловой репутации (компетенции) подбираемых бизнес-партнеров и экономической эффективности бизнес-проектов, реализуемых сформированными инновационными структурами, в результате чего выделяется множество наиболее предпочтительных вариантов реализации бизнес-проектов.

Агенты субъектов проблемно-ориентирован­ной деятельности должны быть способными имитировать сценарии развития отдельно взятых инновационных проектов, поведение компаньонов и конкурентов на рынке инновационных услуг и на основе результатов моделирования прогнозировать риски и экономический эффект от капиталовложений в инновации. Для этого в разработанной системе реализованы агенты, снабженные имитационным аппаратом, представляющим собой полную или упрощенную модель среды, в которой функционирует агент, рекуррентно вызываемую в процессе моделирования. В качестве средства реализации этого аппарата предлагается использовать системно-динамические модели.

На основе имитационного моделирования выделенного множества эффективных инновационных структур строятся и исследуются модели сценариев развития соответствующих бизнес-проек­тов. По результатам моделирования выделяется множество наиболее подходящих вариантов инновационных структур для реализации конкретного бизнес-проекта. Результаты предоставляются пользователю в качестве рекомендаций. Окончательный выбор инновационной структуры остается за ним.  

Эффект от использования ВБС тем выше, чем больше ее внутренний объем – количество зарегистрированных инновационных предложений, агентов, представляющих интересы субъектов инноваций, узлов размещения информационных баз. Однако рост объема системы естественным образом приводит к возрастанию сложности задач поиска информационных элементов, подбора вариантов инновационных структур из-за полиномиального роста количества альтернатив. Чтобы система не теряла работоспособности в условиях собственного неограниченного роста, необходимы некоторые механизмы самоорганизации, позволяющие динамично перестраивать ее внутреннюю структуру с целью сокращения объемов обрабатываемых и передаваемых по коммуникационным линиям данных при размещении и поиске инновационных предложений на информационных узлах, формировании потенциально эффективных инновационных структур.

Самоорганизация заключается в автоматическом формировании в рамках ВБС объединяющих сходные по интересам группы агентов ВБП. Формирование ВБП основано на методе поддержки распределенного реестра одноранговых узлов с неявной древовидной организацией, в котором в качестве организующей древовидной структуры используется иерархическая модель предметной области инноваций. Формирование бизнес-площа­док осуществляется посредством отображения целей агентов на древовидные концептуальные модели предметной области, последующей локализации основной части поисковых и иных запросов агентов внутри группы и дальнейшего анализа активности их коммуникаций друг с другом. Сходство интересов приводит к тому, что наиболее активные и информационно-насыщенные коммуникации агентов сосредоточены внутри бизнес-площадки, тогда как за ее пределами информационный обмен менее активен, при этом объектом обмена являются генерализованные (меньшие по объему) бизнес-предложения агентов.

Такой подход позволяет не только сокращать суммарный объем межагентных коммуникаций, но и за счет использования мобильных агентов преобразовывать межузловые коммуникации во внутриузловые. Это, в свою очередь, снижает нагрузку на сеть в случае распределенной реализации системы. Основными агентными механизмами, обеспечивающими повышение эффективности работы системы, являются локализация агентных взаимодействий в пределах узлов путем формирования групп активно коммуницирующих агентов (ВБП) и динамического перераспределения нагрузки за счет реализации механизмов групповой миграции агентов. Данные механизмы обеспечивают преобразование межузловых агентных взаимодействий во внутриузловые.

В разработанной мультиагентной системе каждый узел снабжен агентной платформой (агентным представительством), представляющей собой среду локального исполнения агентов, в которой программные агенты функционируют и взаимодействуют друг с другом. Реализованные механизмы коммуникации агентов состоят из последовательности похожих рабочих фаз: мониторинга, группирования агентов, распределения групп агентов, взаимодействия (переговоров) между агентами и фазы перемещения (миграции) агентов и групп агентов.

Для организации взаимодействия агентов в системе используются общие компоненты, ко- торые присутствуют на каждой агентной платформе:

·    менеджер сообщений (message manager), координирующий процесс обмена сообщениями между агентами системы;

·    системный монитор (system monitor), периодически проверяющий нагрузку на текущем узле компьютерной сети;

·    менеджер распределения агентов (agent allocation manager), ответственный за динамическое распределение агентов и анализ моделей поведения и характера взаимодействия агентов;

·    менеджер миграции агентов (agent migra­tion manager), перемещающий агенты на другие платформы (узлы) и управляющий миграцией агентов между узлами сети.

Для решения проблем, связанных с определением местоположения динамически распределенных мобильных агентов, перемещающихся между узлами сети с течением времени, а также с потерей информации и временными задержками при передаче сообщений, в разработанной системе используются модификации общеизвестных механизмов информационного обмена между мобильными агентами: FMP (forwarding-based message passing), FLAMP (forwarding and location address-based message passing), FLCMP (forwarding and location cache-based message passing), ALMP (agent locating-based message passing), ALLCMP (agent locating and location cache-based message passing). Модифицированные механизмы основаны на расширении адресной структуры агента информацией о его текущем месторасположении в сети и локальном кэшировании этой информации на узлах системы, что позволит передавать сообщения напрямую от агента-отправителя к агенту-получателю, а также обеспечит возможность поиска агентов совместной деятельности через агентов-посредников, используя их брокерские (bro­kering services) и антрепренерские (matchmaking services) функции. Алгоритмы поиска агентов-инициаторов выполняются в адресном пространстве агентов-посредников.

В качестве технологии реализации мультиагентной системы использована технология Java Remote Method Invocation (Java RMI), которая является гибким и мощным средством создания распределенных приложений на платформе Java, включая возможность реализации мобильных приложений. Базовые шаблоны программных компонентов системы (агентов) разработаны с помощью языка сценариев Java Script, ориентированного на реализацию асинхронного процесса взаимодействия и на удаленное исполнение приложений, в программной инструментальной среде разработки многоагентных систем AgentBuilder в соответствии со стандартом FIPA (Foundation for Interaction of Physical Agents).

В ходе проведенных исследований разработана мультиагентная технология формирования ВБП в едином информационно-коммуникационном пространстве развития инноваций, основанная на методах самоорганизации агентов в ВБС. Предложен метод минимизации межузловых взаимодействий в одноранговых проблемно-ориентиро­ванных распределенных системах. Метод основан

на кластеризации программных агентов в семантическом пространстве, представленном в виде концептуальной модели предметной области, и на преобразовании межузловых взаимодействий агентов во внутриузловые. Реализация метода обеспечивает сокращение нагрузки на коммуникационную инфраструктуру и повышение коэффициента доступности прикладных служб программных агентов.

Полученные научные результаты развивают и детализируют современные концепции создания единого информационно-коммуникационного пространства для субъектов проблемно-ориенти­рованной деятельности.

Литература

1.  Маслобоев А.В., Шишаев М.Г. Мультиагентная система интеграции распределенных информационных ресурсов инноваций // Программные продукты и системы. 2007. № 4. С. 30–32.

2.  Маслобоев А.В. Мультиагентная технология информационной поддержки инновационной деятельности в регионе // Прикладные проблемы управления макросистемами: тр. Ин-та систем. анализа РАН. Т. 39. М.: КомКнига УРСС, 2009. С. 242–265.