Multi-Robot Task Allocation for Inspection Problems with Cooperative Tasks Using Hybrid Genetic Algorithms

In dieser Dissertation werden Methoden zur optimalen Aufgabenverteilung in Multirobotersystemen (engl. Multi-Robot Task Allocation – MRTA) zur Inspektion von Industrieanlagen untersucht. MRTA umfasst die Verteilung und Ablaufplanung von Aufgaben für eine Gruppe von Robotern unter Berücksichtigung von operativen Randbedingungen mit dem Ziel, die Gesamteinsatzkosten zu minimieren. Dank zunehmendem technischen Fortschritt und sinkenden Technologiekosten ist das Interesse an mobilen Robotern für den Industrieeinsatz in den letzten Jahren stark gestiegen. Viele Arbeiten konzentrieren sich auf Probleme der Mobilität wie Selbstlokalisierung und Kartierung, aber nur wenige Arbeiten untersuchen die optimale Aufgabenverteilung. Da sich mit einer guten Aufgabenverteilung eine effizientere Planung erreichen lässt (z. B. niedrigere Kosten, kürzere Ausführungszeit), ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von Lösungsmethoden für das aus Inspektionsaufgaben mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben folgende Such-/Optimierungsproblem. Ein neuartiger hybrider Genetischer Algorithmus wird vorgestellt, der einen teilbevölkerungbasierten Genetischen Algorithmus zur globalen Optimierung mit lokalen Suchheuristiken kombiniert. Zur Beschleunigung dieses Algorithmus werden auf die fittesten Individuen einer Generation lokale Suchoperatoren angewendet. Der vorgestellte Algorithmus verteilt die Aufgaben nicht nur einfach und legt den Ablauf fest, sondern er bildet auch temporäre Roboterverbünde für Zweiroboteraufgaben, wodurch räumliche und zeitliche Randbedingungen entstehen. Vier alternative Kodierungsstrategien werden für den vorgestellten Algorithmus entworfen: Teilaufgabenbasierte Kodierung: Hierdurch werden alle möglichen Lösungen abgedeckt, allerdings ist der Suchraum sehr groß. Aufgabenbasierte Kodierung: Zwei Möglichkeiten zur Zuweisung von Zweiroboteraufgaben wurden implementiert, um die Effizienz des Algorithmus zu steigern. Gruppierungsbasierte Kodierung: Zeitliche Randbedingungen zur Gruppierung von Aufgaben werden vorgestellt, um gute Lösungen innerhalb einer kleinen Anzahl von Generationen zu erhalten. Zwei Umsetzungsvarianten werden vorgestellt. Dekompositionsbasierte Kodierung: Drei geometrische Zerlegungen wurden entworfen, die Informationen über die räumliche Anordnung ausnutzen, um Probleme zu lösen, die Inspektionsgebiete mit rechteckigen Geometrien aufweisen. In Simulationsstudien wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen hybriden Genetischen Algorithmen untersucht. Dazu wurde die Inspektion von Tanklagern einer Erdölraffinerie mit einer Gruppe homogener Inspektionsroboter als Anwendungsfall gewählt. Die Simulationen zeigen, dass Kodierungsstrategien, die auf der geometrischen Zerlegung basieren, bei einer kleinen Anzahl an Generationen eine bessere Lösung finden können als die anderen untersuchten Strategien. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Einzel- und Zweiroboteraufgaben, die entweder von einem einzelnen mobilen Roboter erledigt werden können oder die Zusammenarbeit von zwei Robotern erfordern. Eine Erweiterung des entwickelten Algorithmus zur Behandlung von Aufgaben, die mehr als zwei Roboter erfordern, ist möglich, würde aber die Komplexität der Optimierungsaufgabe deutlich vergrößern.

The Dirichlet distribution with respect to the Aitchison measure on the simplex - a first approach

The algebraic-geometric structure of the simplex, known as Aitchison geometry, is used to look at the Dirichlet family of distributions from a new perspective. A classical Dirichlet density function is expressed with respect to the Lebesgue measure on real space. We propose here to change this measure by the Aitchison measure on the simplex, and study some properties and characteristic measures of the resulting density

A new distribution on the simplex containing the Dirichlet family

The Dirichlet family owes its privileged status within simplex distributions to easyness of interpretation and good mathematical properties. In particular, we recall fundamental properties for the analysis of compositional data such as closure under amalgamation and subcomposition. From a probabilistic point of view, it is characterised (uniquely) by a variety of independence relationships which makes it indisputably the reference model for expressing the non trivial idea of substantial independence for compositions. Indeed, its well known inadequacy as a general model for compositional data stems from such an independence structure together with the poorness of its parametrisation. In this paper a new class of distributions (called Flexible Dirichlet) capable of handling various dependence structures and containing the Dirichlet as a special case is presented. The new model exhibits a considerably richer parametrisation which, for example, allows to model the means and (part of) the variance-covariance matrix separately. Moreover, such a model preserves some good mathematical properties of the Dirichlet, i.e. closure under amalgamation and subcomposition with new parameters simply related to the parent composition parameters. Furthermore, the joint and conditional distributions of subcompositions and relative totals can be expressed as simple mixtures of two Flexible Dirichlet distributions. The basis generating the Flexible Dirichlet, though keeping compositional invariance, shows a dependence structure which allows various forms of partitional dependence to be contemplated by the model (e.g. non-neutrality, subcompositional dependence and subcompositional non-invariance), independence cases being identified by suitable parameter configurations. In particular, within this model substantial independence among subsets of components of the composition naturally occurs when the subsets have a Dirichlet distribution

Bandwidth allocation based on real time calculations using the convolution approach

This paper focuses on one of the methods for bandwidth allocation in an ATM network: the convolution approach. The convolution approach permits an accurate study of the system load in statistical terms by accumulated calculations, since probabilistic results of the bandwidth allocation can be obtained. Nevertheless, the convolution approach has a high cost in terms of calculation and storage requirements. This aspect makes real-time calculations difficult, so many authors do not consider this approach. With the aim of reducing the cost we propose to use the multinomial distribution function: the enhanced convolution approach (ECA). This permits direct computation of the associated probabilities of the instantaneous bandwidth requirements and makes a simple deconvolution process possible. The ECA is used in connection acceptance control, and some results are presented

Allocation rules on networks

When allocating a resource, geographical and infrastructural constraints have to be taken into account. We study the problem of distributing a resource through a network from sources endowed with the resource to citizens with claims. A link between a source and an agent depicts the possibility of a transfer from the source to the agent. Given the supplies at each source, the claims of citizens, and the network, the question is how to allocate the available resources among the citizens. We consider a simple allocation problem that is free of network constraints, where the total amount can be freely distributed. The simple allocation problem is a claims problem where the total amount of claims is greater than what is available. We focus on consistent and resource monotonic rules in claims problems that satisfy equal treatment of equals. We call these rules fairness principles and we extend fairness principles to allocation rules on networks. We require that for each pair of citizens in the network, the extension is robust with respect to the fairness principle. We call this condition pairwise robustness with respect to the fairness principle. We provide an algorithm and show that each fairness principle has a unique extension which is pairwise robust with respect to the fairness principle. We give applications of the algorithm for three fairness principles: egalitarianism, proportionality and equal sacrifice.

Gender differences in time allocation of poor children in Colombia

This paper studies the effect of credit constraints and constraints on transfers between parents and children, on differences in labor and schooling across children within the same household, with an application to gender. When families are unconstrained in these respects, differences in labor supply or education are driven by differences in wages or returns to education. If the family faces an imperfect capital market, the labor supply of each child is inefficient, but differences across children are still driven by comparative advantage. However, if interfamily transfers are constrained so that parents cannot offset inequality between their children, they will favor the human capital accumulation of the more disadvantaged child -generally the one who works more as a child. We use our theory to examine the gender gap in child labor. Using a sample of poor families in Colombia, we conform our predictions among rural households, although this is less clear for urban households. The gender gap is largely explained by the wage gap between girls and boys. Moreover, families with the potential to make capital transfers to adult children (e.g. those with large animals), can compensate adult sons for their greater child labor and reduced educational attainment. In such families, as predicted, the male/female labor gap is greater.

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.

Robustness on resource allocation problems

En problemes d'assignació de recursos, normalment s'han de tenir en compte les incerteses que poden provocar canvis en les dades inicials. Aquests canvis dificulten l'aplicabilitat de les planificacions que s'hagin fet inicialment. Aquesta tesi se centra en l'elaboració de tècniques que consideren la incertesa alhora de cercar solucions robustes, és a dir solucions que puguin continuar essent vàlides encara que hi hagi canvis en l'entorn. Particularment, introduïm el concepte de robustesa basat en reparabilitat, on una solució robusta és una que pot ser reparada fàcilment en cas que hi hagi incidències. La nostra aproximació es basa en lògica proposicional, codificant el problema en una fórmula de satisfactibilitat Booleana, i aplicant tècniques de reformulació per a la generació de solucions robustes. També presentem un mecanisme per a incorporar flexibilitat a les solucions robustes, de manera que es pugui establir fàcilment el grau desitjat entre robustesa i optimalitat de les solucions.

Allocation of GHG emissions in a paper mill, an application tool to reduce emissions

El sector de pasta i paper és considerat un dels set sectors industrials més intensius en consum energètic. La producció i consum d'electricitat i de vapor esdevenen les fonts majoritàries d'emissions de gasos d'efecte hivernacle en aquest sector industrial. Les fàbriques papereres poden assolir objectius de reducció d'emissions mitjançant reducció en origen (substitució de combustibles, introducció d'energies renovables) o bé a partir de mesures d'eficiència energètica en el propi procés. En aquest context, s'ha desenvolupat un mètode de distribució d'emissions que permet assignar a cada unitat d'operació del procés paperer, el seu grau de responsabilitat en emissions. També s'han avaluat diferents mètodes de càlcul de factors d'emissió de vapor i electricitat, tant per plantes de cogeneració com per sistemes individuals. A partir d'aquesta avaluació s'han proposat nous mètodes alternatius als analitzats. Aquests mètodes i els factors d'emissions s'han aplicat a dues fàbriques papereres catalanes.