Dynamic task allocation and coordination in cooperative multi-agent environments

La coordinació i assignació de tasques en entorns distribuïts ha estat un punt important de la recerca en els últims anys i aquests temes són el cor dels sistemes multi-agent. Els agents en aquests sistemes necessiten cooperar i considerar els altres agents en les seves accions i decisions. A més a més, els agents han de coordinar-se ells mateixos per complir tasques complexes que necessiten més d'un agent per ser complerta. Aquestes tasques poden ser tan complexes que els agents poden no saber la ubicació de les tasques o el temps que resta abans de que les tasques quedin obsoletes. Els agents poden necessitar utilitzar la comunicació amb l'objectiu de conèixer la tasca en l'entorn, en cas contrari, poden perdre molt de temps per trobar la tasca dins de l'escenari. De forma similar, el procés de presa de decisions distribuït pot ser encara més complexa si l'entorn és dinàmic, amb incertesa i en temps real. En aquesta dissertació, considerem entorns amb sistemes multi-agent amb restriccions i cooperatius (dinàmics, amb incertesa i en temps real). En aquest sentit es proposen dues aproximacions que permeten la coordinació dels agents. La primera és un mecanisme semi-centralitzat basat en tècniques de subhastes combinatòries i la idea principal es minimitzar el cost de les tasques assignades des de l'agent central cap als equips d'agents. Aquest algoritme té en compte les preferències dels agents sobre les tasques. Aquestes preferències estan incloses en el bid enviat per l'agent. La segona és un aproximació d'scheduling totalment descentralitzat. Això permet als agents assignar les seves tasques tenint en compte les preferències temporals sobre les tasques dels agents. En aquest cas, el rendiment del sistema no només depèn de la maximització o del criteri d'optimització, sinó que també depèn de la capacitat dels agents per adaptar les seves assignacions eficientment. Addicionalment, en un entorn dinàmic, els errors d'execució poden succeir a qualsevol pla degut a la incertesa i error de accions individuals. A més, una part indispensable d'un sistema de planificació és la capacitat de re-planificar. Aquesta dissertació també proveeix una aproximació amb re-planificació amb l'objectiu de permetre als agent re-coordinar els seus plans quan els problemes en l'entorn no permeti la execució del pla. Totes aquestes aproximacions s'han portat a terme per permetre als agents assignar i coordinar de forma eficient totes les tasques complexes en un entorn multi-agent cooperatiu, dinàmic i amb incertesa. Totes aquestes aproximacions han demostrat la seva eficiència en experiments duts a terme en l'entorn de simulació RoboCup Rescue.

Simulation of interlaminar and intralaminar damage in polymer-based composites for aeronautical applications under impact loading

La aplicación de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados mediante fibras largas (FRP, Fiber Reinforced Plastic), está en gradual crecimiento debido a las buenas propiedades específicas y a la flexibilidad en el diseño. Uno de los mayores consumidores es la industria aeroespacial, dado que la aplicación de estos materiales tiene claros beneficios económicos y medioambientales. Cuando los materiales compuestos se aplican en componentes estructurales, se inicia un programa de diseño donde se combinan ensayos reales y técnicas de análisis. El desarrollo de herramientas de análisis fiables que permiten comprender el comportamiento mecánico de la estructura, así como reemplazar muchos, pero no todos, los ensayos reales, es de claro interés. Susceptibilidad al daño debido a cargas de impacto fuera del plano es uno de los aspectos de más importancia que se tienen en cuenta durante el proceso de diseño de estructuras de material compuesto. La falta de conocimiento de los efectos del impacto en estas estructuras es un factor que limita el uso de estos materiales. Por lo tanto, el desarrollo de modelos de ensayo virtual mecánico para analizar la resistencia a impacto de una estructura es de gran interés, pero aún más, la predicción de la resistencia residual después del impacto. En este sentido, el presente trabajo abarca un amplio rango de análisis de eventos de impacto a baja velocidad en placas laminadas de material compuesto, monolíticas, planas, rectangulares, y con secuencias de apilamiento convencionales. Teniendo en cuenta que el principal objetivo del presente trabajo es la predicción de la resistencia residual a compresión, diferentes tareas se llevan a cabo para favorecer el adecuado análisis del problema. Los temas que se desarrollan son: la descripción analítica del impacto, el diseño y la realización de un plan de ensayos experimentales, la formulación e implementación de modelos constitutivos para la descripción del comportamiento del material, y el desarrollo de ensayos virtuales basados en modelos de elementos finitos en los que se usan los modelos constitutivos implementados.

Studies of dynamics of physical agent ecosystems

This thesis addresses the problem of learning in physical heterogeneous multi-agent systems (MAS) and the analysis of the benefits of using heterogeneous MAS with respect to homogeneous ones. An algorithm is developed for this task; building on a previous work on stability in distributed systems by Tad Hogg and Bernardo Huberman, and combining two phenomena observed in natural systems, task partition and hierarchical dominance. This algorithm is devised for allowing agents to learn which are the best tasks to perform on the basis of each agent's skills and the contribution to the team global performance. Agents learn by interacting with the environment and other teammates, and get rewards from the result of the actions they perform. This algorithm is specially designed for problems where all robots have to co-operate and work simultaneously towards the same goal. One example of such a problem is role distribution in a team of heterogeneous robots that form a soccer team, where all members take decisions and co-operate simultaneously. Soccer offers the possibility of conducting research in MAS, where co-operation plays a very important role in a dynamical and changing environment. For these reasons and the experience of the University of Girona in this domain, soccer has been selected as the test-bed for this research. In the case of soccer, tasks are grouped by means of roles. One of the most interesting features of this algorithm is that it endows MAS with a high adaptability to changes in the environment. It allows the team to perform their tasks, while adapting to the environment. This is studied in several cases, for changes in the environment and in the robot's body. Other features are also analysed, especially a parameter that defines the fitness (biological concept) of each agent in the system, which contributes to performance and team adaptability. The algorithm is applied later to allow agents to learn in teams of homogeneous and heterogeneous robots which roles they have to select, in order to maximise team performance. The teams are compared and the performance is evaluated in the games against three hand-coded teams and against the different homogeneous and heterogeneous teams built in this thesis. This section focuses on the analysis of performance and task partition, in order to study the benefits of heterogeneity in physical MAS. In order to study heterogeneity from a rigorous point of view, a diversity measure is developed building on the hierarchic social entropy defined by Tucker Balch. This is adapted to quantify physical diversity in robot teams. This tool presents very interesting features, as it can be used in the future to design heterogeneous teams on the basis of the knowledge on other teams.

Efectes de la invasió de la formiga argentina, Linepithema humile (Mayr), sobre el procés de dispersió de llavors de plantes mediterrànies

La formiga invasora Linepithema humile (Mayr), també coneguda com la formiga argentina, és una espècie present a la península Ibèrica. En aquesta tesi s'ha estudiat com afecta la presència d'aquesta espècie plaga a la comunitat de formigues autòctones y al procés de dispersió de llavors de plantes mediterrànies. L'estudi es va dur a terme en una àrea de sureda i brolla d'estepes i bruc boal situada al nord-est peninsular, prop de la línia de costa mediterrània. Un dels primers y més notables efectes de la invasió a les nostres àrees d'estudi és la dramàtica alteració de la comunitat de formigues, en forma de una reducció de la riquesa específica i de la homogeneïtat d'abundàncies. A més, a les zones envaïdes no hi queda cap espècie de formiga autòctona dispersant de llavors. A causa de la gran abundància d'obreres de la formiga argentina a les zones envaïdes, i del seu elevat ritme d'activitat, aquesta espècie efectua un intens rastreig del sòl, la qual cosa li permet localitzar els recursos en un temps menor que les formigues autòctones de les zones no envaïdes. No obstant, la obertura mandibular de la comunitat de formigues esdevé molt disminuïda a les zones envaïdes a causa de la desaparició de les espècies autòctones, la majoria d'elles de mida més grossa que la formiga argentina, la qual cosa podria limitar la capacitat de manipulació de l'entorn que té la comunitat de formigues a les zones envaïdes, i podria explicar la falta de reemplaçament d'alguns dels rols que duien a terme les espècies de formigues autòctones abans de la invasió. La formiga argentina es mostra atreta per les llavors de les nou espècies vegetals estudiades (dues euforbiàcies: Euphorbia biumbellata i E. characias; dues compostes: Cirsium vulgare i Galactites tomentosa; i cinc papilionàcies: Genista linifolia, G. monspessulana, G. triflora, Sarothamnus arboreus i Ulex parviflorus), arribant a transportar i fins i tot introduir al niu algunes llavors, però amb probabilitats inferiors a les realitzades per les formigues autòctones de les zones no envaïdes. No obstant, el seu comportament davant les nou espècies de llavors és variable, de manera que sembla que el seu efecte sobre la dispersió de llavors podria ser diferent per a cada espècie vegetal. L'alteració del procés de dispersió no sembla alterar l'èxit reproductiu d'una espècie concreta, Euphorbia characias, a les zones envaïdes; ni el seu reclutament, ni la distribució espacial, ni la supervivència de les plàntules són significativament diferents a les zones envaïdes que a les no envaïdes. La desaparició de les espècies de formigues granívores de les zones envaïdes pot afectar la dinàmica de les llavors de plantes no mirmecòcores. Així, les llavors de tres papilionàcies (Calicotome spinosa, Psoralea bituminosa i Spartium junceum) resulten amb un menor nivell de transports (i probablement menor depredació) a les zones envaïdes per la formiga argentina.

L'organització de l'activitat conjunta en l'ensenyament escolar dels esports col·lectius

L'estudi de les formes d'organització de l'activitat conjunta en l'ensenyament de la col·laboració tàctica en els esports col·lectius en l'àmbit escolar mostra com a punts de referència teòrica, per un costat aportacions provinents de la psicologia de la instrucció, i per un altre costat aportacions provinents de la didàctica de l' ensenyament de l' educació física i l' esport. Pel que fa al camp de la psicologia, cal situar l'estudi de l'activitat conjunta en una perspectiva constructivista dels processos d'ensenyament i aprenentatge. Aquesta pren com a referents Piaget, Ausubel, ... i molt especialment les aportacions fetes des de la teoria sociohistòrica i cultural per Vigotsky i també per Bruner. Així, conceptes com "mediació semiòtica", "internalització", "intersubjectivitat" i "zona de desenvolupament pròxim" tenen un paper molt rellevant. El que ens interessa en aquest treball és saber com s'ho fan el professor i els alumnes per aconseguir que aquests últims construeixin el seu propi coneixement al voltant del contingut proposat. En aquest sentit les idees de Vigotsky, així com la metàfora de "la bastida" de Bruner, són d'una gran importància. Des del camp de l'ensenyament dels esports col·lectius han pres com a referència bàsica el model d'ensenyament a partir de la tàctica provinent dels treballs de Bunker i Thorpe sobre l'ensenyament "per a la comprensió dels esports col·lectius". Així mateix ens hem guiat per aportacions d'autors com Bayer, Castejón, Riera o DevÍs. Pel que fa al camp de la didàctica, les recerques de Pieron han tingut una influència considerable. Es proposa l'estudi del procés d'ensenyament i aprenentatge esportiu des de l'anàlisi de la "interacció educativa" i de la "influència pedagògica", i molt especialment des de la "interactivitat". En aquest marc destaquen els "mecanismes d'influència educativa", que operen en l'àmbit de la interactivitat i que permeten comprendre com el professor ajusta l'ajuda per afavorir la construcció de coneixement dels alumnes. El nostre treball estudia un dels dos mecanismes descrits pels treballs de Coll i els seus col·laboradors de la Universitat de Barcelona i també corroborats pels treballs dirigits per Vila (Universitat de Girona). En concret, el treball se centra en l'anàlisi del procés de cessió i traspàs de la responsabilitat i del control de l' aprenentatge del professor envers els alumnes. Per això s'empren els nivells i les unitats d'anàlisi proposades per aquests treballs: la seqüència didàctica, la sessió, els segments d'interactivitat i les configuracions de segments d'interactivitat. Així mateix, s'incorpora l'anàlisi de les característiques del contingut, tant pel que fa a la tipologia de les tasques com pel que fa als criteris d' organització i seqüenciació. Es manté la idea que l'organització de l'activitat conjunta entre el professor i els alumnes esta fortament influenciada per les característiques del contingut. Per dur a terme el treball s'ha realitzat una seqüència didàctica de 4 sessions amb 10 alumnes de segon cicle d'ensenyament primari de l' escola "Annexa-Joan Puigbert" de la ciutat de Girona. S'ha enregistrat amb vídeo i amb micròfons sense fils tot el que deien i feien tant el professor com els alumnes durant la seqüència d'ensenyament. Posteriorment s'han transcrit les dades a un "full de transcripció" . Hem analitzat les característiques de la seqüència, de les sessions i del contingut: número de tasques, tipus de tasques, elements que intervenen en les tasques, etc., així com la millora en el comportament tàctic dels alumnes. Igualment s'ha analitzat l'activitat conjunta mitjançant segments d'interactivitat i configuracions de segments d'interactivitat. S'ha estudiat l'evolució dels diferents segments, tant en quantitat com en temps emprat durant la seqüència. I també l'evolució de l'activitat conjunta en diferents tipus de tasques: tasques repetides, tasques-base i les respectives modificacions, etc. Això ens ha permès veure el paper del contingut en l'organització de l' activitat conjunta. Les dades obtingudes permeten corroborar les hipòtesis plantejades en el treball i que tenen a veure amb que: 1. És possible obtenir indicadors sobre el procés de cessió i traspàs del control i de la responsabilitat en una situació d'ensenyament i aprenentatge de la col·laboració tàctica en atac en la iniciació als esports col·lectius. Aquest procés és temporal, gradual i discontinu i no es produeix ni de forma absoluta ni definitiva. 2. És necessari considerar aquest mecanisme en relació amb un segon mecanisme descrit: la construcció d'un sistema cada vegada més ampli i més ric de significats compartits entre el professor i els alumnes al voltant del contingut. Ambdós mecanismes estan interrelacionats i són irreductibles tot i que és possible estudiar-los focalitzant l'atenció en un d'ells. 3. Es constata el paper fonamental del contingut, tant la tipologia com els criteris d'organització i seqüenciació, en l'organització de l'activitat conjunta. Dels resultats obtinguts se'n desprenen algunes conclusions finals que van referides, d'una banda a aspectes d'interès per a futures recerques en aquest camp, i d'altra banda, a aspectes d'interès per a les pràctiques educatives.