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.

Modelos de simulação espacial de efeitos de pastejo em vegetação campestre

O principal objetivo da tese foi desenvolver um modelo matemático computacional espacialmente explícito, de autômatos celulares (CA), capaz de simular a dinâmica de vegetação campestre sob pastejo, descrita por tipos funcionais de plantas (PFTs), ao invés de espécies. Com dados obtidos a campo, utilizou-se um método recursivo de identificação politética de PFTs a partir de atributos morfológicos das plantas, de forma a expressar máxima correlação com diversidade de espécies. A alternância entre condições experimentais de exposição e exclusão de pastejo permitiu produzir variação em padrões espaciais e temporais da composição da vegetação descrita por esses PFTs. A seguir buscou-se modelar a dinâmica da vegetação. Assumiu-se que a dinâmica da vegetação, embora complexa, pudesse ser simulada a partir de mecanismos relativamente simples incorporados a um modelo CA formado por uma grade de células (comunidades). Cada célula tem uma dada composição de PFTs a qual se altera a cada passo no tempo conforme a composição da própria célula e da vizinhança e matrizes de transição determinadas empiricamente com os dados experimentais. A dinâmica simulada da composição de comunidades excluídas do pastejo mostrou determinismo no sentido de um PFT único, característico daquelas comunidades. A mesma tendência não foi observada nas simulações de comunidades sempre pastejadas. Os resultados indicam uma razoável concordância entre a dinâmica simulada e real, para as comunidades excluídas; e uma discordância para as comunidades sempre pastejadas. Sugere-se que diferenças no arranjo espacial inicial das comunidades motivam falhas do modelo sob pastejo. O Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), na França, vem desenvolvendo um modelo simulador multi-agente espacializado como objetivo de representar realisticamente o manejo da vegetação campestre natural sob diferentes regimes de pastejo. Ele foi concebido como uma ferramenta de pesquisa para explorar o comportamento animal em pastagens heterogêneas Nesse modelo implícito e determinístico, uma definição funcional de três diferentes comunidades vegetais foi introduzida objetivando simular a dinâmica de pastagens multi-espécies. Isto foi feito pela intercambio de parâmetros do modelo com atributos funcionais da comunidade. Do ponto vista conceptual o modelo apresentou boa resposta e parece adequado para simular a dinâmica de uma vegetação campestre por atributos funcionais. O modelo apresentou um bom ajuste aos dados experimentais para alto nível de utilização, mas não tão bom para médio e baixo nível de pastejo, ou seja, comunidades vegetais mais heterogêneas. Reforça-se a idéia de que mais modelos que levem em conta a estrutura horizontal da vegetação são necessários.

Sistema de agentes poligínicos para esteganálise de imagens digitais

In this work, we propose a multi agent system for digital image steganalysis, based on the poliginic bees model. Such approach aims to solve the problem of automatic steganalysis for digital media, with a case study on digital images. The system architecture was designed not only to detect if a file is suspicious of covering a hidden message, as well to extract the hidden message or information regarding it. Several experiments were performed whose results confirm a substantial enhancement (from 67% to 82% success rate) by using the multi-agent approach, fact not observed in traditional systems. An ongoing application using the technique is the detection of anomalies in digital data produced by sensors that capture brain emissions in little animals. The detection of such anomalies can be used to prove theories and evidences of imagery completion during sleep provided by the brain in visual cortex areas

Coordinazione situata: integrazione di Arduino in un middleware basato su tuple

Il concetto di situatedness applicato ad un sistema multi-agente distribuito può essere riformulato come problema di coordinazione fra i componenti del sistema e le risorse ambientali. Per poter garantire e governare la coordinazione delle parti, viene esteso il modello di coordinazione TuCSoN arricchendo il linguaggio di coordinazione e l'architettura per la comunicazione verso l'ambiente introducendo il concetto di artefatto d'ambiente. In questo elaborato viene definita l'estensione Situated ReSpecT, la nuova componente Transducer e la sua interazione con le Probe, tramite un analisi teorica che si conclude con una verifica pratica su piattaforma Arduino.

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.