Applicability of Emergence Engineering to Distributed Systems Scenarios

Genetic Programming can be effectively used to create emergent behavior for a group of autonomous agents. In the process we call Offline Emergence Engineering, the behavior is at first bred in a Genetic Programming environment and then deployed to the agents in the real environment. In this article we shortly describe our approach, introduce an extended behavioral rule syntax, and discuss the impact of the expressiveness of the behavioral description to the generation success, using two scenarios in comparison: the election problem and the distributed critical section problem. We evaluate the results, formulating criteria for the applicability of our approach.

A Language for Interactive Cooperative Agents

Cooperative behaviour of agents within highly dynamic and nondeterministic domains is an active field of research. In particular establishing highly responsive teamwork, where agents are able to react on dynamic changes in the environment while facing unreliable communication and sensory noise, is an open problem. Moreover, modelling such responsive, cooperative behaviour is difficult. In this work, we specify a novel model for cooperative behaviour geared towards highly dynamic domains. In our approach, agents estimate each other’s decision and correct these estimations once they receive contradictory information. We aim at a comprehensive approach for agent teamwork featuring intuitive modelling capabilities for multi-agent activities, abstractions over activities and agents, and a clear operational semantic for the new model. This work encompasses a complete specification of the new language, ALICA.

A Colony Architecture for an Artificial Creature

This report describes a working autonomous mobile robot whose only goal is to collect and return empty soda cans. It operates in an unmodified office environment occupied by moving people. The robot is controlled by a collection of over 40 independent "behaviors'' distributed over a loosely coupled network of 24 processors. Together this ensemble helps the robot locate cans with its laser rangefinder, collect them with its on-board manipulator, and bring them home using a compass and an array of proximity sensors. We discuss the advantages of using such a multi-agent control system and show how to decompose the required tasks into component activities. We also examine the benefits and limitations of spatially local, stateless, and independent computation by the agents.

Programmable Self-Assembly: Constructing Global Shape using Biologically-inspire

In this thesis I present a language for instructing a sheet of identically-programmed, flexible, autonomous agents (``cells'') to assemble themselves into a predetermined global shape, using local interactions. The global shape is described as a folding construction on a continuous sheet, using a set of axioms from paper-folding (origami). I provide a means of automatically deriving the cell program, executed by all cells, from the global shape description. With this language, a wide variety of global shapes and patterns can be synthesized, using only local interactions between identically-programmed cells. Examples include flat layered shapes, all plane Euclidean constructions, and a variety of tessellation patterns. In contrast to approaches based on cellular automata or evolution, the cell program is directly derived from the global shape description and is composed from a small number of biologically-inspired primitives: gradients, neighborhood query, polarity inversion, cell-to-cell contact and flexible folding. The cell programs are robust, without relying on regular cell placement, global coordinates, or synchronous operation and can tolerate a small amount of random cell death. I show that an average cell neighborhood of 15 is sufficient to reliably self-assemble complex shapes and geometric patterns on randomly distributed cells. The language provides many insights into the relationship between local and global descriptions of behavior, such as the advantage of constructive languages, mechanisms for achieving global robustness, and mechanisms for achieving scale-independent shapes from a single cell program. The language suggests a mechanism by which many related shapes can be created by the same cell program, in the manner of D'Arcy Thompson's famous coordinate transformations. The thesis illuminates how complex morphology and pattern can emerge from local interactions, and how one can engineer robust self-assembly.

Reinforcement Learning by Policy Search

One objective of artificial intelligence is to model the behavior of an intelligent agent interacting with its environment. The environment's transformations can be modeled as a Markov chain, whose state is partially observable to the agent and affected by its actions; such processes are known as partially observable Markov decision processes (POMDPs). While the environment's dynamics are assumed to obey certain rules, the agent does not know them and must learn. In this dissertation we focus on the agent's adaptation as captured by the reinforcement learning framework. This means learning a policy---a mapping of observations into actions---based on feedback from the environment. The learning can be viewed as browsing a set of policies while evaluating them by trial through interaction with the environment. The set of policies is constrained by the architecture of the agent's controller. POMDPs require a controller to have a memory. We investigate controllers with memory, including controllers with external memory, finite state controllers and distributed controllers for multi-agent systems. For these various controllers we work out the details of the algorithms which learn by ascending the gradient of expected cumulative reinforcement. Building on statistical learning theory and experiment design theory, a policy evaluation algorithm is developed for the case of experience re-use. We address the question of sufficient experience for uniform convergence of policy evaluation and obtain sample complexity bounds for various estimators. Finally, we demonstrate the performance of the proposed algorithms on several domains, the most complex of which is simulated adaptive packet routing in a telecommunication network.

Building Grounded Abstractions for Artificial Intelligence Programming

Most Artificial Intelligence (AI) work can be characterized as either ``high-level'' (e.g., logical, symbolic) or ``low-level'' (e.g., connectionist networks, behavior-based robotics). Each approach suffers from particular drawbacks. High-level AI uses abstractions that often have no relation to the way real, biological brains work. Low-level AI, on the other hand, tends to lack the powerful abstractions that are needed to express complex structures and relationships. I have tried to combine the best features of both approaches, by building a set of programming abstractions defined in terms of simple, biologically plausible components. At the ``ground level'', I define a primitive, perceptron-like computational unit. I then show how more abstract computational units may be implemented in terms of the primitive units, and show the utility of the abstract units in sample networks. The new units make it possible to build networks using concepts such as long-term memories, short-term memories, and frames. As a demonstration of these abstractions, I have implemented a simulator for ``creatures'' controlled by a network of abstract units. The creatures exist in a simple 2D world, and exhibit behaviors such as catching mobile prey and sorting colored blocks into matching boxes. This program demonstrates that it is possible to build systems that can interact effectively with a dynamic physical environment, yet use symbolic representations to control aspects of their behavior.

Interaction and Intelligent Behavior

We introduce basic behaviors as primitives for control and learning in situated, embodied agents interacting in complex domains. We propose methods for selecting, formally specifying, algorithmically implementing, empirically evaluating, and combining behaviors from a basic set. We also introduce a general methodology for automatically constructing higher--level behaviors by learning to select from this set. Based on a formulation of reinforcement learning using conditions, behaviors, and shaped reinforcement, out approach makes behavior selection learnable in noisy, uncertain environments with stochastic dynamics. All described ideas are validated with groups of up to 20 mobile robots performing safe--wandering, following, aggregation, dispersion, homing, flocking, foraging, and learning to forage.

Adaption of Courses and Learning Environment to the User Context in dotLRN

The explosive growth of Internet during the last years has been reflected in the ever-increasing amount of the diversity and heterogeneity of user preferences, types and features of devices and access networks. Usually the heterogeneity in the context of the users which request Web contents is not taken into account by the servers that deliver them implying that these contents will not always suit their needs. In the particular case of e-learning platforms this issue is especially critical due to the fact that it puts at stake the knowledge acquired by their users. In the following paper we present a system that aims to provide the dotLRN e-learning platform with the capability to adapt to its users context. By integrating dotLRN with a multi-agent hypermedia system, online courses being undertaken by students as well as their learning environment are adapted in real time

Automatic self-configuration of the logical network using distributed software agents

We present a system for dynamic network resource configuration in environments with bandwidth reservation. The proposed system is completely distributed and automates the mechanisms for adapting the logical network to the offered load. The system is able to manage dynamically a logical network such as a virtual path network in ATM or a label switched path network in MPLS or GMPLS. The system design and implementation is based on a multi-agent system (MAS) which make the decisions of when and how to change a logical path. Despite the lack of a centralised global network view, results show that MAS manages the network resources effectively, reducing the connection blocking probability and, therefore, achieving better utilisation of network resources. We also include details of its architecture and implementation

Dynamic bandwidth management as part of an integrated network management system based on distributed agents

We present a system for dynamic network resource configuration in environments with bandwidth reservation and path restoration mechanisms. Our focus is on the dynamic bandwidth management results, although the main goal of the system is the integration of the different mechanisms that manage the reserved paths (bandwidth, restoration, and spare capacity planning). The objective is to avoid conflicts between these mechanisms. The system is able to dynamically manage a logical network such as a virtual path network in ATM or a label switch path network in MPLS. This system has been designed to be modular in the sense that in can be activated or deactivated, and it can be applied only in a sub-network. The system design and implementation is based on a multi-agent system (MAS). We also included details of its architecture and implementation

Dissolution of Dynamic Electronic Institutions, a first approach: Relevant factors and causes

In the context of the digital business ecosystems, small organizations cooperate between them in order to achieve common goals or offer new services for expanding their markets. There are different approaches for these cooperation models such as virtual enterprises, virtual organizations or dynamic electronic institutions which in their lifecycle have in common a dissolution phase. However this phase has not been studied deeply in the current literature and it lacks formalization. In this paper a first approach for achieving and managing the dissolution phase is proposed, as well as a CBR process in order to support it in a multi-agent system

Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer

Aquest projecte titulat: “Disseny de controladors òptims per al robot Pioneer”, té com a funció incloure en la recerca, que ja està iniciada, del control del Robot Pioneer 2DX, una nova versió d’agents go to per al funcionament del robot. La problemàtica que ens trobem és sobretot per al primer controlador. Fins ara el sistema multi-agent fet, feia servir un agent go to que generava la trajectòria a seguir i la controlava mitjançant un PID. Introduint un mètode geomètric com és el cas del pure pursuit la cosa es complica ja que és més complex l’ajustament del funcionament d’aquest. Centrant-nos en canvi el cas del segon controlador el problema es simplifica ja que l’ajustatge d’aquest mateix es pot realitzar de manera empírica i la problemàtica per a la situació en concret es millora amb major facilitat. És per aquest motiu, sobretot pel primer controlador, que s’han hagut de realitzar algunes modificacions en el plantejament del projecte al llarg d’aquest. En un principi estava pensat crear aquest controlador a través de Matlab® mitjançant l’eina Simulink® però per problemes de software en un moment donat hem hagut de redirigir el projecte cap al llenguatge base de l’estructura multi-agent com és el C++. Per aquest motiu també s’ha hagut de prescindir de la implementació d’aquests també en l’estructura LabView®.

Management of industrial wastewater discharges in river basins through agents'argumentation

La gestió de l'aigua residual és una tasca complexa. Hi ha moltes substàncies contaminants conegudes però encara moltes per conèixer, i el seu efecte individual o col·lgectiu és difícil de predir. La identificació i avaluació dels impactes ambientals resultants de la interacció entre els sistemes naturals i socials és un assumpte multicriteri. Els gestors ambientals necessiten eines de suport pels seus diagnòstics per tal de solucionar problemes ambientals. Les contribucions d'aquest treball de recerca són dobles: primer, proposar l'ús d'un enfoc basat en la modelització amb agents per tal de conceptualitzar i integrar tots els elements que estan directament o indirectament involucrats en la gestió de l'aigua residual. Segon, proposar un marc basat en l'argumentació amb l'objectiu de permetre als agents raonar efectivament. La tesi conté alguns exemples reals per tal de mostrar com un marc basat amb agents que argumenten pot suportar diferents interessos i diferents perspectives. Conseqüentment, pot ajudar a construir un diàleg més informat i efectiu i per tant descriure millor les interaccions entre els agents. En aquest document es descriu primer el context estudiat, escalant el problema global de la gestió de la conca fluvial a la gestiódel sistema urbà d'aigües residuals, concretament l'escenari dels abocaments industrials. A continuació, s'analitza el sistema mitjançant la descripció d'agents que interaccionen. Finalment, es descriuen alguns prototips capaços de raonar i deliberar, basats en la lògica no monòtona i en un llenguatge declaratiu (answer set programming). És important remarcar que aquesta tesi enllaça dues disciplines: l'enginyeria ambiental (concretament l'àrea de la gestió de les aigües residuals) i les ciències de la computació (concretament l'àrea de la intel·ligència artificial), contribuint així a la multidisciplinarietat requerida per fer front al problema estudiat. L'enginyeria ambiental ens proporciona el coneixement del domini mentre que les ciències de la computació ens permeten estructurar i especificar aquest coneixement.

Disseny d'agents físics: inclusió de capacitats específiques per a l'avaluació de l'eficiència d'accions

L'experiència de l'autor en la temàtica d'agents intel·ligents i la seva aplicació als robots que emulen el joc de futbol han donat el bagatge suficient per poder encetar i proposar la temàtica plantejada en aquesta tesi: com fer que un complicat robot pugui treure el màxim suc de l'autoconeixement de l'estructura de control inclosa al seu propi cos físic, i així poder cooperar millor amb d'altres agents per optimitzar el rendiment a l'hora de resoldre problemes de cooperació. Per resoldre aquesta qüestió es proposa incorporar la dinàmica del cos físic en les decisions cooperatives dels agents físics unificant els móns de l'automàtica, la robòtica i la intel·ligència artificial a través de la noció de capacitat: la capacitat vista com a entitat on els enginyers de control dipositen el seu coneixement, i a la vegada la capacitat vista com la utilitat on un agent hi diposita el seu autoconeixement del seu cos físic que ha obtingut per introspecció. En aquesta tesi es presenta l'arquitectura DPAA que s'organitza seguint una jerarquia vertical en tres nivells d'abstracció o mòduls control, supervisor i agent, els quals presenten una estructura interna homogènia que facilita les tasques de disseny de l'agent. Aquests mòduls disposen d'un conjunt específic de capacitats que els permeten avaluar com seran les accions que s'executaran en un futur. En concret, al mòdul de control (baix nivell d'abstracció) les capacitats consisteixen en paràmetres que descriuen el comportament dinàmic i estàtic que resulta d'executar un controlador determinat, és a dir, encapsulen el coneixement de l'enginyer de control. Així, a través dels mecanismes de comunicació entre mòduls aquest coneixement pot anar introduint-se als mecanismes de decisió dels mòduls superiors (supervisor i agent) de forma que quan els paràmetres dinàmics i estàtics indiquin que pot haver-hi problemes a baix nivell, els mòduls superiors es poden responsabilitzar d'inhibir o no l'execució d'algunes accions. Aquest procés top-down intern d'avaluació de la viabilitat d'executar una acció determinada s'anomena procés d'introspecció. Es presenten diversos exemples per tal d'il·lustrar com es pot dissenyar un agent físic amb dinàmica pròpia utilitzant l'arquitectura DPAA com a referent. En concret, es mostra tot el procés a seguir per dissenyar un sistema real format per dos robots en formació de comboi, i es mostra com es pot resoldre el problema de la col·lisió utilitzant les capacitats a partir de les especificacions de disseny de l'arquitectura DPAA. Al cinquè capítol s'hi exposa el procés d'anàlisi i disseny en un domini més complex: un grup de robots que emulen el joc del futbol. Els resultats que s'hi mostren fan referència a l'avaluació de la validesa de l'arquitectura per resoldre el problema de la passada de la pilota. S'hi mostren diversos resultats on es veu que és possible avaluar si una passada de pilota és viable o no. Encara que aquesta possibilitat ja ha estat demostrada en altres treballs, l'aportació d'aquesta tesi està en el fet que és possible avaluar la viabilitat a partir de l'encapsulament de la dinàmica en unes capacitats específiques, és a dir, és possible saber quines seran les característiques de la passada: el temps del xut, la precisió o inclòs la geometria del moviment del robot xutador. Els resultats mostren que la negociació de les condicions de la passada de la pilota és possible a partir de capacitats atòmiques, les quals inclouen informació sobre les característiques de la dinàmica dels controladors. La complexitat del domini proposat fa difícil comparar els resultats amb els altres treballs. Cal tenir present que els resultats mostrats s'han obtingut utilitzant un simulador fet a mida que incorpora les dinàmiques dels motors dels robots i de la pilota. En aquest sentit cal comentar que no existeixen treballs publicats sobre el problema de la passada en què es tingui en compte la dinàmica dels robots. El present treball permet assegurar que la inclusió de paràmetres dinàmics en el conjunt de les capacitats de l'agent físic permet obtenir un millor comportament col·lectiu dels robots, i que aquesta millora es deu al fet que en les etapes de decisió els agents utilitzen informació relativa a la viabilitat sobre les seves accions: aquesta viabilitat es pot calcular a partir del comportament dinàmic dels controladors. De fet, la definició de capacitats a partir de paràmetres dinàmics permet treballar fàcilment amb sistemes autònoms heterogenis: l'agent físic pot ser conscient de les seves capacitats d'actuació a través de mecanismes interns d'introspecció, i això permet que pugui prendre compromisos amb altres agents físics.

Dynamic management and restoration of virtual paths in broadband networks based on distributed software agents

La gestió de xarxes és un camp molt ampli i inclou molts aspectes diferents. Aquesta tesi doctoral està centrada en la gestió dels recursos en les xarxes de banda ampla que disposin de mecanismes per fer reserves de recursos, com per exemple Asynchronous Transfer Mode (ATM) o Multi-Protocol Label Switching (MPLS). Es poden establir xarxes lògiques utilitzant els Virtual Paths (VP) d'ATM o els Label Switched Paths (LSP) de MPLS, als que anomenem genèricament camins lògics. Els usuaris de la xarxa utilitzen doncs aquests camins lògics, que poden tenir recursos assignats, per establir les seves comunicacions. A més, els camins lògics són molt flexibles i les seves característiques es poden canviar dinàmicament. Aquest treball, se centra, en particular, en la gestió dinàmica d'aquesta xarxa lògica per tal de maximitzar-ne el rendiment i adaptar-la a les connexions ofertes. En aquest escenari, hi ha diversos mecanismes que poden afectar i modificar les característiques dels camins lògics (ample de banda, ruta, etc.). Aquests mecanismes inclouen els de balanceig de la càrrega (reassignació d'ample de banda i reencaminament) i els de restauració de fallades (ús de camins lògics de backup). Aquests dos mecanismes poden modificar la xarxa lògica i gestionar els recursos (ample de banda) dels enllaços físics. Per tant, existeix la necessitat de coordinar aquests mecanismes per evitar possibles interferències. La gestió de recursos convencional que fa ús de la xarxa lògica, recalcula periòdicament (per exemple cada hora o cada dia) tota la xarxa lògica d'una forma centralitzada. Això introdueix el problema que els reajustaments de la xarxa lògica no es realitzen en el moment en què realment hi ha problemes. D'altra banda també introdueix la necessitat de mantenir una visió centralitzada de tota la xarxa. En aquesta tesi, es proposa una arquitectura distribuïda basada en un sistema multi agent. L'objectiu principal d'aquesta arquitectura és realitzar de forma conjunta i coordinada la gestió de recursos a nivell de xarxa lògica, integrant els mecanismes de reajustament d'ample de banda amb els mecanismes de restauració preplanejada, inclosa la gestió de l'ample de banda reservada per a la restauració. Es proposa que aquesta gestió es porti a terme d'una forma contínua, no periòdica, actuant quan es detecta el problema (quan un camí lògic està congestionat, o sigui, quan està rebutjant peticions de connexió dels usuaris perquè està saturat) i d'una forma completament distribuïda, o sigui, sense mantenir una visió global de la xarxa. Així doncs, l'arquitectura proposada realitza petits rearranjaments a la xarxa lògica adaptant-la d'una forma contínua a la demanda dels usuaris. L'arquitectura proposada també té en consideració altres objectius com l'escalabilitat, la modularitat, la robustesa, la flexibilitat i la simplicitat. El sistema multi agent proposat està estructurat en dues capes d'agents: els agents de monitorització (M) i els de rendiment (P). Aquests agents estan situats en els diferents nodes de la xarxa: hi ha un agent P i diversos agents M a cada node; aquests últims subordinats als P. Per tant l'arquitectura proposada es pot veure com una jerarquia d'agents. Cada agent és responsable de monitoritzar i controlar els recursos als que està assignat. S'han realitzat diferents experiments utilitzant un simulador distribuït a nivell de connexió proposat per nosaltres mateixos. Els resultats mostren que l'arquitectura proposada és capaç de realitzar les tasques assignades de detecció de la congestió, reassignació dinàmica d'ample de banda i reencaminament d'una forma coordinada amb els mecanismes de restauració preplanejada i gestió de l'ample de banda reservat per la restauració. L'arquitectura distribuïda ofereix una escalabilitat i robustesa acceptables gràcies a la seva flexibilitat i modularitat.