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1、第八章 主体逻辑 面向主体的软件开发 毛新军 1 28 第八章第八章 主体逻辑主体逻辑 前面章节介绍了面向主体软件开发的基本概念 思想 方法和技术 包括 主体和多主 体系统的概念定义 主体的软件体系结构 多个主体之间的交互和协作 面向主体的分析和 设计方法 面向主体的程序设计语言以及软件开发工具和环境等等 这些概念 思想 方法 和技术的提出以及它们对软件工程化开发的支持在很大程度上依赖于相应的基础理论 面向主体软件开发的基础理论研究主体和多主体系统的基础性和一般性问题 为面向主 体的分析 规约 设计 实现和验证等软件工程活动奠定理论基础 其研究成果将有助于澄 清主体自主计算以及多个主体之间社会
2、性交互的机理 加强对主体和多主体系统概念的理解 和认识 促进主体软件体系结构的设计和实现 指导相关方法 技术和工具的研究 并为面 向主体的软件开发提供规约 程序设计和验证的形式化手段 一般地 面向主体软件开发基 础理论主要涉及以下二方面的研究内容 微观方面的研究和宏观方面的研究 微观方面的研究主要解决单个主体自主计算的基础性和一般性问题 包括 主体自主计 算的机理是什么 具有自主计算能力的主体应由哪些部件组成 每个部件具有什么样的性 质 它们在主体自主计算中扮演什么样的角色 起到什么样的作用 这些部件之间有何关系 以及如何相互作用 主体如何根据其内在部件 状态以及设计目标进行自主计算 什么是主
3、 体的状态 如何描述和分析主体的状态 什么是主体的自主计算模型 如何严格地规约 描 述和验证主体及其性质 比如主体计算的安全性和活性 如何提供主体可以理解和执行的 形式化语言等等 微观方面的研究将为单个主体的分析 设计和实现提供理论指导 宏观方面的研究主要解决多个主体之间交互和协作的基础性和一般性问题 包括 主体 之间为什么需要进行交互和协作 主体之间是如何进行协作的 主体之间进行协作需要什 么样的模型 主体通信语言和交互协议的语义和语用问题 多个主体如何进行联合问题求 解 等等 宏观方面的研究将为多主体系统的分析 设计和实现提供理论指导 微观方面的理论研究和宏观方面的理论研究这二者之间并不是
4、完全独立的 而是相互关 联 密不可分的 一般地 宏观方面的研究需要依赖于微观方面的具体研究成果 比如 主 体的认知模型和计算理论 来解释和定义主体之间交互行为的语义和语用 分析和描述主体 间的交互协议 构造协作模型 同时 宏观方面的研究将有助于进一步加强对主体自主计算 机理和模型等的理解和分析 面向主体软件开发的理论研究需要一组抽象工具以独立于主体的具体实现细节 在一个 较高的层次来理解和认识主体 同时需要一组数学工具以严格 形式化地定义和描述构成主 体的各个成分 分析主体的行为 性质和特征 在开展面向主体软件开发基础理论的研究过 程中 意向观点的思想是一个重要的抽象工具 而逻辑则是一项重要的
5、数学工具 本章介绍主体逻辑 分析逻辑在面向主体软件开发理论的研究中所起的作用和所扮演的 角色 首先 介绍开展面向主体软件开发理论研究所需的二项重要工具 基于意向观点的抽 象工具和基于逻辑的数学工具 包括命题和一阶逻辑 模态逻辑 时序逻辑和动态逻辑 在此基础上介绍一组经典的主体逻辑系统 包括 Cohen 和 Levesque 用于描述和分析主体意 图的逻辑系统 Rao 和 Georgeff 的 BDI 逻辑以及 Linder 的 KARO 框架 分析这些主体逻 辑系统提出的背景 详细介绍每一个逻辑系统的语法 模型和语义 本章假定读者已经有一 定的逻辑基础 如果读者缺乏对逻辑系统的了解 请先阅读本
6、章 8 4 节所推荐的文献和资料 第八章 主体逻辑 面向主体的软件开发 毛新军 2 28 8 1 意向观点作为抽象工具意向观点作为抽象工具 在软件工程领域 人们通常寻求和借助于抽象的概念 思想和工具来促进复杂问题的解 决以及开展相应的基础理论研究 抽象是软件工程的一项重要的原则 例如 从早期的过程 抽象和函数抽象 到近期的抽象数据类型 进程 产生了诸如抽象数据类型理论和进程理论 抽象的思想有助于抛开问题域中不相关的部分 聚焦于与欲解决的问题相关的内容 把握问 题的本质 加强对问题的理解和分析 从而促进问题的解决 为了在一个较高的抽象层次开 展面向主体软件开发的基础理论研究 使得理论研究的成果独
7、立于具体的应用领域 不同的 主体形式和实现手段以及异构的软件开发平台 促进主体和多主体系统中一般性和基础性问 题的解决 面向主体软件开发基础理论的研究需要高层抽象工具的支持 在主体和多主体系统的研究领域 人们通常将多主体系统视为是对复杂应用问题的自然 和高层抽象 并借助于其它学科 比如社会学 经济学 组织学等等 的知识和经验来促进 对复杂多主体系统的理解 认识和开发 近年来 主体和多主体系统领域的研究人员借助于 大众心理学 Folk Psychology 和认知科学 Cognitive Science 中的意向观点 Intentional Stance 思想来理解和认识主体 研究主体自主计算的
8、机理 分析主体的内部状态和外在行 为以及它们之间的相互联系 描述主体间的交互和协作 意向观点抽象思想的本质是将主体 视为是由各种认知成分 比如信念 意图 期望等等 所构成的意向系统 Intentional System 构成主体的各个认知成分定义了主体的认知状态 它们将引导主体实施自主的行为 在人们的日常生活中 意向观点思想是极为普遍和常见的 也是十分自然的 人们通常 基于该思想将各种认知成份赋予人类 从而更好地去理解 分析 解释和预测人类的行为 例如 张三努力学习是因为他想 体现了一种意图 参加今年的研究生入学考试 李四穿上 棉袄是因为他认为 体现了一种信念 天气即将转冷 张三想知道今天的天
9、气情况而且他知 道李四拥有该信息 于是他给李四打电话询问有关天气信息 体现了合作的起因和意图 等 等 对于开展面向主体软件开发的基础理论研究而言 意向观点的抽象思想同样也是极为重 要的 具体表现在 在抽象层次方面 意向观点的抽象思想提供了许多非常直观 自然的抽象概念来理解和认识主体和多主体 系统 如信念 意图 期望等等 这些抽象的认知概念是高层的 它们不仅对于软件开 发人员以及系统用户而言是极为自然且易于理解的 而且有助于对复杂应用问题进行自 然和高层建模 在微观的理论研究方面 意向观点的抽象思想有助于独立于主体的具体内部结构和实现细节来理解和解释主体 的状态和行为 研究和分析主体的自主计算机
10、理 规约和验证主体的性质和特征 在宏观的理论研究方面 意向观点的抽象思想有助于独立于不同的主体形式 实现结构和底层的通信协议 比如 TCP IP HTTP 等 来理解不同主体之间的交互和协作 分析主体交互的意图 定义主 体间交互和通信行为的语义和语用 研究多主体系统的合作协议和模型 因此 意向观点的抽象思想为开展面向主体软件开发的基础理论研究提供了一组高层的 抽象认知概念 这些认知概念之所以是高层和抽象的 是因为我们可以利用它们来描述主体 的状态 分析主体状态与主体行为之间的相互关系 研究主体自主行为决策的机理 分析主 体之间的交互和合作 而不必了解主体的具体内部结构和实现细节 人们可以将这些
11、高层认 第八章 主体逻辑 面向主体的软件开发 毛新军 3 28 知概念作为一种自然的科学抽象来规约主体 描述主体的行为 并可以进一步作为主体和多 主体规约语言的基础 因此 作为一种抽象工具 意向观点的思想有助于理解主体概念及其 体系结构 分析主体行为的规律性特征 开发主体的抽象计算模型并指导系统的实现 描述 主体间的交互和通信行为 研究主体之间的交互协议以及抽象合作模型等等 根据认知概念的内涵 功能和特点 人们将意向观点所涉及的各种认知概念大致分为三 种不同的类别 见表 8 1 1 信息类别信息类别 信息类别的认知概念刻画了主体所具有的信息和知识 描述了主体对环境及其自身的基 本认识 包括信念
12、 知识 意识等等 至今 人们已经对信息类别的认知概念作了大量的研 究 并对这些认知概念的含义及其性质大致达成了共识 动机类别动机类别 动机类别的认知概念在一定程度上与主体的动作选择和行为实施密切相关 反应了主体 对其行为和动作的决策 包括意图 选择 目标 期望等等 与信息类别的认知概念相比较 人们认识到意图 选择 目标 期望等认知成分对于理解主体的自主计算机理 分析其行为 是极为重要和关键的 因而近年来有关动机类别认知概念的理论研究引起了人们的高度关注 和重视 并取得了不少研究成果 社会类别社会类别 社会类别的认知概念与主体的社会行为相关 包括责任 Obligation 允许 Permissi
13、on 等等 它描述了主体参与社会性活动所需的有关状态和信息 类别类别 认知概念认知概念 信息类别信息类别 知识 信念 意识等 动机类别动机类别 意图 承诺 规划 选择 目标 期望等 社会类别社会类别 责任 允许等 表 8 1 1 认知概念的分类 目前人们仍不清楚上述认知概念是否足以认识和刻画主体 哪些认知概念对于描述主体 而言是重要和必须的 哪些认知概念的组合对于主体而言是比较恰当和合适的 Shoham 指 出 主体应包含哪些认知概念没有一个 唯一 的正确答案 也没有完全正确的理论与之相 关 因为不同的研究目的可能需要不同的认知概念 在研究和设计面向主体程序设计语言 AGENT 0 的过程中
14、Shoham 将信念和承诺作为构成主体体系结构的二个基本认知部件 Rao 和 Georgeff 则提出了主体的 BDI 表示信念 期望和意图 三元体系结构 Singh 则认 为信念和意图是研究主体 分析主体行为的二个重要的抽象认知概念 8 2 逻辑作为数学工具逻辑作为数学工具 面向主体软件开发基础理论的研究需要严格 形式化的数学工具以准确地定义概念 描 述 规约和验证主体和多主体系统的性质 在计算机科学与技术领域 逻辑是一项重要的数学工具 逻辑在软件工程领域中的地位 和作用已日益为广大计算机工作者所认可和接受 并被广泛应用于软件描述 规约执行 程 序正确性验证等领域 逻辑一直是计算机科学与技术
15、领域一个非常活跃的研究课题 针对各 种应用和问题需求 人们提出了各种各样的逻辑系统 如命题逻辑 一阶谓词逻辑 模态逻 辑 时序逻辑 动态逻辑 认知逻辑等 这些逻辑系统在面向主体软件开发基础理论的研究 中均扮演着重要的角色 发挥着重要的作用 第八章 主体逻辑 面向主体的软件开发 毛新军 4 28 面向主体软件开发基础理论的研究涉及对以下多个方面内容的描述和分析 因而需要综 合多个逻辑系统 对环境信息的描述和分析 因而需要命题或者谓词逻辑 对主体认知部件的描述和分析 因而需要模态逻辑 描述主体的动作及其对系统演化以及环境变化所产生的影响 因而需要动态逻辑 描述主体和多主体系统的动态演化 因而需要时
16、序逻辑 8 2 1 命题和一阶谓词逻辑命题和一阶谓词逻辑 命题逻辑是最为简单和常用的逻辑系统 可用于描述主体和多主体系统的事实性信息 语法上 一个命题逻辑系统由一个原子命题集合和一组命题联结词组成 原子命题用于表示 一些原子的事实信息 命题联结词则可将一个或者多个命题公式 可以是原子命题 进行组 合 形成更为复杂的复合命题公式 用于描述一些复杂的事实信息 一般地 命题逻辑系统 中的命题联结词主要有 等 分别表示 非 与 或 蕴含 等价 例如 针对第二章所介绍的房间恒温调控系统 为了描述房间中的温度维持在用户设定 的值 我们可以引入一个特定的原子命题 TemperatureOK 因此 公式 TemperatureOK 表 示 房 间 的 温 度 脱 离 了 用 户 设 定 的 值 我 们 还 可 以 引 入 一 个 特 定 的 原 子 命 题 AirConditionRunning 来表示空调设施主体正在运行 假如房间恒温调控系统有一个性 质 如果空调设施主体没有运行 那么房间的温度将不能维持在用户设定的值 显然 该性 质可以用以下复合公式来表示 AirConditionRunning
