基于Agent的GridGIS关键技术探讨

马冰冰

摘要：粮食安全是事关民生的首要问题，我国政府历来十分重视对粮食储备的管理。由于粮库信息的实时更新不易实现、对储粮信息的获取和应用有其特殊要求，传统的粮库管理方式已经不能适应现代粮食安全的需要。本论文旨在将Agent技术集成到Grid GIS结构框架中，研究地理信息服务的管理以及基于Agent的服务查找与组合策略等关键技术，使用基于Agent的Grid GIS门户来实现粮库信息网格服务的管理，使储粮系统更加专业化和自动化。

Abstract： Food security is the most important issue related to people's livelihood， and the China's government has always attached great importance to the management of grain reserves. As the real-time updating of grain depot information is difficult to realize， and it has special requirements for the acquisition and application of grain storage information， the traditional grain storage management mode can no longer meet the needs of modern food security. This paper is to integrate Agent technology into the Grid GIS framework， study geographical information service management and the key technology of service discovery and combination strategy based on Agent， use Grid GIS gateway based on Agent to realize grain depot information grid service management， so as to make the storage system more professional and automation.

關键词：Agent技术；Grid GIS；粮库管理

Key words： Agent technology；Grid GIS；grain storage management

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）24-0007-03

1 研究意义

随着Agent技术和Grid技术的发展，GIS Agent和SIG已经成为GIS新的发展方向。粮食是季节性产品，而且其储藏在地理上是分布的，因此对于粮食储藏管理，储粮信息的实时性和粮库管理系统的灵活高效非常重要。Grid技术为实现粮库GIS资源共享和协同工作提供了新的机遇和技术手段，而Agent为实现粮库Grid GIS提供了一种灵活、开放的结构，使其成为高效智能的分布式系统。Gird GIS与Agent技术的结合对粮库管理具有非常重要的现实意义，它使粮库管理系统向智慧粮库又迈出了坚实的一步，对我国的粮食安全也具有重要的意义。

2 国内外目前研究现状

2.1 基于Agent技术的GIS研究现状

20世纪80年代，人工智能学科创始人之一的Marvin Minsky在IT界提出了“Agent”的概念。公认的Agent定义是Wooldrige和Jennings提出来的：Agent是处在某个环境中的计算机系统，该系统有能力在这个环境中自主行动以实现其设计目标。

Agent接受从环境中感知的输入并产生输出动作作用于环境，这种交互常常是一个循环的过程（如图1所示）。根据是否包含用符号表示的世界模型，Agent分为慎思Agent、反应Agent以及综合了二者特征的混合Agent。

在Agent的结构研究方面：Y.shoham把Agent描述为4个智能构件的组合，分别为beliefs、capabilities、choices和commitments，该方法适合于拟人化系统的刻画，对未来的GIS智能化发展具有指导意义。巩志国等给出了一种基于“事件（Events）—条件（Conditions）—动作（Actions）”的Agent结构模型，该模型是一种动态集成模型，而且能与传统的数据库技术较好的融合，具有较高的实用价值。

使用Agent技术构建GIS可以放松对集中式、非开放性、顺序控制的限制，并提供对空间信息的分布控制、动态应急处理和并行处理。作为一种软件中间件，GIS Agent为解决异构网络环境下分布式GIS的互连与互操作提供了一种有效的解决方案。

在实际应用中通常把多个GIS Agent组织起来形成Multi-Agent GIS。Multi-Agent GIS按照一定的组织结构把复杂的任务划分成许多原子任务，并按一定逻辑次序把这些任务交给各个Agent去执行。

对于Multi-Agent系统学者目前已经提出了多种组织建模方法：J.Ferber的AGR模型是一个基于Agent、小组、角色等概念的模型。Paolo Bresciani的Tropos模型采取基于人类组织的一般结构，但没有考虑社会原则。D.M.Okouya的OperA模型对角色、交互和社会规范也作了描述。Jomi Fred Hubner的MOISE+模型通过结构、功能和义务三方面建模Agent组织。

移动Agent（Mobile Agent，MA）是一种能够在复杂网络（比如异构网络）中漫游并与其他主机交互，收集信息，按主人要求执行任务并最终返回主人所在机器的Agent。使用移动Agent技术构造Multi-Agent GIS可以减少网络负载、实现定制化的服务、更好地达到动态负载平衡、自然地實现异构性并且具有强大的容错性。

90年代初，IT界兴起了对Agent的实现平台和应用系统的研究。例如：General Magic公司在20世纪90年代初推出了第一个移动代理系统Telescript；IBM公司采用Agent+Applet的模型构建了基于Java的代理系统Aglets。发展至今Agent的实现技术主要包括：分布式对象技术、Java语言、面向Agent的程序设计语言（Agent-Oriented Programming，AOP）、Script语言等。

21世纪初，国内外针对基于Agent的WebGIS理论和系统构建开展了一系列研究。现阶段Agent技术在GIS领域内的研究主要集中在以下几个方面：

①GIS Agent系统的结构框架。

②基于Agent的服务查找与组合策略。

北京大学人工智能实验的Geo-Agents系统是一个基于Agent的分布式GIS。该系统主要由Application、Facilitator、GIS功能Agent、接口Agent、GuServer以及空间数据库和空间元数据库6部分组成。Geo-Agents系统运用多线程技术和DCOM技术，采用了点对点和组广播两种消息通信方式，并基于Agent设计了一个面向用户任务的人格化二次开发语言GeoScript。

李键提出了一种基于Agent的GIS应用框架Agent-Based GIS（ABG）。该框架由Agent管理器、应用接口层、业务处理层和数据服务层4部分组成，并实现了一个航班优化地理信息系统（FOMGIS）。该系统采用了MapInfo的MapX空间数据模型，业务处理层使用DCOM/COM+组件，空间数据库采用了SQL Server2000和Spatial Ware for SQL Server。

徐妍提出了一种基于Agent的自适应Web服务框架。该框架分为3层：组织模型、协同模型和服务模型。其中服务模型由基于Petri网的服务组合方法建立；协同模型包含MAS，并具有包括“分裂”、“复制”、“合并”等自适应调整算法。该框架采用WS-BPEL描述业务流程，可通过Java和.NET平台调用。Agent系统的实现采用基于Java的JADE平台。

马宏锋等给出了一种基于智能决策的Agent迁移策略及其算法描述，并通过仿真实验验证了该迁移策略和算法的有效性。

李胜等提出了基于Web和Agent的GIS动态服务模型；阐述了GIS Agent的迁移策略以及GIS Agent和Web服务的交互操作和集成技术。该研究实现了用功能构件的移动代替海量空间数据的的移动，提高了分布式网络的计算速度。

然而我们可以看到，目前对于GIS Agent技术尚无标准的体系，在GIS Agent系统的建设上仍然存在一些问题：

①现有的Web Service技术标准已无法满足GIS Agent系统的要求。

②已经提出的GIS Agent技术体系之间的兼容性并不理想。

③基于Agent的服务查找与组合策略效率不高，仍有待改善。

因此，我们需要用更为开放的思路来设计GIS Agent，而“网格”的出现恰好为我们提供了这样一种思路。

2.2 SIG研究现状

20世纪90年代中期，网格技术的出现为我们提供了解决信息共享与协同工作的新视角、新理念和新技术。“网格”（Grid）一次来源于“电力网格”（PowerGrid），它为人们像使用电力资源一样方便使用计算机资源、网络资源和信息资源描绘了美好蓝图。美国Globus项目的领导人Ian Foster提出了网格必须同时满足的三个条件：在非集中控制的环境中协同使用资源；使用标准的、开放的协议和接口；提供非平凡的服务。

2000年至今网格技术飞速发展，典型代表是Web服务技术和开放网格服务结构（Open Grid Service Architecture，OGSA）。为了将这两种标准整合，2004年5月，Web服务资源框架规范（Web Service Resource Framework，WSRF）应运而生。目前，发展网格被认为是下一代Internet的核心任务之一。

自互联网诞生以来，网络环境下分布异构GIS之间的地理信息共享和空间数据互操作一直是GIS行业研究的核心课题之一。乔治梅森大学的Liping Di教授从地理空间数据的数据量和计算量两个角度阐述了在地理空间信息科学领域应用网格技术的必要性。在这种背景下，地理空间信息科学或测绘科学领域提出将网格技术与空间信息技术融合集成，构建空间信息网格（Spatial Information Grid，SIG）。

依据李德仁院士的定义，可以从广义和狭义两个方面来理解SIG。广义的SIG是指在网格技术支持下的天、空、地一体化的各种服务高度集成的实时/准实时空间信息系统。狭义的SIG是指用网格技术构建的GIS，即Grid GIS。

综合国内外的研究现况，目前对于SIG的研究主要集中在：

①SIG的结构框架。

②SIG服务的管理。

③基于Agent的SIG服务查找与组合策略。

④SIG的安全性。

Globus项目由美国Argonne国家实验室和南加州大学信息科学学院（ISI）合作发起。Globus工具包（Golbus Toolkit）是Golbus最重要的实践成果。作为一种开放架构和开放标准基础设施，Golbus Toolkit把所有用于共享的实体定义为资源，并提供了构建网格应用所需的基本协议和服务。目前大部分重大的网格项目都采用Golbus Toolkit，可以说Golbus是网格体系及应用的事实标准。

OGF-OGC合作计划是开放网格论坛（Open Grid Forum，OGF）和开放地理信息联盟（Open Geospatial Consortium，OGC）联合发起的，自2008年10月啟动，目的是促进分布式地理处理和网格标准融合的实践。该计划最终要完成的目标是构建透明、交互、可伸缩的SIG应用。

国内也有较多的学术论文成果面世。张建兵探讨了基于网格的空间信息服务体系结构，以及在地图服务、空间信息搜索、空间信息服务协同以及空间信息服务迁移中的应用；刘峰针对网格环境下的地理信息服务组合、空间数据存储等关键技术进行了探讨；倪金生提出了基于SIG的空间信息共享与智能服务模型，探索并实现了基于SIG环境下移动位置服务系统的若干关键技术；李孝玲结合网格的体系结构和Grid GIS的安全需求，针对用户、通信网络、应用程序和网格资源这四个环节提出了一个安全体系。

然而作为一种前沿技术，空间信息网格的发展仍存在着一些问题：

①目前的Grid GIS服务大都是遵循OGC Web服务规范开发的，与标准Web Service技术体系之间的兼容性不理想，导致一系列后续应用的问题。

②不同网格系统采用异构的服务注册和发现机制且互不兼容。

③国内的空间信息网格服务研究集中于理论层面，缺乏实践。

综上所述，构建Grid GIS的目标是按需提供动态的GIS服务，而Agent技术提供了在动态的环境中智能的解决问题的能力。因此，实现Agent与Grid的集成，是实现基于网格的地理空间信息管理与服务的基础。

2.3 基于Agent的Grid GIS在粮库管理中的应用现状

我国现有粮库6万余个，在建粮库近300个，粮库数量多、地域分布广。粮库管理部门迫切希望利用最新的GIS技术来改进粮库管理系统。

目前GIS在国内粮库管理中已得到比较广泛的应用，大多数为基于WebGIS的粮库管理系统，采用的技术主要有J2EE、DCOM/COM+和CORBA等。

李鲁群等根据粮库管理内容、特点，基于统一建模语言（UML）开发了一套中央直属储备粮食GIS系统。该系统利用VB，Java和Map Info构建，极大地提高了粮库信息管理的效率。

麻日坪运用ASP.NET开发WEB应用程序的关键技术构建基于B/S结构的粮库管理系统，并实现了数据添加、更新、删除等粮库管理功能。

祝玉华给出了一种MAGIS系统的体系结构，即基于SVG/XML Java+Multi Agents的体系结构。该体系以Multi-Agents作为构建WebGIS的基石，基于Bayesian构造了HCI Agent、JavaBayes Agent、JESS专家系统Agent三类智能Agent；构造了MAGIS系统中的移动Agent并提出船坞构想来解决迁移失败问题；建立了基于SVG/XML技术的MAGIS模型并为不同用户设计了实施策略；针对MAGIS系统的安全问题设计了对主机和GIS Agent进行保护的安全策略并给出了MAGIS的安全模型；实现了一个基于多Agents的WebGIS原型系统，该系统被成功用于国家粮库信息及智能决策系统。

由于国内对网格技术的研究集中在科学理论，成果投入使用并产生效能的比率较低。我国目前尚没有建立用于粮食储藏管理的网格体系，基于Agent的Grid GIS在粮库管理中的应用比较滞后。

参考文献：

[1]钱秋霞.我国粮食储备主体价格反应行为分析[J].中国农业信息，2014（6）：21-24.

[2]倪鹏.浅析网格与校园网格体系结构[J].吉林广播电视大学学报，2009（6）：114-115.

[3]张建兵.基于网格的空间信息服务关键技术研究[D].北京：中国科学院遥感应用研究所，2006.