Εισαγωγή στα Συστήματα Πρακτόρων (MAS) Συστήματα Πρακτόρων Εξάμηνο 7 και ΠΜΣ Ασπασία Δασκαλοπούλου

Τάσεις στην ιστορία της πληροφορικής (1) Καθολικότητα –Η συνεχιζόμενη μείωση του κόστους στον υπολογιστικό εξοπλισμό καθιστά δυνατή τη χρήση τεχνολογίας σε κάθε είδους συσκευές καθημερινής χρήσης. Διασύνδεση –Τα πρώτα υπολογιστικά συστήματα λειτουργούσαν μεμονωμένα. Σήμερα πλέον οι ΗΥ διασυνδέονται και σχηματίζουν δίκτυα κατανεμημένης υπολογιστικής δύναμης. Το Internet είναι το πιο προφανές παράδειγμα. Μέχρι πρότινος τα παράλληλα ή τα κατανεμημένα υπολογιστικά συστήματα θεωρούνταν σπάνια και δύσκολα, σήμερα όμως αποτελούν τον κανόνα τόσο στην έρευνα όσο και στη βιομηχανία. Απαιτούνται νέες θεωρίες υπολογισμού ώστε να αναλύεται και να εξηγείται η διαδικασία του υπολογισμού ως αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης. Νοημοσύνη –Οι εργασίες που αναθέτουμε στους ΗΥ είναι αυξανόμενης πολυπλοκότητας και απαιτούν ολοένα και περισσότερο ευφυή συστήματα. Γινόμαστε συνεχώς καλύτεροι στην κατασκευή τέτοιων συστημάτων.

Τάσεις στην ιστορία της πληροφορικής (2) Μεταβίβαση/ανάθεση –Αυξάνεται ο αριθμός και το είδος των εργασιών που αναθέτουμε στους ΗΥ σε τομείς που μέχρι πρότινος μόνο φανταζόμασταν, π.χ. Αναθέτουμε σε ΗΥ δραστηριότητες κρίσιμης ασφάλειας όπως η πλοήγηση αεροσκαφών, ο έλεγχος πυρηνικών αντιδραστήρων, η ρύθμιση της οδικής κυκλοφορίας, η διαχείριση φυσικών πόρων. Πολλές φορές, όπως στην πλοήγηση αεροσκάφους, εμπιστευόμαστε περισσότερο την κρίση του ΗΥ παρά του ανθρώπου-χειριστή. Η ανάθεση εργασιών σε ΗΥ συνεπάγεται και ανάθεση ελέγχου σε αυτούς. Ανθρωποκεντρισμός –Απομακρυνόμαστε από μηχανοκεντρικές απόψεις για τον προγραμματισμό προς απόψεις που προσεγγίζουν περισσότερο τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε εμείς τα πράγματα. Π.χ. Παλιότερα χρησιμοποιούσαμε command line interfaces, διαδικασιακές γλώσσες προγραμματισμού, σήμερα GUI και δηλωσιακές γλώσσες προγραμματισμού.

Νέες προκλήσεις για την πληροφορική Global computing (καθολικός υπολογισμός) –Τι τεχνικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναπτύξουμε διασυνδεδεμένα πανταχού παρόντα υπολογιστικά συστήματα; Πραγματικά μεγάλα συστήματα με επεξεργαστές δεν αναπτύσσονται επαρκώς με τα σημερινά μοντέλα ανάπτυξης λογισμικού. Τεχνητή Νοημοσύνη –Οι τάσεις για νοημοσύνη και ανάθεση σημαίνουν οτι χρειαζόμαστε συστήματα που μπορούν να λειτουργούν αποτελεσματικά για λογαριασμό μας. Αυτά τα συστήματα πρέπει να λειτουργούν ανεξάρτητα χωρίς να είναι απαραίτητη η δική μας παρέμβαση. Πρέπει επίσης να λειτουργούν έτσι ώστε να εξυπηρετούνται τα συμφέροντά μας καθώς αλληλεπιδρούν με άλλα συστήματα ή ανθρώπους.

Συστήματα πολλαπλών πρακτόρων (ΜAS) Καθολικός Υπολογισμός + Τεχνητή Νοημοσύνη = Κατανεμημένη Τεχνητή Νοημοσύνη. Όταν ένα ΥΣ που λειτουργεί για λογαριασμό του Α αλληλεπιδρά με ΥΣ που λειτουργεί για λογαριασμό του Β σπάνια εξυπηρετούνται τόσο τα συμφέροντα του Α όσο και του Β. Γίνεται απαραίτητο τα ΥΣ να διαπραγματευτούν και να συμφωνήσουν κάποιο τρόπο συνεργασίας. ΥΣ που έχουν αυτή τη δυνατότητα αλληλεπίδρασης μεταξύ τους δεν έχουν μελετηθεί εκτενώς ακόμα και είναι το αντικείμενό μας.

MAS εν συντομία... Πράκτορας = –ΥΣ ικανό για ανεξάρτητη δράση για λογαριασμό του χρήστη/ιδιοκτήτη του, δηλαδή μπορεί να αποφασίσει τι πρέπει να κάνει για να ικανοποιήσει τους στόχους για τους οποίους σχεδιάστηκε, χωρίς να χρειάζεται εντολές ανά πάσα στιγμή. MAS = – μια κοινωνία από πολλούς πράκτορες που αλληλεπιδρούν ανταλλάσοντας μηνύματα μέσω ενός δικτύου. –Στην γενική περίπτωση κάθε πράκτορας εκπροσωπεί διαφορετικά συμφέροντα και για να αλληλεπιδράσουν επιτυχώς οι πράκτορες πρέπει να διαπραγματευτούν, να συνεργαστούν και να συντονιστούν όπως οι άνθρωποι στις κοινωνίες τους.

Θέματα ενδιαφέροντος Σχεδιασμός Πράκτορα –Πώς κατασκευάζουμε πράκτορες ικανούς για ανεξάρτητη δράση ώστε να μπορούν να κάνουν τις εργασίες που τους αναθέτουμε; Σχεδιασμός Κοινωνίας Πρακτόρων –Πώς κατασκευάζουμε πράκτορες ικανούς να αλληλεπιδρούν (συνεργασία, διαπραγμάτευση, συντονισμός) με άλλους πράκτορες ώστε να κάνουν τις εργασίες που τους αναθέτουμε, ιδιαίτερα όταν δεν μοιράζονται κοινούς στόχους και συμφέροντα;

Ειδικότερα ερωτήματα για MAS Πως προκύπτει συνεργασία σε κοινωνίες εγωιστικών (ιδιοτελών) πρακτόρων; Τι γλώσσες μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι πράκτορες για να εκφάσουν τις πεποιθήσεις και τους στόχους τους σε άλλους πράκτορες και ανθρώπους; Πως αντιλαμβάνονται οι πράκτορες ότι οι πεποιθήσεις, οι στόχοι ή οι ενέργειές τους συγκρούονται και πώς συμφωνούν μεταξύ τους ώστε να αποφεύγονται ή να επιλύονται οι συγκρούσεις; Πως μπορούν αυτόνομοι πράκτορες να συντονίζουν τη δράση τους ώστε να επιτυγχάνουν στόχους συνεργαζόμενοι;

Το όραμα για τα MAS – Σενάριο 1 Εξαιτίας κάποιας βλάβης ένας διαστημικός σταθμός που πλησιάζει τον Κρόνο χάνει την επαφή με το επιτελείο που τον καθοδηγεί από τη Γη και, κατά συνέπεια, χάνει τον προσανατολισμό του. Αντί να χαθεί στο διάστημα, ο σταθμός αναγνωρίζει ότι προέκυψε βασική βλάβη στο σύστημά του, απομονώνει την αιτία του σφάλματος και αυτο-διορθώνει την πορεία του ώστε να ανακτήσει την επικοινωνία με το επιτελείο που τον καθοδηγεί. Απαιτήσεις –Ο σταθμός πρέπει να δρά αυτόνομα: να αναγνωρίζει τη βλάβη, να διακρίνει τι ενέργειες πρέπει να γίνουν ώστε να απομονωθεί η αιτία της, να κάνει τις ενέργειες αυτές και να παρακολουθεί το αποτέλεσμά τους μέχρι να διορθώσει την πορεία του. Σημερινή πραγματικότητα Deep Space 1 (NASA, 24/10/98) ο πρώτος σταθμός με αυτόνομο σύστημα ελέγχου βασισμένο σε πράκτορα. Πριν χρειάζονταν 300 μέλη επιτελείου που έπαιρναν αποφάσεις και τις μετέδιδαν (υψηλό κόστος, μεγάλος χρόνος απόκρισης σε προβλήματα).

Το όραμα για τα MAS – Σενάριο 2 Ένα σύστημα ελέγχου εναέριας κυκλοφορίας παθαίνει ξαφνικά βλάβη με συνέπειες για τις πτήσεις που κατευθύνονται προς το αεροδρόμιο. Ευτυχώς, αυτόνομα συστήματα ελέγχου εναέριας κυκλοφορίας σε γειτονικά αεροδρόμια αναγνωρίζουν τη βλάβη και συνεργάζονται για να εντοπίσουν και να δρομολογήσουν τις πτήσεις μεταξύ τους έτσι ώστε όλες οι πτήσεις να εξυπηρετηθούν με πολύ μικρές καθυστερήσεις. Απαιτήσεις –Να παίρνουν πρωτοβουλία τα ΥΣ όταν αυτό χρειάζεται (άρα να κάνουν εκτίμηση της κατάστασης και να αποφασίζουν τι πρέπει να γίνει και πότε). –Να μπορούν τα ΥΣ να συνεργάζονται για να επιλύσουν πρόβλημα που κανένα ΥΣ δεν μπορεί να επιλύσει μόνο του. Σημερινή πραγματικότητα Distributed Vehicle Monitoring Testbed project ( ) όπου κάθε πράκτορας έχει αισθητήρες και ελέγχει ένα μόνο μέρος ενός χώρου. Σήμερα (από το 1992) λειτουργεί το ΟΑSIS, ένα MAS για τον έλεγχο εναέριας κυκλοφορίας στο αεροδρόμιο του Sydney.

Το όραμα για τα MAS – Σενάριο 3 Μετά τον πιο κρύο και υγρό χειμώνα που περάσατε ποτέ χρειάζεστε επειγόντως διακοπές κάπου ζεστά και στεγνά. Αφού προσδιορίσατε τις απαιτήσεις σας στον προσωπικό ψηφιακό βοηθό σας, «αυτός» συνομιλεί με ένα πλήθος από δικτυακούς τόπους που παρέχουν υπηρεσίες όπως αεροπορικά εισιτήρια, δωμάτια ξενοδοχείων, ενοικίαση αυτοκινήτων κλπ. Μετά από σκληρές διαπραγματεύσεις για λογαριασμό σας ο ψηφιακός βοηθός σας σας παρουσιάζει το κατάλληλο πακέτο διακοπών για σας. Απαιτήσεις –Πώς δηλώνονται οι προτιμήσεις μας στον πράκτορα; Πώς μπορεί ο πράκτορας να συγκρίνει τις προσφορές διαφόρων πωλητών; Με τι αλγόριθμους μπορεί ο πράκτορας να διαπραγματευτεί με άλλους πράκτορες για να εξασφαλίσει ό,τι καλυτερο για μας στη χαμηλότερη τιμή; Σημερινή πραγματικότητα Πολλοί δικτυακοί τόποι υπάρχουν για την παροχή αγαθών/υπηρεσιών αλλά απαιτείται πραγματική διαπραγμάτευση. Τα οικονομικά οφέλη από τις αυτοματοποιημένες διαπραγματεύσεις θα ήταν τεράστια π.χ.για κυβερνητικούς/ευρω-κοινοτικούς διαγωνισμούς (με αντίστοιχα οικονομικά οφέλη για τους φορολογούμενους...)

Διάφορες απόψεις για την περιοχή των MAS Πράκτορες ως τρόπος ανάπτυξης και σχεδίασης λογισμικού –Είναι πλέον ευρέως αποδεκτό ότι η αλληλεπίδραση είναι το βασικότερο χαρακτηριστικό πολύπλοκου λογισμικού, το οποίο απαιτείται για τις περισσότερες εφαρμογές που μας ενδιαφέρουν σήμερα. –Οι αρχιτεκτονικές λογισμικού που περιέχουν πολλά συνιστώντα στοιχεία τα οποία αλληλεπιδρούν είναι πολύ δυσκολότερο να κατασκευαστούν σωστά και αποτελεσματικά σε σύγκριση με εκείνες τις αρχιτεκτονικές που περιέχουν μόνο ένα στοιχείο το οποίο μετατρέπει είσοδο σε έξοδο (η συνολική συμπεριφορά δεν είναι απαραίτητα άθροισμα των επιμέρους συμπεριφορών!) Πράκτορες ως εργαλείο για να κατανοήσουμε τις ανθρώπινες κοινωνίες –Τα ΜAS είναι εργαλείο για την προσομοίωση κοινωνιών ώστε να κατανοήσουμε διάφορες κοινωνικο-οικονομικο-πολιτικές διεργασίες. Παράδειγμα το ΕΟS project που χρησιμοποίησε MAS για να να καταλάβουμε πώς και γιατί προέκυψε κοινωνική πολυπλοκότητα σε μια παλαιολιθική κοινότητα στη νότια Γαλλία στην τελευταία εποχή των παγετών. Βλέπε επίσης την «ψυχο-ιστορία» του Αsimov = ψυχολογία+ιστορία+οικονομικά για την πρόβλεψη της μελλοντικής εξέλιξης μιας κοινωνίας.

«Τα MAS δεν είναι απλά συστήματα κατανεμημένου/σύγχρονου υπολογισμού;» Υπάρχει ήδη πολλή έρευνα, θεωρία και ανάπτυξη εφαρμογών, γλωσσών προγραμματισμού και εργαλείων λογισμικού για συστήματα που αποτελούνται από πολλαπλά αλληλεπιδρώντα συστατικά. Τα MAS είναι εξ ορισμού υποσύνολο αυτών των συστημάτων και τα προβλήματα ενδιαφέροντος για τα συστήματα κατενεμημένου/σύγχρονου υπολογισμού προκύπτουν και στα MAS (π.χ. Αμοιβαίος αποκλεισμός για κοινούς πόρους, deadlock, livelock κλπ). Αλλά: –Οι πράκτορες θεωρούνται αυτόνομοι (ικανοί να αποφασίσουν για το τι ενέργειες να κάνουν προκειμένου να ικανοποιήσουν τους σχεδιαστικούς στόχους τους) οπότε οι δομές συγχρονισμού και συντονισμού που χρησιμοποιούν δεν θεωρούνται προ- προγραμματισμένες. Αντ’αυτού χρησιμοποιούν μηχανισμούς συγχρονισμού και συντονισμού στη διάρκεια της λειτουργίας τους, δηλαδή δυναμικά. –Οι σχέσεις μεταξύ υπολογιστικών στοιχείων σε ένα MAS είναι οικονομικές, δηλαδή σχέσεις μεταξύ οντοτήτων που έχει, η κάθε μια, τα δικά της συμφέροντα. Στα κλασικά κατανεμημένα/σύγχρονα συστήματα υποθέτουμε ότι τα συστατικά μοιράζονται ένα κοινό στόχο (την εύρυθμη λειτουργία του συστήματος). Έτσι τα προβλήματα που μας απασχολούν στα MAS έχουν να κάνουν με το πώς οι πράκτορες μπορούν να συνάψουν συμφωνίες κατόπιν διαπραγμάτευσης, πώς μπορούν δυναμικά να συγχρονίσουν τις ενέργειές τους και μάλιστα όταν οι στόχοι και τα κίνητρα του κάθε πράκτορα δεν είναι εκ των προτέρων γνωστά.

«Τα MAS δεν είναι απλά συστήματα τεχνητής νοημοσύνης;» Πολλοί ισχυρίζονται ότι τα MAS είναι υποσύνολο της τεχνητής νοημοσύνης, αν και ακριβέστερα ισχύει το αντίθετο. Πολλοί ισχυρίζονται ότι όλο το πεδίο της ΤΝ μπορεί να θεωρηθεί πως είναι σχετικό με την κατασκευή ενός ευφυούς πράκτορα. Αλλά –Η ΤΝ έχει ασχοληθεί με τα στοιχεία της ευφυίας (την ικανότητα για μάθηση, για σχεδιασμό δράσης, για κατανόηση ήχου, εικόνας, γλώσσας κλπ). Τα MAS ασχολούνται με την ολοκλήρωση όλων αυτών των στοιχείων σε ένα ΥΣ που μπορεί να λάβει αποφάσεις ανεξάρτητο. (Αλλά δεν χρειάζεται να συμπεριλάβουμε όλες τις πτυχές της ΤΝ σε ένα πράκτορα.) –Η κλασική ΤΝ έχει αγνοήσει την κοινωνική πλευρά των πρακτόρων, δηλαδή την ικανότητα επικοινωνίας, συνεργασίας, διαπραγμάτευσης κλπ.

«Τα MAS δεν είναι απλά θεωρία παιγνίων ή οικονομικά;» Η θεωρία παιγνίων μελετά τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ οντοτήτων που η κάθε μια έχει τα δικά της συμφέροντα. Παλιότερα θεωρούνταν σχετική μόνο με οικονομικά θέματα. Πρόσφατα όμως έχει βρεί εφαρμογές στην πληροφορική. Σήμερα είναι το κατ΄εξοχήν θεωρητικό εργαλείο για την ανάλυση πολυπρακτορικών συστημάτων. Έτσι κάποιοι θεωρούν τα MAS σαν υποσύνολο της θεωρίας παιγνίων. Αλλά: –Πολλές λύσεις που αναπτύχθηκαν στη θεωρία παιγνίων δεν είναι υπολογιστικά εφικτές. Περιγράφουν ποιά είναι η βέλτιστη λύση σε ένα πρόβλημα αλλά δεν μας λένε πώς να την υπολογίσουμε. Ο υπολογισμός μπορεί να είναι ΝΡ. –Πολλές λύσεις της θεωρίας παιγνίων βασίζονται σε συγκεκριμένες υποθέσεις για το τι αποτελεί πράκτορα ορθολογικό. Σήμερα υπάρχει σε εξέλιξη συζήτηση για το αν ο ορισμός της ορθολογικότητας της θεωρίας παιγνίων είναι κατάλληλος ή/και χρήσιμος για να κατανοήσουμε τις ανθρώπινες κοινωνίες ή τα MAS.

«Τα MAS δεν είναι απλά κοινωνικές επιστήμες;» Οι κοινωνικές επιστήμες ασχολούνται με την κατανόηση της συμπεριφοράς των ανθρώπινων κοινωνιών. Μερικοί επιστήμονες αυτής της κοινότητας βρίσκουν τα MAS χρήσιμο εργαλείο για να προσομοιώσουν διάφορες συνθήκες και να τις μελετήσουν. Πολλοί ερευνητές των MAS κατασκευάζουν πολυπρακτορικά συστήματα μελετώντας και αναπαράγοντας αντίστοιχες λειτουργίες στις ανθρώπινες κοινωνίες. Αλλά: –Αν και είναι χρήσιμη η αναλογία με τις ανθρώπινες κοινωνίες δεν σημαίνει αυτό ότι μπορούμε πάντα να κατασκευάσουμε τεχνητές κοινωνίες κατά τον ίδιο τρόπο. –Ακόμα κι αν μπορούμε να κατασκευάζουμε το ανάλογο της ανθρώπινης κοινωνίας, αυτό δεν σημαίνει ότι είναι και το καλύτερο!

Σχέδιο Μαθήματος

Πρακτικά θέματα Ιστοσελίδα μαθήματος Λίστα Μαθήματος Ώρες γραφείου Τρίτη Τετάρτη Επικοινωνία Γραφείο: Ιάσονος 10, 3ος όροφος (κτίριο μεταπτυχιακού) Βιβλίο Michael Wooldridge (2002). An Introduction to MultiAgent Systems. John Wiley, Chichester. ISBN X