自适应网络城市系统：物联网时代的智能解决方案

### 自适应网络城市系统：构建智能城市管理的新范式 #### 1. 引言 如今，全球城市人口的增长使得城市需求水平愈发难以控制。随着人口知识水平的不断提高，社会、经济和环境问题相互交织。这表明城市管理系统具有多样化且相互关联的元素，在提供公共服务时会面临各种挑战和问题。因此，城市管理需要智能解决方案，以创建可持续环境，管理基础设施资源、环境资源，监测城市活动等。 物联网（IoT）概念为应对这些挑战提供了方向。它旨在通过互联网连接各种现实世界的物体，实现物理和虚拟的持续连接。基于物联网的网络城市、智能城市等概念，旨在通过系统规划满足城市管理发展的需求，具备高效性、有效性、快速访问和服务准确性等优势。但要实现显著贡献，需充分考虑城市增长的特点。 为构建能适应应用环境变化、管理变化并具备自适应能力的系统，本文受七支柱生活模型（taklif）启发，该模型由宇宙、法律、理性、自然、欲望、自由选择和时间组成，并通过基于信念（Belief）、欲望（Desire）、意图（Intention）的BDI代理导向方法表示。 #### 2. 系统开发基础 自适应系统（SAS）是解决物联网系统复杂性问题的替代方案，它能基于系统自身知识、目标导向以及用户辅助，自动采取适当行动，以响应系统自身或环境的变化。 物联网管理系统环境中各元素的特性需要与城市管理系统进行映射和对齐，SAS概念应运而生，以解决这一问题。构建的网络城市系统应能反映城市各元素的需求，适应系统及其环境的变化。 ##### 2.1 系统表示 宇宙被赋予人类管理地球资源的使命，这一实践即taklif，它包含七个支柱： | 支柱 | 解释 | | --- | --- | | 宇宙 | 地球的所有内容，包括宇宙各组成部分的行为，可分为知识和利用两种角色。人类推理遵循与宇宙和谐及法律原则，有因果、目标和反矛盾三个原则。 | | 理性 | 人类思维处理感性事实（现实）和逻辑事实（解释），逻辑事实地位更高。人类思维受感官信息限制，宗教可作为法律或理性的界限。 | | 自然 | 人类天生具有道德本能，定义了人类生活规则，但因性格和身体缺陷，规则可能被违反。可通过学习或管理恢复。 | | 宗教或法律 | 宗教规定了人们对创造者、他人和自然环境的行为方式。人类思想和自然秩序需与宗教规则校准，宗教真理通常被视为绝对的，而理性和自然可能被欲望扭曲。确定真理需满足宗教或法律、人类推理认可、符合自然和客观现实四个要求。 | | 欲望 | 欲望是实现目标的渴望，本身中立，受理性和自然选择控制，可作为满足需求或实现宗教或法律规定目标的手段。 | | 自由选择 | 自由选择是taklif系统的核心，宗教规则是自由选择的基础。世界上有许多选择，每个选择都有后果，宗教规则和自然是选择的参考。 | | 时间 | 上述六个支柱的相互作用在时空维度中进行，空间是地球和宇宙，时间是人类从出生到死亡的一系列事件记录。 | ##### 2.2 模型构建 基于系统表示模型，物联网概念下开发软件的构建模型映射到BDI模型。BDI模型是一种实用推理理论，应用于代理导向架构。 实用推理有两个主要过程： 1. **深思熟虑（Deliberate）**：决定要实现的特定情况，即意图。该过程从通过信念理解环境刺激开始，捕获问题分类，系统据此寻找解决问题的最佳反应。 2. **手段 - 目的推理（Means - end reasoning）**：制定实现意图的计划。 在BDI模型中，欲望阶段会产生各种替代解决方案，但可能不现实或不一致。在将目标添加到意图状态之前，需验证和确认替代选择，使其与代理条件现实且与设定目标一致。最终，心理状态会生成行动并分解为子行动由执行器执行。 七支柱taklif系统在BDI模型中的映射如下： 1. **宇宙支柱**：各实体及其环境的事实，其行为事件可由信息模型上下文捕获，有知识引入和利用两种角色。 2. **理性支柱**：了解本质并基于与目标、自然和宗教或法律相符的原则工作，通过处理现实和逻辑事实评估条件，诊断和分类问题，确定理解选择。 3. **欲望响应**：事实处理触发行动组件的响应，根据欲望规则（功能和非功能要求）产生响应选项，由系统自动处理。 4. **宗教或法律筛选**：理性组件根据宗教或法律规则选择响应选项，进行优先级筛选。 5. **自然筛选**：qolbu组件根据自然规则进一步筛选剩余选项，得到最佳响应。 6. **规划与执行**：根据选定响应进行调整过程规划，确定执行器执行顺序，执行结果为行动。 7. **学习与更新**：行动根据与宗教规则和自然的符合程度获得奖励或惩罚，这是系统的学习过程，触发知识更新。 七支柱在BDI模型中的映射由4条主要规则（欲望R1、目标R2和R3、意图R4）决定信念理解，其开发策略如下： 1. **规则1（通用结构）**：以抽象类形式表示现实世界，建模目标。 2. **规则2（概念规则）**：识别符合事实基本规范的通用结构，指导系统根据对环境刺激的信念理解确定初始替代选项。 3. **规则3（配置规则）**：定义组件配置，验证和确认概念操作规则的替代选项。 4. **规则4（特定规则）**：在需要或操作结果不符合特定标准时使用，获取最相关的一个或多个行动选项。 #### 3. 自适应模型 构建具有自适应能力的物联网软件系统框架由两部分组成： 1. **领域模型**：表示为目标模型，提供物联网概念的基本功能和应用逻辑。基于目标导向方法开发，利用人类导向的抽象概念（如代理）表示现实世界条件。领域模型映射到BDI模型，用于定义目标、规划等元素，其映射结果由代理定义文件和计划规范表示，能在运行时提供可变性，并通过基于七支柱taklif的规则扩展，更好地分析可变性和细化系统行为。 2. **控制模型**：表示为推理引擎，通过适应逻辑控制或管理目标系统。应用代理的行动模式和转换规则，考虑上下文感知场景，制定控制策略以满足自适应要求。控制模型可监测环境，必要时调整系统，如目标改变时重新配置、操作改变时自我优化、处理特定类型错误等。其应用的模式是事件 - 条件 - 行动（ECA）架构的扩展，通过规则操作确定自适应系统的行为。 ##### 3.1 规则表示 物联网系统中的任何变化可视为自动机模型和可能状态的关系，从初始状态到最终状态的变化可通过规则模型描述。设计的自动机模型规则表示能自动检测状态变化，确定适应所需的行动。 规则系统通常由11个类组成：规则、左手边（LHS）、表达式、事实、插槽、复合表达式、一元表达式、二元表达式、右手边（RHS）、行动和函数。规则系统的生产规则形式为“if条件 > then行动 >”，RHS上的行动是具体的，而规则库中的其他规则为推导规则，RHS上的结论更抽象。 为实现自适应能力，规则系统需扩展，使LHS与属性插槽的表述一