杂志精选 | 基于Multi-Agent的智能演艺呈现系统
1 引言
演艺呈现系统（Art Performance System，APS）是服务于演出轴的光艺术呈现、声艺术呈现、视觉艺术呈现、形态艺术呈现等子系统的综合、开放、集成创意平台的总称，具有分布性、自治性、动态性、复杂性等技术特征。这里所说的集成，一是演艺呈现相关各个子系统实时运行环境的融合，即把各个子系统的运行环境信息采集后集中管理，进而形成演艺呈现系统的总体实时运行环境；二是各个子系统管控的演艺装备操作维护的集成，即将各呈现子系统的控制、调节、处理、传输、交换和终端呈现设备集成管控，以增强现场影音和艺术创意作品呈现和现场体验效果；三是多种演艺呈现子系统的演艺信息集中管理、维护和呈现，这些演艺信息包括声、光、视、械等呈现子系统中的剧目（Show）、节目（Sequence）、场景（Cue）等，按照演出集中控制或协调自治控制的方式，灵活处理、集中运行监管。因此，演艺呈现系统是一个时空分布的、动态的、复杂的系统，是演艺场所管理的重要组成部分。
实践证明，传统的监管方法和技术在复杂的演艺领域颇显乏力。演艺行业的特点是各个子系统的自治性，在一场重要的演出中往往需要各个子系统的人为干预，以确保演出的安全运行。而智能系统由于引入专家系统、模糊逻辑、人工神经元网络、遗传算法等人工智能技术，在自适应、自组织和自学习功能的实现方面不单纯依赖于模型，同时更加重视知识的核心作用，通过把专家的管理控制经验转化为系统可利用的后发式知识，或运用机器学习等手段实现知识的自动获取，从而使其在复杂系统领域展现优势。
Multi-Agent作为分布式人工智能DAI（Distributed Artificial Intelligent）的一门新技术，已成为研究热点，并取得重要应用成果。多智能体系统MAS（Multi-Agent System）主要用于一组自治智能主体之间智能行为的协调性研究，协调其知识、目标、技巧和规划，联合起来采取行动或问题求解。MAS已成功应用于复杂系统，如自动驾驶、高级机器人系统、信息检索和高速公路等。演艺呈现系统的分布性、动态性、复杂性及各个子系统的自治性与MAS的技术特征相吻合，应用MAS技术解决演艺呈现复杂集成问题完全可行，应得到业界关注。笔者在分析演艺环境下技术装备系统分级递阶结构的基础上，提出演艺呈现系统的集散递阶体系结构。通过引进智能Agents，建立智能演艺呈现系统MAS模型，并对该MAS中主体的结构模型、构造方法、通信机制和协商机制进行分析。
2 演艺呈现系统集散递阶体系结构
演艺环境下的技术装备从逻辑层次上看是典型的集散递阶结构，如图1所示。集散递阶系统的监管逻辑采用了分组和协调的原则，通过水平（空间）分组和垂直功能分解，整个系统可分解为若干个完成独立艺术呈现处理的子系统，同时把监管控制作用分解到不同的层次上，并辅以局部的调节、处理或控制的方式，来实现复杂的艺术呈现任务和目标。这种结构可相对有效地解决复杂系统的安全可靠性问题。因此，演艺呈现系统的体系架构采用集散递阶方式，并将其分为呈现层、管控层和设备层，具有融合、安全、便捷的特点，以吻合演艺行业应用要求，并提升以演出作为主轴的艺术呈现及创意作品的现场体验效果。从逻辑层面看，集散递阶体系包括以下各个层面内容。
呈现层：以演艺呈现系统平台为核心，统一管理和维护各个子系统的状态参数和各种演艺信息，呈现演艺场景编组效果。演艺呈现系统平台与管控层的各个子系统管控处理单元通过以太网（ETHERNET）通信连接，统一协调和调度。实际应用时，各个呈现子系统的演艺信息文件，如剧目、节目和场景的编辑、编组和运行，在排练和演出时会呈现不同的管理和控制方式。有的剧目是按照时间轴运行，这种方式一般采用自动时间码（Time Code）控制方式（又称“Show Control”），可通过演艺呈现系统平台集中组织运行演艺文件。有些重要的演出往往需要各个子系统的人为干预，以确保演出的安全运行，这种方式会采用各个呈现子系统自治控制方式，演艺呈现系统平台协调运行演艺文件。
管控层：由各个呈现子系统的管控处理单元组成，管控处理单元执行监管各个呈现子系统所辖设备运作功能，并将各个子系统的实时运行环境、设备操作维护管理信息和演艺信息等上报呈现层的演艺呈现系统平台，并通过以太网与演艺呈现系统平台通信连接。各个管控处理单元在各个子呈现系统中的物理位置会有所不同，如声呈现系统中，管控单元会分散在数字调音台或DSP处理设备中，也可以是单独的一台管理计算机。光呈现子系统的管控单元一般在调光台或灯控台内；视觉呈现子系统的管控处理单元一般置于媒体服务器或视频制作处理核心内；舞台机械管控处理单元则一般在舞台机械控制台内其他呈现子系统管控处理单元可在中控、管理计算机、安全服务器或监控调度机内等。
设备层：由各个子系统的相关受控设备组成，这些设备一般可包括调节、处理、控制、管理设备、数据传输和交换设备、呈现终端设备等，并依呈现子系统的不同而有所变化，例如声呈现系统会包括现场拾音设备（MIC）等，视觉呈现子系统会有影音录像和播放设备等。设备层的主要任务是呈现和提升现场对演出轴内容的体验效果。演艺呈现系统采用集散递阶逻辑结构具有分布性、自治性、动态性、复杂性等技术特征，配合数字化和网络化的集成应用，可满足演艺行业“方便性、可靠性、安全性、多样性、创新性、开放扩展性、兼容性、灵活性”要求。
3 智能体Agent介绍
自20世纪80年代起，智能体Agent一直是分布式人工智能研究的热点，虽然该词已被广泛使用，但至今仍没有一个公认的定义。Agent通常定义为一种“基于某种场景，并具有灵活、自主的行为能力，以满足设计目标的计算机系统”，一般指满足如下特性的基于硬件或软件的计算机系统。
自主性（Autonomy）：Agent 的运行无需人工或其他Agent的直接干预，并能对其自身行为及内部状态进行某种控制。
社会性（Social Ability）：能通过某种Agent通信语言与其他Agent（也可能是人类） 进行交互。交互主要有三种类型: 协作（Cooperatio n） 、协调（Coordination）和协商（Negotiation）。
反应性（Reactivity）：能感知它们的环境（可以是物理世界、一个经特定用户接口连接的用户、一系列其他Agent 、Internet或所有这些的组合），并能对环境的变化及时做出反应。
主动性（Proactivity）：Agent不但能对环境做出反应，而且能够积极主动地做出使其目标得以实现的行为。
Agent还被定义为：除满足上述所有特性外，还具有通常应用于人类的心智化（Mentalizing）概念，如知识（Knowledge）、信念（Belief）、意图（Intention）和义务（Obligation），甚至具有情感（Emotion）因素的计算机系统。此外，许多学者还提出Agent具有场景性、灵活性、移动性、诚实性、友好性、理性、长寿性、自适应性的特性。
多Agent系统（MAS）是指由多个自治智能主体组成的合作系统。它是一个松散耦合的问题求解器网络，其目标是为了解决那些超出每个问题求解器的单独能力或知识的问题。这些问题求解器就是Agent ，它们是自主的，并可能是异构的（Heterogeneous）。要深刻理解Agent 及多Agent 系统的概念，必须将它们与对象、过程控制系统、软件“精灵”和分布式问题求解等概念区分开来。多智能体系统（MAS）研究重点在于一组自治智能主体之间智能行为的协调，协调它们的知识、目标、技巧和规划，联合起来采取行动或问题求解。
演艺行业的特点是各个子系统的分布性和自治性，一场重要的演出往往需要多个子呈现系统的人为干预，以确保演出的安全运行。实践表明，演艺呈现这类复杂系统领域需要探索新的智能方法，解决安全融合、集成呈现和实时监管的问题，而MAS由于引入人工智能技术，在自适应、自组织和自学习功能的实现上不单纯依赖于模型，可很好地适应演艺呈现系统的分布和自治的技术要求，从而使其在演艺呈现复杂系统领域展现出优势。
4 演艺呈现系统的MAS建模
演艺呈现系统采用集散递阶结构，完成以下三大主要功能：
以开放标准安全平台，融合演艺相关子系统，包括融合各个呈现子系统的实时运行环境参数、设备操作维护管理信息和演艺信息等；
引进智能化技术，呈现“互联网+”服务内涵，实现灵活便捷的智能演艺文件运行管理，增强现场监管效果；
借助网络化和数字化手段，融合异种协议集成网络通讯接口以及多种管控方式，优化演艺环境下的技术装备集成，更好地服务于演出实现及演出安全。要实现演艺呈现系统融合、安全、便捷的功能要求，则需要建立演艺呈现系统的多智能体模型，其首要任务是将演艺呈现系统的各功能模块转化成有独立功能的自主智能体，并根据各自智能体所完成的功能不同，分别建立各智能体的功能结构。根据多智能体理论和上述对演艺呈现系统集散递阶体系结构分析，笔者提出基于Multi-Agent的智能演艺呈现系统结构，见图2。
在图2的智能演艺呈现系统中，多个Agent形成一个有组织、有序的群体，共同工作在“环境”中，它们的组织性和有序性体现在：呈现层的三个不同Agent（组织Agent、协调Agent和安全Agent）管理管控层的若干个管控Agent；各个管控Agent管理各个呈现子系统的演艺呈现对象和运行环境。这种组织结构类似于人的群体组织，由领导和被领导者分工协作、共同完成特定的任务。组织Agent是在不需要人为干预的演出场合，比如完成按照时间码（Time Code）运行各演艺文件的秀场演出，组织协调各个呈现子系统自动运行的呈现层智能体；协调Agent是在需要人为干预的重要演出场合，协调各个呈现子系统的自治运行方式的呈现层智能体；安全Agent则是基于整个演艺系统融合环境下安全管理和协调的呈现层智能体，还与呈现层的组织Agent和协调Agent保持密切关联，便于全面安全管理和协调。各个管控Agent根据各个子系统的当前运行状态和环境信息，有选择地执行呈现层智能体的操控指令，其中组织Agent和协调Agent的指令对于管控Agent而言是互斥的，即同一时刻管控Agent不能同时执行组织Agent和协调Agent指令。每个Agent都处于环境中，根据环境信息完成各自承担的工作。同时，MAS也作用于环境，如该控制系统通过智能人机界面和人进行交互。此外，这种MAS设计也为未来的演艺场所智能升级保留接口，如Agent可与其他类似的 Agent系统（如舞台经营管理MAS）进行交互，构成更高级的有序的MAS。演艺呈现系统的MAS中，Agent采用复合式结构，见图3。
图3中“环境”是广义的，可以是外部世界，也可以是被控对象，甚至是人。感知器通过RDM等协议接收环境信息，并进行预处理和特征辨识，如果感知到的是简单的或紧急的情况，则信息被送到反射器。反射器对传入的信息立即做出决定，并将动作命令送给执行器，由执行器采取相应的动作。如果感知到复杂的或允许相对充裕的时间进行处理的情况，则信息被送到建模模块进行分析。建模模块中包含主体对环境和其他主体所建立的模型，根据模型和当前感知的情况可以对短期的情况做出预测，进而提出相应的对策给决策模块。同时，其他Agent可通过通信模块对其未来的行动提出请求，规划器预先对其行动做出规划，由决策模块决定其采取的相应动作。
5 MAS中Agent的实现技术
智能演艺呈现系统的MAS中，各层的Agent是不同的，主要体现在“智能随层次的升高而增强，精度随层次的降低而提高”。而同层的Agent也是不同的，主要体现在各个呈现子系统面临各自复杂的运行环境，各子呈现系统的管控Agent在进行判断时需要整个演艺运行环境信息，而这些演艺运行环境信息是通过规范化的开放演艺呈现系统平台，融合各个子系统的环境信息来实现的，如图4。图中演艺呈现环境融合了各个子呈现系统的运行环境信息、设备操作维护信息和演艺信息等内容。如果从Agent的功能结构上抽象出来，各Agent之间的不同在于它们的决策策略、可实现动作和知识的表示方法等。同时，各Agent也有一些相同的特性，如通信方式、执行机、心智状态（mental state）的表示等。因此，在构造Agent时，通过对不同部分的分离，可以定义一个对所有Agent都相同的内核结构（Agent kernel structure）。在主体内核上定义一个接口，使得各层次Agent不同的决策方法、功能模块等可以方便地联接到主体内核，如图5中对主体内核作了形象说明。
每个Agent由一个通用的主体内核（Agent kernel）和许多功能模块（Function modules）构成。主体内核由内部数据存储、信箱、黑板、处理机等部分组成。其中，内部数据存储中包含主体自身的信息、目标集合、融合环境模型等信息；信箱提供主体和环境以及其他主体的通信；黑板提供主体内部各个功能模块之间的通信；处理机则完成消息分派、功能模块的执行控制等。各个功能模块都是相对独立的实体，由处理机启动后即完全并行执行，通过黑板协调工作。
利用此方法，可以方便地构造智能演艺呈现系统MAS中复合式结构的Agent，感知、反射、通信、建模、规划、决策生成等都以功能模块的形式加入主体中。通信是协作的基础，用多主体系统进行复杂演艺呈现监管时，集成在演艺呈现系统平台中的主体必须能通过某种主体通信语言来实现彼此通信和协作。主体通信主要涉及通信方式和通信语言两个问题。智能演艺呈现系统MAS中Agent间通信采用基于消息（Message）的通信方式，由RFC6455/HTTPS进行安全封装。
智能演艺呈现系统MAS中，协作是系统设计的难点与重点，各Agent只有通过相互协作才能实现以下目的：
通过并行性提高完成任务的效率；
通过共享资源（信息、专家知识、设备等）扩大完成任务的能力范围；
使用不同的方法去完成任务，提高任务完成的可靠性；
通过避免任务间有害的相互作用减少任务间的冲突。因此，建立具有协作技术的MAS是提高智能演艺呈现系统整体性能的重要手段。
多智能体协作技术的一个重要方面是多智能体协作模型。从多智能体协作机制建模的发展过程来看，以逻辑推理的形式化建模的方法和以决策理论和动态规划为基础的建模方法正在逐渐融合，二者都强调智能体的理性作用，而决策论是产生这种融合的媒介。适应不同的应用环境，从不同角度产生过多种不同类型的多智能体模型和应用系统，这些模型包括：理性智能体的BDI模型、协商模型、协作规划模型和自协调模型。其中，自协调模型可适应复杂演艺呈现系统的动态实时监管和优化，其方法可借鉴用于建立智能演艺呈现系统中的Agent协作模型。
节选自《演艺科技》2016年第十一期侯春海，周宝宁，周其麟《基于Multi-Agent的智能演艺呈现系统》。