这个模拟器的最佳架构是什么？

Question

我必须用 Java 制作一个模拟器，它将模拟汽车在高速公路上行驶。高速公路上应该有3条车道，每条车道都有匀速行驶的汽车。在这条高速公路上，有一个特工，他必须开车通过，不能撞到任何其他汽车。详细说明见this paper第2.5节和图5。

这张图片来自上述论文，展示了高速公路的外观：

我的目标是只编写一个模拟器（和 GUI），而不是代理的逻辑。现在，我想设计这个模拟器的架构，这就是我需要帮助的地方。

我的想法，代理的 API 的外观是：

public abstract class BaseAgent {
    public abstract void run()
    public abstract void onCrash();
}

高速公路上的代理（汽车）应该是这个类的后代。在每一步中，模拟器调用函数run() 代理逻辑在哪里。在这个函数中，agent可以调用如下函数：

goLeft();
goRight();
getNearestCarInLane(int lane_no);
getMySpeed();

因此，在每一步中，代理都可以决定他是否留在当前车道上，或者他是左转还是右转。就这些，代理能做什么。

所以这是代理API，但我不知道如何设计模拟器的其余部分。我第一次尝试模拟架构是：

class Agent — descendant of BaseAgent, can ride on highway.
class Highway — stores position of all cars on highway.
class Simulator — creates instance of agent and highway; in every step, call agent’s `run()` and monitors any car crash.

这不是一个好的架构。方法goLeft()、goRight() 和getNearestCarInLane() 应该属于哪个类？因为这些方法必须在BaseAgent 类中，但必须知道高速公路上每辆车的位置。所以最后，我有这样的事情：

Simulator s = new Simulator();
Highway h = new Highway();
Agent a = new Agent();

s.setAgent(a);
s.setHighway(h);
a.setHighway(h);
h.setAgent(a);

而且它又可怕又丑陋。

所以我在这里需要一些聪明人的帮助。有人可以给我一个关于模拟器/架构的书籍、文章的链接吗？或者解释一下我做错了什么？

我不是程序员，这个项目是我学院的一门名为软件工程的选修课程的一部分。

Answer 1

我的建议是在设计代理界面时考虑intelligent agent 的正式概念：从模拟的角度来看，它是一个接收感知的黑盒子> 从其环境（例如，传感器数据），然后决定某个动作（例如，向左或向右驾驶汽车）。

基于此定义并假设一个简单的离散逐步模拟，您的代理类可能如下所示：

public abstract class BaseAgent {
    public AgentAction act(HighwayPerception hwyPerception);
}

其中AgentAction 将是代表代理可以在单个步骤中决定执行的操作的类型（在最简单的情况下，这将是具有值STEER_LEFT、STEER_RIGHT 等的枚举-- - 对于更复杂的问题，您可以使用AgentAction 定义整个类层次结构作为超类/接口）。解释代理返回的AgentAction 对象并相应地更改其环境状态（即Highway 对象）是模拟器的工作。

另一方面，参数HighwayPerception 表示代理在当前时间步能够感知的所有信息：例如，汽车有多快（getMySpeed()）或到下一辆车的距离（@ 987654333@)。这避免将代理直接耦合到其环境（即Highway）——这很重要，因为它分离了关注点：只有代理感知 他们的环境决定行动，而不是直接与之交互。同样，模拟器的工作是根据其环境的当前状态为代理创建感知。

最后，这种设计还更容易控制代理。 HighwayPercept 类必须设计成只能用于读取代理应该能够感知的数据，而不是直接影响周围环境。相比之下，您的原始设计中的代理可以访问 Highway 对象，因此可能会尝试欺骗，例如，在几英里前的 see 汽车并相应地规划其路线，或者只是改变高速公路上其他汽车的位置。 这永远不可能，即使您不太关心安全性，因为此类事情也可能无意中发生并且可能难以调试。

根据您的要求，您的架构当然可能需要更加复杂。 更多信息应该很容易从multi-agent simulation systems 上的文献中获得（这是对您的问题的概括，即可以模拟几个代理在您的高速公路上行驶）。该领域正在进行大量研究，您可能希望查看多种多智能体模拟工具（例如Repast）。

Answer 2

我个人会将高速公路封装在模拟器中。如果每个模拟器有超过 1 个高速公路，那么我会假设代理将位于任何高速公路对象上，因此代理可以由模拟器拥有并与高速公路相关联。但是 Simulator 应该是一个 Facade 模式，所以您需要做的就是创建 Simulator 并可能有选择地向它传递一个配置，这样您就不必处理它们了。每个代理都应该有一个 run() 方法，并且模拟器中应该有一个线程在它包含的每个代理上调用 run() ，或者您可以在模拟中手动步骤为每个代理调用 run() 一次（如一步一步的模拟器）。