Организационное проектирование: восходящий подход

В русле организационного моделирования и проектирования выделяются следующие базовые процессы:

1) функциональный анализ и моделирование, направленные на спецификацию функций организации во всех ее измерениях;

структурный анализ и моделирование — определение возможных форм организаций и ряда основных параметров структуры.

эволюционное проектирование, включающее функционально-структурный синтез и структурно-функциональный анализ.

4) задание параметров конкретизации, определяющих переход от некоторой исходной организационной структуры к конкретной организации, т. е. эффективную реализацию МАС.

Функциональный анализ МАС предполагает определение главных функций, возложенных на агентов. При этом организация может рассматриваться как система ролей, где каждая роль определяет множество характеристик агента в организации. Функции организации могут рассматриваться в различных измерениях, соответствующих точкам зрения наблюдателей.

Структурный анализ МАС направлен на упорядочение множества возможных взаимодействий между агентами путем выделения связывающих их абстрактных отношений и анализа их изменений во времени.

Эволюционное моделирование МАС означает порождение и трансформацию ее функционально-структурной организации. Элементарный шаг процесса эволюционного проектирования включает две неразрывно связанные фазы: а) функционально-структурный синтез (ФСС); б) структурно-функциональный анализ (СФА). При рассмотрении их как «черных ящиков» в случае ФСС на входе имеем набор функций, а на выходе — совокупность структур. Иными словами, функционально-структурный синтез МАС представляет собой построение структур, компонентами которых являются функции агентов, а также установление соответствия между видами функций и структур. Наоборот, фаза СФА начинается с рассмотрения ранее полученных структур, а завершается определением последующих функций.

При изменении условий существования МАС, росте сложности и неопределенности внешней среды, ее жизнеспособность может быть обеспечена лишь путем модификации (чаще всего, расширения) совокупности реализуемых ею функций, что обычно влечет за собой изменение структуры МАС. Здесь важную роль играет стратегия адаптации к внешней среде, которая связана с обеспеченим оптимального соотношения устойчивости и изменчивости как выходных характеристик МАС, так и самой ее функциональной структуры.

Тогда общая методология восходящего эволюционного проектирования МАС может быть представлена рекурсивной цепочкой: «среда — функции МАС — роли агентов — агенты отношения между агентами — базовые структуры МАС — модификации (.)…», где (.) означает возможность изменения любого из звеньев указанной цепочки. Так модификации среды (внешних условий) приводят к изменениям функций МАС, которые влекут за собой порождение новых и замену ненужных агентов. Все это сопровождается сменой отношений между агентами и эволюцией исходных структур в интересах самосохранения системы путем ее приспособления к изменениям среды. Иными словами, коэволюция МАС со средой (или с другими МАС) предполагает и сохранение индивидуальности, и взаимную адаптацию.

Общая методика восходящего проектирования МАС включает следующие этапы.

Формулирование назначения (цели разработки) МАС Определение типа и основных свойств среды МАС.

Определение основных и вспомогательных функций агентов в МАС Уточнение состава агентов и распределение функций между агентами. Выбор архитектур агентов Выделение базовых взаимосвязей (отношений) между агентами в МАС Определение возможных действий (операций) агентов Построение базовой архитектуры (функционально-структурной единицы) МАС, анализ ее возможных состояний (нормальное, вырожденное, критическое и пр.).

Анализ реальных текущих или предполагаемых изменений внешней среды (условий функционирования) или внутренних противоречий МАС Определение соответствующих изменений функций агентов и формулирование стратегии эволюции МАС.

Построение общей архитектуры МАС, инвариантной к рассмотренной области изменений среды (или самовоспроизведение функционально-структурной единицы МАС) Техническое задание (спецификация) на проектирование МАС должно наряду с ее назначением содержать описание типа среды, в которой будет функционировать МАС. Следуя Д. А. Поспелову [16], можно выделить замкнутые и открытые, детерминированные и стохастические, нетрансформируемые и трансформируемые среды. Затем необходимо определить главные функции, возложенные на агентов. При этом организация может рассматриваться как система ролей, где каждая роль определяет множество функций агента в МАС. Роли могут быть сосредоточены или, наоборот, широко распределены между агентами.

Функции МАС могут рассматриваться в различных измерениях, соответствующих точкам зрения наблюдателей.

Для любой открытой системы легко выделить следующие важнейшие функции.

• 1. Функция отражения или представления внешнего мира (связь от среды к системе) охватывает совокупность функций моделирования среды и других систем, а также представление событий, которые могут повлиять на жизнедеятельность системы.
• 2. Функция регуляции деятельности системы (связь от системы к среде) обычно характеризует результаты работы системы, производимые ею продукты или услуги. Иными словами, она часто сводится к продуктивной, операционной или исполнительной функции, которая включает множество действий и операций, необходимых для решения задачи или выполнения заказа.
• 3. Для установления и поддержания указанных связей между системой и средой служит специальная коммуникативная функция. Она обеспечивает функционирование всех входов и выходов, а также интерфейсы системы. Этой функции соответствует интерфейсный агент.
• 4. Функция самоуправления в системе определяет источники, границы и выбор видов ее деятельности. Соответственно, в МАС вычленяются три подфункции: а) интенциональная функция (функция мотивации), характеризующая формирование целей, исходя из потребностей и интересов системы; б) законодательная функция, т. е. функция выработки ограничений (норм, принципов, запретов) на поведение агентов в МАС; в) решающая функция, связанная с оценкой степени достижения цели и выбором задач.
• 5. Ресурсная или консервативная функция отвечает за сохранение структуры системы и агентов, приобретение и обслуживание ресурсов, — словом, за все, что нужно для поддержания и воспроизведения системы.

Роли характеризуют функции агентов независимо от их внутренней структуры. По ролевому признаку можно вычленить следующие основные виды агентов в МАС [30].

• 1. Агент-заказчик, рассылающий заявки на выполнение некоторого задания другим агентам
• 2. Агент-координатор (посредник), который принимает заказы и распределяет их между другими (компетентными) агентами.
• 3. Агент-исполнитель
• 4. Агент-субординатор (супервизор), который организует и контролирует работу вышеуказанных трех агентов и наделен правом экстренного вмешательства и перераспределения ресурсов в критических (нештатных) ситуациях.

Эти роли соответствуют минимальному набору функций, необходимых для функционирования организации как целенаправленной системы, т. е. достижения целей в условиях адаптации к изменениям среды. Роли не обязательно являются жестко фиксированными и могут изменяться с развитием организации. Например, исполнитель в результате эволюции организации может стать посредником или клиентом. Точно так же, агент-заказчик в одних случаях может рассматриваться как поставщик в других. Таким образом, каждый агент играет ряд ролей, характеризующих различные услуги, которые он может оказать в данной организации.

Конечно, можно указать и другие варианты специализации агентов. Так применительно к задачам децентрализованного управления производственными системами в [10] выделяются Агент-пользователь, Канальный агент, обеспечивающий обмен информацией в системе, Сервисный агент, принимающий заявки на транспортировку, выдачу или хранение ресурсов, Интерфейсный агент, служащий для связи с внешней средой, Координатор, ответственный за организацию взаимодействия вышеуказанных агентов и разрешение конфликтов.

В случае мигрирующих сетевых агентов и динамических организаций на базе Интернет могут также выделяться другие роли сервисных агентов, например, агент-регистратор, агент-архиватор, агент-хранитель узла и т. п.

Понятие роли нередко определяется с помощью трёх атрибутов: ответственности, разрешения, и протоколов. Здесь ключевым атрибутом является ответственность, которая тесно связана с функциональными характеристиками. Реализация ответственности неотделима от множества разрешений, которые определяют «права», связанные с ролью, а, следовательно, и набор располагаемых ресурсов для реализации ответственности. Наконец, роль описывается с помощью набора протоколов, которые определяют способ взаимодействия с другими ролями в системе.

При проектировании организацию можно рассматривать как набор ролей, находящихся между собой в определенном отношении, и взаимодействующих друг с другом. Исходя из этого, организационная модель дальше распадается на две части: модель ролей и модель взаимодействий (рис.5) [137]. На стадии анализа происходит предварительная идентификация ролей, затем определяются и документируются соответствующие протоколы и, наконец, строится окончательная модель ролей. Собственно в процессе проектирования создается модель агента, т. е. роли агрегируются в типы агентов, формируется иерархия типов и документируются примеры каждого типа. Далее разрабатываются модель услуг и модель наиболее тесных контактов.

Итак, методология восходящего проектирования МАС требует предварительного задания исходных функций (ролей агентов), определения круга их обязательств по отношению друг к другу, формирования исходных и развивающихся структур на основе выделенных функций и исследования адекватности этих структур характеру решаемых задач в данных проблемных областях. В отличие от этого, главная идея нисходящего проектирования состоит в определении общих социальных характеристик МАС по некоторому набору критериев, построении базовых типов их организаций с последующим определением требований к архитектуре агентов.

В качестве примеров параметров конкретизации, определяющих переход от некоторого класса МАС к конкретному экземпляру, рассмотрим пару параметров, задаваемых на полярных шкалах: а) «специализация — универсальность»; б) «достаточность — избыточность». Степень специализации s (пригодности) агента a для решения проблемы P есть показатель его компетентности, который характеризует наличие и объем специальных знаний по отношению к требуемому объему знаний для решения задачи. Когда s = 0, агент универсален (всеведущ), а когда s = 1, агент предельно специализирован. В свою очередь, степень избыточности r характеризует число агентов, обладающих одними и теми же знаниями. Когда r = 0, имеется только один агент, способный выполнить данную задачу. Например, в МАС, основанной на кооперации специалистов, когда агенты не являются взаимозаменяемыми, s 1, а r 0.

Можно выделить четыре граничных варианта организации МАС в зависимости от двух рассмотренных параметров [72].

• 1) Гиперспециализированная неизбыточная организация (s = 1, r = 0): каждый агент специализируется в решении только одной задачи, и более того, каждая задача может быть выполнена только одним из агентов. Этот тип организации отражает чисто функциональный подход (тейлоровскую организацию), когда каждая функция представлена в виде агента; для него характерна минимальная надежность и отказоустойчивость.
• 2) Специализированная избыточная организация (s = 1, r = 1). Каждый агент способен выполнять только одну задачу, которую могут выполнить и все другие агенты. Здесь речь идет о крайнем случае, когда все агенты имеют одни и те же знания. Иногда этот тип классической, функционально однородной организации используется локально для увеличения надежности системы.
• 3) Универсальная избыточная организация (s = 0, r = 1). Каждый агент может выполнять множество различных задач, и каждая задача выполняется большим числом агентов. Когда же

Рис. 5. Связь между моделями в методологии разработки МАС

избыточность равна числу задач, каждый агент является универсалом. Здесь основная проблема состоит в распределении задач между агентами.

4)Универсальная неизбыточная организация (s = 0, r = 0). Здесь каждый агент может выполнять несколько задач, но каждая задача выполняется лишь одним агентом.

Для формального определения МАС в русле восходящего подхода можно взять за основу понятие алгебраической системы по А. И. Мальцеву, которая выражается в виде тройки.

S = (X, П,),.

где X-непустое множество, называемое носителем или основой системы, П-множество предикатов, — множество операций. Очевидно, что система может быть многоосновной, и в этом случае X = (X,…, Xn.). Многоагентная система обычно включает как множество агентов, так и множество манипулируемых ими объектов, что может быть записано в виде X = AO.

В случае, когда X=A, эволюционная многоагентная система определяется шестеркой [30]:

MAS = (X, E, R, AC, P, ST, EV),.

где X = A = {1,…, n} - множество неоднородных агентов; E — множество сред, в которых может функционировать данная МАС; R — семейство базовых отношений между агентами, причем это семейство отношений включает по крайней мере три типа отношений и может быть представлено разбиением.

R = R1 R2 R3 ,.

R1-множество горизонтальных (симметричных) отношений, R2-множество асимметричных отношений, направленных «сверху вниз», R3-множество нечетких асимметричных отношений, направленных «снизу вверх»; AC-множество действий агентов; P-множество коммуникативных актов, образующих протокол коммуникации в МАС; ST-множество состояний МАС; EVмножество эволюционных стратегий. Общий вид базовой структуры такой МАС представлен на рис. 6.

Итак, эволюционный синтез МАС предполагает анализ потребностей системы и определение факторов адаптации к динамической среде. Это обычно приводит к усложнению МАС или ее переходу в более упорядоченное состояние. Усложнение МАС обычно начинается с усложнения (расширения спектра) функций ее агентов, а также может выражаться в периодической замене («перетасовке») агентов ради поддержания требуемой эффективности системы. Основными видами изменений функций агентов в процессе эволюции МАС являются: интенсификация и ослабление, мобилизация и иммобилизация, расширение или уменьшение числа функций, замещение или компенсация функций.

Рис. 6. Представление базовой структуры (единицы) многоагентной системы

Изменения функций агентов и соответствующих отношений в МАС приводят к структурным преобразованиям. Например, делегирование функций управления приводит к вертикальному росту базовой структуры МАС, а расширение числа ролей агентов — к переходу от иерархических к гетерархическим структурам.

В свою очередь, социальный (коллективный) агент определяется в [125] пятеркой.

SA = (ST, L, AC, SL, T),.

где ST — множество состояний; L — множество языков; ACмножество действий; SL — множество социальных законов, причем ограничение задается парой (ac,), а социальный закон sl есть множество ограничений (aci, i), aciAC, L, st=; T-обобщенная функция переходов, T: ST AC SL 2ST, удовлетворяющая следующим условиям: а) для любых stST, acAC, slSL, если состояние st удовлетворяет ограничению, st=, и пара (ac,)sl, то T (st, ac, sl)=; б) для любых stST, acAC, sl1SL, sl2SL, если sl1 sl2, то T (st, ac, sl1) T (st, ac, sl2). Тогда виртуальная организация определяется как МАС, состоящая из социальных агентов, подчиняющихся множеству социальных законов и имеющих общие состояния, единый язык для описания состояний, согласованное множество действий и функцию переходов.

Другой возможный вариант описания агентов и МАС предложен в работе [52]. Он опирается на идею трехступенчатого определения основных понятий, например, a — агент, A — множество (конфигурация) агентов, aA, — множество всех конфигураций агентов, A. Далее вводятся g — тип агентов, G — множество возможных типов агентов, gG, E — пространство системы, — множество всех пространств МАС, E. Затем исходная МАС задается парой MAS = (,), а соответствующая среда-тройкой W=(E, A, C), где С — взаимосвязь между агентами A и пространством E. При этом еще рассматриваются понятия ресурса МАС r, множества (конфигурации) ресурсов R и множества всех возможных конфигураций ресурсов в МАС, а также топологии жизненного пространства T (множества мест tT, где агенты могут жить и работать) и множества всех возможных топологий .

Тогда общая структура жизненного пространства агентов E характеризуется парой E=(R, T). В результате агент a типа g определяется девяткой.

a = (M, Q, STR, I, X, L, m, q, str),.

где m-модель среды агента; M-множество моделей среды, mM; q-цель агента, определенная как отображение q: MM, -множество действительных чисел; Q-множество (конфигурация) целей агента, qQ; str-стратегия агента, str: MM; STR-множество (конфигурация) стратегий, strSTR; I-наблюдения агента; X-операция выполнения стратегии агента; L-операция адаптации (обучения) агента.

Наконец, в [1] понятие искусственного роя (swarm) [42,62] как МАС, построенной из мобильных, реактивных агентов, способных локально взаимодействовать друг с другом и коллективно решать различные задачи, действуя параллельно, определяется набором.

= (A, ST, V, X, u, f, g,),.

где: A — множество агентов; ST — множество состояний агентов; Vмножество векторов скорости перемещения агентов; XZd; f — переходная функция состояний агента, f: STk Vk ST; g — функция векторов скорости, g: STk Vk V; - функция перемещения,: X V X; u — функция соседства, u: A Ak; A= m, ST= q, V= k, X= n.