Modelling and simulating in systems biology: an approach based on multi-agent systems

Systems Biology is an innovative way of doing biology recently raised in bio-informatics contexts, characterised by the study of biological systems as complex systems with a strong focus on the system level and on the interaction dimension. In other words, the objective is to understand biological systems as a whole, putting on the foreground not only the study of the individual parts as standalone parts, but also of their interaction and of the global properties that emerge at the system level by means of the interaction among the parts. This thesis focuses on the adoption of multi-agent systems (MAS) as a suitable paradigm for Systems Biology, for developing models and simulation of complex biological systems. Multi-agent system have been recently introduced in informatics context as a suitabe paradigm for modelling and engineering complex systems. Roughly speaking, a MAS can be conceived as a set of autonomous and interacting entities, called agents, situated in some kind of nvironment, where they fruitfully interact and coordinate so as to obtain a coherent global system behaviour. The claim of this work is that the general properties of MAS make them an effective approach for modelling and building simulations of complex biological systems, following the methodological principles identified by Systems Biology. In particular, the thesis focuses on cell populations as biological systems. In order to support the claim, the thesis introduces and describes (i) a MAS-based model conceived for modelling the dynamics of systems of cells interacting inside cell environment called niches. (ii) a computational tool, developed for implementing the models and executing the simulations. The tool is meant to work as a kind of virtual laboratory, on top of which kinds of virtual experiments can be performed, characterised by the definition and execution of specific models implemented as MASs, so as to support the validation, falsification and improvement of the models through the observation and analysis of the simulations. A hematopoietic stem cell system is taken as reference case study for formulating a specific model and executing virtual experiments.

Tecnologie e framework per la programmazione multi-agente

Negli ultimi anni le tecnologie informatiche sono state al centro di uno sviluppo esponenziale. Fra le incalcolabili innovazioni presentate, ha preso sempre più campo il paradigma per la programmazione ad agenti, che permette la realizzazione di sistemi software complessi, i quali, nell'informatica moderna, ricoprono un ruolo di fondamentale importanza. Questi sistemi, denominati autonomi, mostrano caratteristiche interessanti per scenari dinamici; essi infatti devono essere robusti e resistenti, in grado di adattarsi al contesto ambientale e quindi reagire a determinate modifiche che si verificano nell'ambiente, comportandosi di conseguenza. Indicano perciò la pro-attività dell'entità presa in considerazione. In questa tesi saranno spiegate queste tipologie di sistemi, introdotte le loro caratteristiche e mostrate le loro potenzialità. Tali caratteristiche permettono di responsabilizzare i soggetti, rendendo il sistema auto-organizzato, con una migliore scalabilità e modularità, riducendo quindi le elevate esigenze di calcolo. L'organizzazione di questo documento prevede i primi capitoli atti a introdurre il mondo dei sistemi autonomi, partendo dalle definizioni di autonomia e di agenti software, concludendo con i sistemi multi-agenti, allo scopo di permettere al lettore una comprensione adatta ed esaustiva. I successivi capitoli riguardano le fasi di progettazione delle entità prese in esame, le loro forme di standardizzazione e i modelli che possono adottare, tra i quali il più conosciuto, il modello BDI. Ne seguono due diverse metodologie per l'ingegneria del software orientata agli agenti. Si conclude con la presentazione dello stato dell'arte degli ambienti di sviluppo conosciuti, contenente un'esauriente introduzione ad ognuno di essi ed una visione nel mondo del lavoro del loro apporto negli applicativi in commercio. Infine la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sui possibili aspetti futuri.

Gusci temporanei e ricomponibili: Utilizzo di un sistema multi-agente per la generazione di un sistema costruttivo a tasselli planari per superfici a doppia curvatura

Lo scopo della ricerca è quello di sviluppare un metodo di design che integri gli apporti delle diverse discipline di architettura, ingegneria e fabbricazione all’interno del progetto, utilizzando come caso di studio l’uso di una tettonica ad elementi planari in legno per la costruzione di superfici a guscio da utilizzare come padiglioni temporanei. La maniera in cui ci si propone di raggiungere tale scopo è tramite l’utilizzo di un agent based system che funge da mediatore tra i vari obbiettivi che si vogliono considerare, in questo caso tra parametri estetici, legati alla geometria scelta, e di fabbricazione. Si sceglie di applicare questo sistema allo studio di una struttura a guscio, che grazie alla sua naturale rigidezza integra forma e capacità strutturale, tramite una tassellazione planare della superficie stessa. Il sistema studiato si basa sull’algoritmo di circle relaxation, che viene integrato tramite dei comportamenti che tengano conto della curvatura della superficie in questione e altri comportamenti scelti appositamente per agevolare il processo di tassellazione tramite tangent plane intersection. La scelta di studiare elementi planari è finalizzata ad una maggiore facilità di fabbricazione ed assemblaggio prevedendo l’uso di macchine a controllo numerico per la fabbricazione e un assemblaggio interamente a secco e che non necessita di impalcature . Il risultato proposto è quello quindi di un padiglione costituito da elementi planari ricomponibili in legno, con particolare attenzione alla facilità e velocità di montaggio degli stessi, utile per possibili strutture temporanee e/o di emergenza.

Mobile TuCSoN: theoretical and technological requirements for TuCSoN's porting over Android mobile devices

Communication and coordination are two key-aspects in open distributed agent system, being both responsible for the system’s behaviour integrity. An infrastructure capable to handling these issues, like TuCSoN, should to be able to exploit modern technologies and tools provided by fast software engineering contexts. Thesis aims to demonstrate TuCSoN infrastructure’s abilities to cope new possibilities, hardware and software, offered by mobile technology. The scenarios are going to configure, are related to the distributed nature of multi-agent systems where an agent should be located and runned just on a mobile device. We deal new mobile technology frontiers concerned with smartphones using Android operating system by Google. Analysis and deployment of a distributed agent-based system so described go first to impact with quality and quantity considerations about available resources. Engineering issue at the base of our research is to use TuCSoN against to reduced memory and computing capability of a smartphone, without the loss of functionality, efficiency and integrity for the infrastructure. Thesis work is organized on two fronts simultaneously: the former is the rationalization process of the available hardware and software resources, the latter, totally orthogonal, is the adaptation and optimization process about TuCSoN architecture for an ad-hoc client side release.

BDI agents for Real Time Strategy games

While the use of distributed intelligence has been incrementally spreading in the design of a great number of intelligent systems, the field of Artificial Intelligence in Real Time Strategy games has remained mostly a centralized environment. Despite turn-based games have attained AIs of world-class level, the fast paced nature of RTS games has proven to be a significant obstacle to the quality of its AIs. Chapter 1 introduces RTS games describing their characteristics, mechanics and elements. Chapter 2 introduces Multi-Agent Systems and the use of the Beliefs-Desires-Intentions abstraction, analysing the possibilities given by self-computing properties. In Chapter 3 the current state of AI development in RTS games is analyzed highlighting the struggles of the gaming industry to produce valuable. The focus on improving multiplayer experience has impacted gravely on the quality of the AIs thus leaving them with serious flaws that impair their ability to challenge and entertain players. Chapter 4 explores different aspects of AI development for RTS, evaluating the potential strengths and weaknesses of an agent-based approach and analysing which aspects can benefit the most against centralized AIs. Chapter 5 describes a generic agent-based framework for RTS games where every game entity becomes an agent, each of which having its own knowledge and set of goals. Different aspects of the game, like economy, exploration and warfare are also analysed, and some agent-based solutions are outlined. The possible exploitation of self-computing properties to efficiently organize the agents activity is then inspected. Chapter 6 presents the design and implementation of an AI for an existing Open Source game in beta development stage: 0 a.d., an historical RTS game on ancient warfare which features a modern graphical engine and evolved mechanics. The entities in the conceptual framework are implemented in a new agent-based platform seamlessly nested inside the existing game engine, called ABot, widely described in Chapters 7, 8 and 9. Chapter 10 and 11 include the design and realization of a new agent based language useful for defining behavioural modules for the agents in ABot, paving the way for a wider spectrum of contributors. Chapter 12 concludes the work analysing the outcome of tests meant to evaluate strategies, realism and pure performance, finally drawing conclusions and future works in Chapter 13.

Teoria del consenso e applicazione al problema del coordinamento del moto di robot.

Il sempre crescente numero di applicazioni di reti di sensori, robot cooperanti e formazioni di veicoli, ha fatto sì che le problematiche legate al coordinamento di sistemi multi-agente (MAS) diventassero tra le più studiate nell’ambito della teoria dei controlli. Esistono numerosi approcci per affrontare il problema, spesso profondamente diversi tra loro. La strategia studiata in questa tesi è basata sulla Teoria del Consenso, che ha una natura distribuita e completamente leader-less; inoltre il contenuto informativo scambiato tra gli agenti è ridotto al minimo. I primi 3 capitoli introducono ed analizzano le leggi di interazione (Protocolli di Consenso) che permettono di coordinare un Network di sistemi dinamici. Nel capitolo 4 si pensa all'applicazione della teoria al problema del "loitering" circolare di più robot volanti attorno ad un obiettivo in movimento. Si sviluppa a tale scopo una simulazione in ambiente Matlab/Simulink, che genera le traiettorie di riferimento di raggio e centro impostabili, a partire da qualunque posizione iniziale degli agenti. Tale simulazione è stata utilizzata presso il “Center for Research on Complex Automated Systems” (CASY-DEI Università di Bologna) per implementare il loitering di una rete di quadrirotori "CrazyFlie". I risultati ed il setup di laboratorio sono riportati nel capitolo 5. Sviluppi futuri si concentreranno su algoritmi locali che permettano agli agenti di evitare collisioni durante i transitori: il controllo di collision-avoidance dovrà essere completamente indipendente da quello di consenso, per non snaturare il protocollo di Consenso stesso.

Extending the 2P-Kt ecosystem: CLP and Labelled LP

The ability to create hybrid systems that blend different paradigms has now become a requirement for complex AI systems usually made of more than a component. In this way, it is possible to exploit the advantages of each paradigm and exploit the potential of different approaches such as symbolic and non-symbolic approaches. In particular, symbolic approaches are often exploited for their efficiency, effectiveness and ability to manage large amounts of data, while symbolic approaches are exploited to ensure aspects related to explainability, fairness, and trustworthiness in general. The thesis lies in this context, in particular in the design and development of symbolic technologies that can be easily integrated and interoperable with other AI technologies. 2P-Kt is a symbolic ecosystem developed for this purpose, it provides a logic-programming (LP) engine which can be easily extended and customized to deal with specific needs. The aim of this thesis is to extend 2P-Kt to support constraint logic programming (CLP) as one of the main paradigms for solving highly combinatorial problems given a declarative problem description and a general constraint-propagation engine. A real case study concerning school timetabling is described to show a practical usage of the CLP(FD) library implemented. Since CLP represents only a particular scenario for extending LP to domain-specific scenarios, in this thesis we present also a more general framework: Labelled Prolog, extending LP with labelled terms and in particular labelled variables. The designed framework shows how it is possible to frame all variations and extensions of LP under a single language reducing the huge amount of existing languages and libraries and focusing more on how to manage different domain needs using labels which can be associated with every kind of term. Mapping of CLP into Labeled Prolog is also discussed as well as the benefits of the provided approach.

Il ruolo delle architetture di controllo nella progettazione e sviluppo di applicazioni web: Un confronto fra event-loop e control-loop utilizzando il linguaggio dart e linguaggi agent-oriented

Quando si parla di architetture di controllo in ambito Web, il Modello ad Eventi è indubbiamente quello più diffuso e adottato. L’asincronicità e l’elevata interazione con l’utente sono caratteristiche tipiche delle Web Applications, ed un architettura ad eventi, grazie all’adozione del suo tipico ciclo di controllo chiamato Event Loop, fornisce un'astrazione semplice ma sufficientemente espressiva per soddisfare tali requisiti. La crescita di Internet e delle tecnologie ad esso associate, assieme alle recenti conquiste in ambito di CPU multi-core, ha fornito terreno fertile per lo sviluppo di Web Applications sempre più complesse. Questo aumento di complessità ha portato però alla luce alcuni limiti del modello ad eventi, ancora oggi non del tutto risolti. Con questo lavoro si intende proporre un differente approccio a questa tipologia di problemi, che superi i limiti riscontrati nel modello ad eventi proponendo un architettura diversa, nata in ambito di IA ma che sta guadagno popolarità anche nel general-purpose: il Modello ad Agenti. Le architetture ad agenti adottano un ciclo di controllo simile all’Event Loop del modello ad eventi, ma con alcune profonde differenze: il Control Loop. Lo scopo di questa tesi sarà dunque approfondire le due tipologie di architetture evidenziandone le differenze, mostrando cosa significa affrontare un progetto e lo sviluppo di una Web Applications avendo tecnologie diverse con differenti cicli di controllo, mettendo in luce pregi e difetti dei due approcci.

Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

LQG control policy design against agent identity privacy problem

This thesis project studies the agent identity privacy problem in the scalar linear quadratic Gaussian (LQG) control system. For the agent identity privacy problem in the LQG control, privacy models and privacy measures have to be established first. It depends on a trajectory of correlated data rather than a single observation. I propose here privacy models and the corresponding privacy measures by taking into account the two characteristics. The agent identity is a binary hypothesis: Agent A or Agent B. An eavesdropper is assumed to make a hypothesis testing on the agent identity based on the intercepted environment state sequence. The privacy risk is measured by the Kullback-Leibler divergence between the probability distributions of state sequences under two hypotheses. By taking into account both the accumulative control reward and privacy risk, an optimization problem of the policy of Agent B is formulated. The optimal deterministic privacy-preserving LQG policy of Agent B is a linear mapping. A sufficient condition is given to guarantee that the optimal deterministic privacy-preserving policy is time-invariant in the asymptotic regime. An independent Gaussian random variable cannot improve the performance of Agent B. The numerical experiments justify the theoretic results and illustrate the reward-privacy trade-off. Based on the privacy model and the LQG control model, I have formulated the mathematical problems for the agent identity privacy problem in LQG. The formulated problems address the two design objectives: to maximize the control reward and to minimize the privacy risk. I have conducted theoretic analysis on the LQG control policy in the agent identity privacy problem and the trade-off between the control reward and the privacy risk.Finally, the theoretic results are justified by numerical experiments. From the numerical results, I expected to have some interesting observations and insights, which are explained in the last chapter.