Argumentation and artifacts for intelligent multi-agent systems

Reasoning under uncertainty is a human capacity that in software system is necessary and often hidden. Argumentation theory and logic make explicit non-monotonic information in order to enable automatic forms of reasoning under uncertainty. In human organization Distributed Cognition and Activity Theory explain how artifacts are fundamental in all cognitive process. Then, in this thesis we search to understand the use of cognitive artifacts in an new argumentation framework for an agent-based artificial society.

Meta-models, environment and layers: agent-oriented engineering of complex systems

Traditional software engineering approaches and metaphors fall short when applied to areas of growing relevance such as electronic commerce, enterprise resource planning, and mobile computing: such areas, in fact, generally call for open architectures that may evolve dynamically over time so as to accommodate new components and meet new requirements. This is probably one of the main reasons that the agent metaphor and the agent-oriented paradigm are gaining momentum in these areas. This thesis deals with the engineering of complex software systems in terms of the agent paradigm. This paradigm is based on the notions of agent and systems of interacting agents as fundamental abstractions for designing, developing and managing at runtime typically distributed software systems. However, today the engineer often works with technologies that do not support the abstractions used in the design of the systems. For this reason the research on methodologies becomes the basic point in the scientific activity. Currently most agent-oriented methodologies are supported by small teams of academic researchers, and as a result, most of them are in an early stage and still in the first context of mostly \academic" approaches for agent-oriented systems development. Moreover, such methodologies are not well documented and very often defined and presented only by focusing on specific aspects of the methodology. The role played by meta- models becomes fundamental for comparing and evaluating the methodologies. In fact a meta-model specifies the concepts, rules and relationships used to define methodologies. Although it is possible to describe a methodology without an explicit meta-model, formalising the underpinning ideas of the methodology in question is valuable when checking its consistency or planning extensions or modifications. A good meta-model must address all the different aspects of a methodology, i.e. the process to be followed, the work products to be generated and those responsible for making all this happen. In turn, specifying the work products that must be developed implies dening the basic modelling building blocks from which they are built. As a building block, the agent abstraction alone is not enough to fully model all the aspects related to multi-agent systems in a natural way. In particular, different perspectives exist on the role that environment plays within agent systems: however, it is clear at least that all non-agent elements of a multi-agent system are typically considered to be part of the multi-agent system environment. The key role of environment as a first-class abstraction in the engineering of multi-agent system is today generally acknowledged in the multi-agent system community, so environment should be explicitly accounted for in the engineering of multi-agent system, working as a new design dimension for agent-oriented methodologies. At least two main ingredients shape the environment: environment abstractions - entities of the environment encapsulating some functions -, and topology abstractions - entities of environment that represent the (either logical or physical) spatial structure. In addition, the engineering of non-trivial multi-agent systems requires principles and mechanisms for supporting the management of the system representation complexity. These principles lead to the adoption of a multi-layered description, which could be used by designers to provide different levels of abstraction over multi-agent systems. The research in these fields has lead to the formulation of a new version of the SODA methodology where environment abstractions and layering principles are exploited for en- gineering multi-agent systems.

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.

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.

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.

Engineering Agent-Oriented Technologies and Programming Languages for Computer Programming and Software Development

Mainstream hardware is becoming parallel, heterogeneous, and distributed on every desk, every home and in every pocket. As a consequence, in the last years software is having an epochal turn toward concurrency, distribution, interaction which is pushed by the evolution of hardware architectures and the growing of network availability. This calls for introducing further abstraction layers on top of those provided by classical mainstream programming paradigms, to tackle more effectively the new complexities that developers have to face in everyday programming. A convergence it is recognizable in the mainstream toward the adoption of the actor paradigm as a mean to unite object-oriented programming and concurrency. Nevertheless, we argue that the actor paradigm can only be considered a good starting point to provide a more comprehensive response to such a fundamental and radical change in software development. Accordingly, the main objective of this thesis is to propose Agent-Oriented Programming (AOP) as a high-level general purpose programming paradigm, natural evolution of actors and objects, introducing a further level of human-inspired concepts for programming software systems, meant to simplify the design and programming of concurrent, distributed, reactive/interactive programs. To this end, in the dissertation first we construct the required background by studying the state-of-the-art of both actor-oriented and agent-oriented programming, and then we focus on the engineering of integrated programming technologies for developing agent-based systems in their classical application domains: artificial intelligence and distributed artificial intelligence. Then, we shift the perspective moving from the development of intelligent software systems, toward general purpose software development. Using the expertise maturated during the phase of background construction, we introduce a general-purpose programming language named simpAL, which founds its roots on general principles and practices of software development, and at the same time provides an agent-oriented level of abstraction for the engineering of general purpose software systems.

Aureobasidium pullulans as biological control agent: modes of action

The postharvest phase has been considered an environment very suitable for successful application of biological control agents (BCAs). However, the tri-interaction between fungal pathogen, host (fruit) and antagonist is influenced by several parameters such as temperature, oxidative stresses, oxygen composition, water activity, etc. that could be determining for the success of biocontrol. Knowledge of the modes of action of BCAs is essential in order to enhance their viability and increase their potentialities in disease control. The thesis focused on the possibility to explain the modes of action of a biological control agent (BCA): Aureobasidium pullulans, in particular the strains L1 and L8, control effective against fruit postharvest fungal pathogen. In particular in this work were studied the different modes of action of BCA, such as: i) the ability to produce volatile organic compounds (VOCs), identified by SPME- gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and tested by in vitro and in vivo assays against Penicillium spp., Botrytis cinerea, Colletotrichum acutatum; ii) the ability to produce lytic enzymes (exo and endo chitinase and β-1,3-glucanase) tested against Monilinia laxa, causal agent of brown rot of stone fruits. L1 and L8 lytic enzymes were also evaluated through their relative genes by molecular tools; iii) the competition for space and nutrients, such as sugars (sucrose, glucose and fructose) and iron; the latter induced the production of siderophores, molecules with high affinity for iron chelation. A molecular investigation was carried out to better understand the gene regulation strictly correlated to the production of these chelating molucules. The competition for space against M. laxa was verified by electron microscopy techniques; iv) a depth bibliographical analysis on BCAs mechanisms of action and their possible combination with physical and chemical treatments was conducted.

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.

Agent-based simulation for renewable energy incentive design

In this thesis, we propose a novel approach to model the diffusion of residential PV systems. For this purpose, we use an agent-based model where agents are the families living in the area of interest. The case study is the Emilia-Romagna Regional Energy plan, which aims to increase the produc- tion of electricity from renewable energy. So, we study the microdata from the Survey on Household Income and Wealth (SHIW) provided by Bank of Italy in order to obtain the characteristics of families living in Emilia-Romagna. These data have allowed us to artificial generate families and reproduce the socio-economic aspects of the region. The families generated by means of a software are placed on the virtual world by associating them with the buildings. These buildings are acquired by analysing the vector data of regional buildings made available by the region. Each year, the model determines the level of diffusion by simulating the installed capacity. The adoption behaviour is influenced by social interactions, household’s economic situation, the environmental benefits arising from the adoption and the payback period of the investment.

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.

Self-management di malattie croniche in sistemi di mobile Health: sviluppo di un modello agent-based per casi di diabete

L'obiettivo della tesi è proporre e motivare l'adozione di un modello computazionale Agent-Based nell'ambito del Self-Management di malattie croniche in un sistema di mobile Health. Viene quindi affrontata in maniera approfondita la tematica del mobile Health, settore in grande espansione che vede l'introduzione massiccia dei dispositivi mobili (smartphone, tablet, PDA) in ambito sanitario, e quella del Self-Managment di malattie croniche, un processo di cura caratterizzato dalla partecipazione autonoma del paziente stesso, fornendo una panoramica dei vari approcci computazionali sviluppati. Successivamente vengono presentate le peculiarità dei modelli computazionali risultati dalle ricerche in letteratura strumenti innovati nell'ambito. Nel caso di studio viene adottata la tecnica di modellazione Agent-Based per sviluppare un modello a supporto di malati cronici affetti da diabete mellito di tipo 1. Con la successiva implementazione sulla piattaforma di simulazione MASON, vengono eseguiti diversi esperimenti per dimostrare la fattibilità dell’approccio adottato nell'ambito del Self-Management di malattie croniche.