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.

WINDOWS 10 IoT SU RASPBERRY PI 2: MULTI-PARADIGM PROGRAMMING TRA JAVA E C#

Questa tesi ha come obiettivo la sperimentazione del nuovo sistema operativo Windows 10 IoT Core su tecnologia Raspberry Pi 2, verificandone la compatibilita con alcuni sensori in commercio. Tale studio viene poi applicato in un contesto di Home Intelligence al fine di creare un agente per la gestione di luci LED, in prospettiva della sua integrazione nel sistema prototipale Home Manager.

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.

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.

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.

Reuse Mechanisms and Concurrency: From Actors to Agent-Oriented Programming

La presente tesi è dedicata al riuso nel software. Eccettuata un'introduzione organica al tema, l'analisi è a livello dei meccanismi offerti dai linguaggi di programmazione e delle tecniche di sviluppo, con speciale attenzione rivolta al tema della concorrenza. Il primo capitolo fornisce un quadro generale nel quale il riuso del software è descritto, assieme alle ragioni che ne determinano l'importanza e ai punti cruciali relativi alla sua attuazione. Si individuano diversi livelli di riuso sulla base dell'astrazione e degli artefatti in gioco, e si sottolinea come i linguaggi contribuiscano alla riusabilità e alla realizzazione del riuso. In seguito, viene esplorato, con esempi di codice, il supporto al riuso da parte del paradigma ad oggetti, in termini di incapsulamento, ereditarietà, polimorfismo, composizione. La trattazione prosegue analizzando differenti feature – tipizzazione, interfacce, mixin, generics – offerte da vari linguaggi di programmazione, mostrando come esse intervengano sulla riusabilità dei componenti software. A chiudere il capitolo, qualche parola contestualizzata sull'inversione di controllo, la programmazione orientata agli aspetti, e il meccanismo della delega. Il secondo capitolo abbraccia il tema della concorrenza. Dopo aver introdotto l'argomento, vengono approfonditi alcuni significativi modelli di concorrenza: programmazione multi-threaded, task nel linguaggio Ada, SCOOP, modello ad Attori. Essi vengono descritti negli elementi fondamentali e ne vengono evidenziati gli aspetti cruciali in termini di contributo al riuso, con esempi di codice. Relativamente al modello ad Attori, viene presentata la sua implementazione in Scala/Akka come caso studio. Infine, viene esaminato il problema dell'inheritance anomaly, sulla base di esempi e delle tre classi principali di anomalia, e si analizza la suscettibilità del supporto di concorrenza di Scala/Akka a riscontrare tali problemi. Inoltre, in questo capitolo si nota come alcuni aspetti relativi al binomio riuso/concorrenza, tra cui il significato profondo dello stesso, non siano ancora stati adeguatamente affrontati dalla comunità informatica. Il terzo e ultimo capitolo esordisce con una panoramica dell'agent-oriented programming, prendendo il linguaggio simpAL come riferimento. In seguito, si prova ad estendere al caso degli agenti la nozione di riuso approfondita nei capitoli precedenti.

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.

New integer programming models for balanced multi-country kep

Le persone che soffrono di insufficienza renale terminale hanno due possibili trattamenti da affrontare: la dialisi oppure il trapianto di organo. Nel caso volessero seguire la seconda strada, oltre che essere inseriti nella lista d'attesa dei donatori deceduti, possono trovare una persona, come il coniuge, un parente o un amico, disposta a donare il proprio rene. Tuttavia, non sempre il trapianto è fattibile: donatore e ricevente possono, infatti, presentare delle incompatibilità a livello di gruppo sanguigno o di tessuto organico. Come risposta a questo tipo di problema nasce il KEP (Kidney Exchange Program), un programma, ampiamente avviato in diverse realtà europee e mondiali, che si occupa di raggruppare in un unico insieme le coppie donatore/ricevente in questa stessa situazione al fine di operare e massimizzare scambi incrociati di reni fra coppie compatibili. Questa tesi approffondisce tale questione andando a valutare la possibilità di unire in un unico insieme internazionale coppie donatore/ricevente provenienti da più paesi. Lo scopo, naturalmente, è quello di poter ottenere un numero sempre maggiore di trapianti effettuati. Lo studio affronta dal punto di vista matematico problematiche legate a tale collaborazione: i paesi che eventualmente accettassero di partecipare a un simile programma, infatti, devono avere la garanzia non solo di ricavarne un vantaggio, ma anche che tale vantaggio sia equamente distribuito fra tutti i paesi partecipanti.

Engineering Concurrent and Event-driven Web Apps: An Agent-Oriented Approach based on the simpAL Language

Web is constantly evolving, thanks to the 2.0 transition, HTML5 new features and the coming of cloud-computing, the gap between Web and traditional desktop applications is tailing off. Web-apps are more and more widespread and bring several benefits compared to traditional ones. On the other hand reference technologies, JavaScript primarly, are not keeping pace, so a paradim shift is taking place in Web programming, and so many new languages and technologies are coming out. First objective of this thesis is to survey the reference and state-of-art technologies for client-side Web programming focusing in particular on what concerns concurrency and asynchronous programming. Taking into account the problems that affect existing technologies, we finally design simpAL-web, an innovative approach to tackle Web-apps development, based on the Agent-oriented programming abstraction and the simpAL language. == Versione in italiano: Il Web è in continua evoluzione, grazie alla transizione verso il 2.0, alle nuove funzionalità introdotte con HTML5 ed all’avvento del cloud-computing, il divario tra le applicazioni Web e quelle desktop tradizionali va assottigliandosi. Le Web-apps sono sempre più diffuse e presentano diversi vantaggi rispetto a quelle tradizionali. D’altra parte le tecnologie di riferimento, JavaScript in primis, non stanno tenendo il passo, motivo per cui la programmazione Web sta andando incontro ad un cambio di paradigma e nuovi linguaggi e tecnologie stanno spuntando sempre più numerosi. Primo obiettivo di questa tesi è di passare al vaglio le tecnologie di riferimento ed allo stato dell’arte per quel che riguarda la programmmazione Web client-side, porgendo particolare attenzione agli aspetti inerenti la concorrenza e la programmazione asincrona. Considerando i principali problemi di cui soffrono le attuali tecnologie passeremo infine alla progettazione di simpAL-web, un approccio innovativo con cui affrontare lo sviluppo di Web-apps basato sulla programmazione orientata agli Agenti e sul linguaggio simpAL.

Groupme: city data and multi-preference activity allocation

Classic group recommender systems focus on providing suggestions for a fixed group of people. Our work tries to give an inside look at design- ing a new recommender system that is capable of making suggestions for a sequence of activities, dividing people in subgroups, in order to boost over- all group satisfaction. However, this idea increases problem complexity in more dimensions and creates great challenge to the algorithm’s performance. To understand the e↵ectiveness, due to the enhanced complexity and pre- cise problem solving, we implemented an experimental system from data collected from a variety of web services concerning the city of Paris. The sys- tem recommends activities to a group of users from two di↵erent approaches: Local Search and Constraint Programming. The general results show that the number of subgroups can significantly influence the Constraint Program- ming Approaches’s computational time and e�cacy. Generally, Local Search can find results much quicker than Constraint Programming. Over a lengthy period of time, Local Search performs better than Constraint Programming, with similar final results.

Programmazione di sistemi multi-agente: la piattaforma Jason come caso di studio

L’obiettivo principale di questo elaborato è di mostrare in un primo momento i concetti fondamentali che stanno alla base del paradigma ad agenti. Una volta introdotti, essi verranno collocati in un determinato ambiente di programmazione attraverso una piattaforma specifica chiamata Jason. Come sarà facile capire dalla lettura di questa trattazione, un sistema ad agenti è costituito dagli agenti stessi e dall’ambiente in cui sono situati. L’ambiente risulta quindi un altro tassello fondamentale ed è stato introdotto allo scopo un nuovo paradigma per la programmazione di ambienti chiamato Agent & Artifact. Nello specifico, verrà ampiamente descritto il framework di riferimento di tale paradigma: CArtAgO. Dopo aver illustrato i concetti e gli strumenti per poter agilmente programmare e progettare sistemi ad agenti, verrà infine mostrato un esempio di applicazione di tale tecnologia attraverso un case study. Il progetto del sistema in questione riguarda un reale caso aziendale e integra la tecnologia RFID con quella ad agenti per fornire la soluzione ad un problema noto come quello del controllo periodico delle scorte.

Programmazione ad Agenti - Un Caso di Studio nel Linguaggio Sarl

Agent-oriented programming (AOP) è un paradigma di programmazione che concepisce un software come insieme di agenti che possiedono caratteristiche di autonomia, proattività e che sono in grado di comunicare con altri agenti. Sebbene sia stato impiegato soprattutto nell'ambito dell'intelligenza artificiale questo tipo di programmazione si rivela utile per lo sviluppo di sistemi distribuiti riuscendo a gestire agilmente problemi di concorrenza. Lo scopo di questa tesi è analizzare le caratteristiche del paradigma e dei software basati su agenti, utilizzando come caso di studio Sarl, un linguaggio general-purpose molto recente. La parte principale del lavoro consiste nella descrizione dei modelli teorici che hanno portato alla nascita della programmazione ad agenti, in particolare del modello BDI, e dei principali framework per lo sviluppo di sistemi multi-agente.