Coopera

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Cooperação e Coordenação em SMA

• Agentes Autônomos
• CIn Centro de Informática
• Universidades Federal de Pernambuco

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Roteiro

• Agentes Trabalhando Juntos
• Resolução Cooperativa de Problemas Distribuídos
• Compartilhamento de Tarefas e Resultados
• Compartilhamento de Tarefas Usando Contract-Net
• Funcionamento do Contract-Net
• Coordenação em SMA
• O Que é Coordenação
• Quando Ações Devem Ser Coordenadas
• Relações Entre Ações
• Algumas Formas de Coordenação

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Agentes Trabalhando Juntos

• Como desenvolver agentes que podem trabalhar
  juntos de maneira eficiente?
• O conceito de cooperação de SD é suficiente?
• Não !
• Agentes devem agir de maneira estratégica
  agentes heterogêneos, interesses próprios
  (diferentes objetivos), etc.
• Autonomia dos agentes !
• Agentes que trabalham juntos devem compartilhar
  Tarefas, Informações e Coordenar Atividades

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Resolução Cooperativa de Problemas Distribuídos

• Agentes com diferentes habilidades trabalhando
  juntos de maneira a resolver problemas que estão
  além das suas capacidades individuais
• Assume existência de agentes benevolentes
• Sempre compartilham mesmos objetivos (não há
  espaço para conflitos)
• Ajudam sempre que necessário
• No entanto, a área de sistemas multi-agentes
  estuda sociedade de agentes autônomos, com
  interesses próprios !
• Pergunta chave por que e como agentes cooperam?

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Resolução Cooperativa de Problemas Distribuídos

• Decomposição do problema
• Decomposição hierárquica até atingir
  granularidade desejada
• Escolher mecanismo de decomposição
• Capacidade dos agentes deve ser conhecida
• Solução do sub-problema
• Sub-problemas resolvidos individualmente
• Agentes podem compartilhar informações
• Síntese da solução
• Soluções individuais integradas hierarquicamente
  em apenas uma

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Compartilhamento de Tarefas e Resultados

• Problema decomposto em sub-problemas menores
  alocados para agentes diferentes
• Alocação das tarefas depende da arquitetura dos
  agentes
• Caso mais simples agentes com mesmas habilidades
  e sem autonomia
• Estabelecimento de acordos agentes com
  habilidades distintas e autônomos
• Agentes compartilhando informações relevantes
  para resolução de sub-problemas
• Pró-ativa Agente envia informação por acreditar
  que essa informação auxiliará outro agente
• ReativaAgente envia informação como resposta a
  uma solicitação

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Exemplo Construção de Edifício
Construtor
Analisador de solo
Solicita análise de solo para construção
apropriada das fundações
Carregador de material
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Exemplo Construção de Edifício
Construtor
Analisador de solo
Resultado da análise de solo
Carregador de material
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Exemplo Construção de Edifício
Construtor
Analisador de solo
Solicita material
Carregador de material
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Exemplo Construção de Edifício
Construtor
Analisador de solo
Entrega material
Carregador de material
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Compartilhamento de Tarefas Usando Contract-Net

• Protocolo de alto nível voltado para obtenção de
  uma estratégia de cooperação eficiente
• Desenvolvido por R. G. Smith em 1979 e baseado em
  protocolos de mercado público
• Visa o compartilhamento de tarefas entre vários
  agentes
• Composto por 4 etapas
• Anuncio da tarefa, encaminhamento de proposta,
  análise das propostas e emissão do contrato

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Funcionamento do Contract-Net
(1) Agente reconhece existência de tarefa que não
pode desempenhar sozinho
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Funcionamento do Contract-Net
(2) Agente anuncia a tarefa para os demais agentes
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Funcionamento do Contract-Net
(2) Agentes enviam suas propostas
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Funcionamento do Contract-Net
(4) Uma proposta é escolhida e o contrato é
emitido
(3) Propostas recebidas são analisadas e a melhor
é escolhida
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Coordenação em SMA

• O que acontece quando agentes possuem ações
  inter-dependentes?
• Necessário gerenciar inter-dependências !
• Mecanismos de coordenação são essenciais quando
  agente possuem atividades que interagem entre si
• Exemplos de atividades
• Duas pessoas tentando sair de uma sala por uma
  porta estreita
• Funcionário precisa de assinatura de gerente para
  enviar um documento
• Aluno A encontra artigo de interesse de B e
  encaminha-o (atividade pró-ativa)

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Então, O Que é Coordenação?

• Quando agentes trabalham juntos é necessário
  gerenciar algumas tarefas complementares
• Tarefas de coordenação
• Fazem parte do sistema organizacional e
  possibilitam a execução das tarefas produtivas
• Então, coordenação é o conjunto de tarefas
  suplementares que devem ser executadas em um SMA,
  as quais não seriam necessárias caso existisse
  apenas um único agente

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Quando Ações Devem Ser Coordenadas?

• Informações e resultados disponíveis apenas
  através de outros agentes
• Ex. Agente construtor precisa que alguém lhe
  forneça material
• Recursos limitados
• Tempo, espaço, dinheiro, ferramentas ...
• Otimização de custos
• Eliminação de tarefas desnecessárias e
  redundantes
• Agentes com objetivos inter-dependentes
  cooperando entre si
• Ex. Dois agentes trabalhando no mundo dos blocos
  (sem competição!)

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Relações Entre Ações

• Algumas ações quando executadas simultaneamente
  podem levar a conflitos ou aumento da performance
• Relações negativas impossibilitam a execução de
  algumas ações
• Incompatibilidade de objetivos, limitação de
  recursos
• Relações positivas favorecem ações fazendo com
  que uma se beneficie de outra
• Maior eficiências do que se ações fossem
  executadas independentemente
• Em SMA, coordenação acontece em tempo de execução
• Agentes devem reconhecer relações e tratá-las
  quando elas ocorrem

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Relações Entre Ações
Relações Entre Ações
Relações Positivas
Relações Negativas
Incompatibilidade de Objetivos
Conflito de Recursos
Relação de Favor
Relação de Igualdade
Relações de Conseqüência
Recursos Consumíveis
Recursos Não Consumíveis
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Algumas Formas de Coordenação

• Coordenação via Sincronização
• Maneira mais simples e limitada de coordenação
  (originária de SD)
• Descreve precisamente a seqüência de ações
  concorrentes
• Coordenação via Planejamento
• Fases de elaboração de planos e execução do plano
  escolhido
• Limitados com relação a eventos não previstos e
  situações muito complexas
• Coordenação Reativa
• Não existe fase de planejamento, fazem uso do
  ciclo percepção-ação do agente
• Adequadas para situações onde é difícil prever o
  que irá acontecer

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Sincronização de Ações

• Definir a relação de tempo existente entre as
  ações de modo que
• Sejam executadas na ordem correta
• Produzam o resultado esperado
• Deve ser aplicada quando o objetivo é prover
  coerência e evitar interferência entre ações
• Situações típicas
• Sincronização de movimentos
• Ex. dois agentes andando de bicicleta
• Sincronização para acesso a recurso
• Ex. controle de acesso a uma máquina

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Coordenação via Planejamento

• Problema de planejamento em SMA é mais complexo
  do que o caso tradicional
• Ações de vários agentes devem ser levadas em
  consideração
• Maior necessidade de replanejamento
• Maior interdependência entre ações, dificultando
  ordenamento das ações, etc...
• Em SMA, planejamento pode se quebrado em 3 fases
• Elaboração de planos, sincronização/coordenação e
  execução de planos

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Modos de Planejamento

• Planejamento centralizado para múltiplos agentes
• Único agente responsável por elaborar plano
• Coordenação centralizada para planos parciais
• Tarefa de elaboração de plano distribuída
• Único agente responsável for sincronizar/coordenar
  sub-planos
• Coordenação distribuída para planos parciais
• Tarefa de elaboração de plano distribuída
• Cada agente deverá ter a iniciativa de
  sincronizar seu sub-plano com os demais agentes

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Planejamento Centralizado Para Múltiplos Agentes

• Apenas um agente capaz de planejar e organizar
  ações para todos os agentes
• Demais agentes são simplesmente executores de
  planos
• Construção do plano composta por 3 etapas
• Encontrar um plano parcial geral
• Determinar pontos do plano que podem ser
  executados em paralelo (Identificação de
  sub-planos)
• Incluir pontos de sincronização
• Alocar os sub-planos para os demais agentes

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Planejamento Centralizado Para Múltiplos Agentes
Coordenador do plano
Plano
Plano
Plano
Plano
Executor
Executor
Executor
Executor
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Coordenação Centralizada Para Planos Parciais

• Apenas a etapa de coordenação é centralizada
• Cada agente desenvolve seu próprio plano parcial
  e o encaminha para o coordenador
• Coordenador tenta sintetizar todos os sub-planos
  em um único plano coerente
• Identificar conflitos e eliminá-los via ordenação
  de ações ou inclusão pontos de sincronização
• Coordenador capaz de identificar tanto relações
  positivas quando negativas

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Coordenação Centralizada Para Planos Parciais
Coordenador
Planejador/ Executor
Planejador/ Executor
Planejador/ Executor
Planejador/ Executor
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Coordenação Distribuída Para Planos Parciais

• Não existe o papel de coordenador em nenhuma das
  etapas
• Cada agente planeja individualmente as ações que
  deseja executar de acordo com seus objetivos
• Maior dificuldade é identificar relações entre as
  ações que compõem os diversos sub-planos
• Agentes devem trocar informações sobre os seus
  planos e objetivos

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Coordenação Distribuída Para Planos Parciais

• V. Lesser e E. Durfee desenvolveram o modelo
  Partial Global Planning (PGP)
• PGP é uma estrutura contendo informações sobre os
  planos do agente, seu objetivos, custos
  associados, resultados esperados, etc.
• Agentes trocam PGP e tentam identificar
• Agentes cujos objetivos façam parte de um
  objetivo de grupo
• Planos que possam ser combinados

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Coordenação Distribuída Para Planos Parciais
Pedidos, informações e planos parciais
Executor/ Planejador
Executor/ Planejador
Executor/ Planejador
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Coordenação Reativa

• Baseado na idéia de que é mais fácil agir
  diretamente, sem planejar antes !
• Solução baseada em agentes reativos
• Agentes simples, situados, trabalham no
  presente
• Não possuem representação do ambiente
• Reação depende da apenas da sua percepção do
  ambiente!
• Solução aparentemente simplista, porém muitos
  agentes reativos trabalhando juntos possuem
  grande capacidade
• Exemplos de técnicas para coordenação reativa
• Campos Vetoriais para determinar movimentação de
  agentes móveis
• Marcas no ambiente para coordenar ações dos
  agentes

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Ex. Movimentação de Grupo de Agentes Reativos

• Craig Reynolds (1987) propôs
• Comportamento baseado em regras de posicionamento
  observadas por todos os membros da sociedade
• Especificam distância mínima, direção e
  velocidade dos agentes
• Gera comportamento similar a de pássaros
  migratórios
• Comportamento coletivo emergente !
• Facilmente extensível para outras situações !
• Seguir líder, dispersão, distribuição sobre
  território, etc.
• Steering behaviours
• Fórmulas matemática determinam movimentação dos
  agentes
• http//www.red3d.com/cwr/steer/

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Marcação do Ambiente

• Idéia é utilizar o ambiente como uma forma de
  comunicação flexível, robusta e simples
• Uma Marca é um sinal ou impressão no ambiente
• Podem ser adicionadas, removidas ou lidas pelos
  agentes
• Também podem desaparecer com o passar do tempo
• Importante
• Em coordenação reativa, adicionar agentes
  aleatoriamente não necessariamente aumenta a
  performance do sistema!

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Exemplo Montagem de uma Moto
R1
R2
Roda Traseira
Motor
Quadro
Roda Dianteira
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Exemplo Montagem de uma Moto

• Regra pegarPeça
• se não estou carregando nada
• e estou em frente de um depósito de peças
• pegar o que está na minha frente
• então ir para ponto de montagem
• Regra buscarMotor
• se não estou carregando nada
• e estou no ponto de montagem
• e percebo a roda dianteira no ponto de montagem
• então ir para depósito de motor

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Exemplo Montagem de uma Moto

• Solução com um único agente é bastante simples
• Com mais de um agente pode ocorrer o caso da
  mesma peça ser adicionada duas vezes
• Solução?
• Fazer com que agentes possam ver o que os demais
  estão fazendo!
• Funciona? Mais ou menos ...
• Agente R1 teria que saber se Agente R2 tem
  realmente a intenção de levar a peça para o ponto
  de montagem
• Não é facilmente extensível, se houver n agentes,
  deve-se saber o que os outros n-1 agentes estão
  fazendo !

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Exemplo Montagem de uma Moto

• Solução 2
• Marcar no ambiente aquilo que agentes estão
  fazendo no ponto de montagem
• Necessita apenas pequena alteração nas regras !
• Regra buscarMotor
• se não estou carregando nada
• e estou no ponto de montagem
• e percebo a roda dianteira no ponto de montagem
  ou uma
• marca buscarRodaDianteira
• então ir para depósito de motor e colocar marca
  buscarMotor

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Outros Tipos de Mecanismos de Coordenação

• Intenções Conjuntas
• Conhecer as intenções dos demais agentes ajuda a
  coordenar ações
• Agentes em uma tarefa cooperativa assumem um
  compromisso com o grupo
• Devem também existir convenções sociais (guias)
  associadas
• Especificam quando um compromisso pode ser
  quebrado
• Como um agente deve se comportar perante os
  demais
• Modelagem Mútua
• Mecanismo de coordenação onde comunicação não é
  necessária
• Agentes possuem um modelo dos demais agentes
  (crenças, intenções, etc.)

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Outros Tipos de Mecanismos de Coordenação

• Normas e Leis Sociais
• Convenções sobre as quais o agente pode regular
  seu comportamento
• Uma norma especifica um padrão de comportamento a
  ser seguido. Ex. fazer fila para entrar no
  cinema (Não furar fila !)
• Leis Sociais são normas, mas as quais estão
  associadas punições. Ex. uma pessoa pode ir para
  cadeia por assalto a banco !
• Simplifica processo de tomada de decisão
• Dita curso de ações a serem seguidas em
  determinadas situações
• Podem ser especificadas em tempo de projeto ou
  emergir a partir do próprio sistema

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Seleção Dinâmica de Mecanismos de Coordenação

• Mecanismos de coordenação vistos possuem
  propriedades e características distintas sendo
  adequados para diferentes situações
• Diferem principalmente quanto
• Nível de coordenação a ser preestabelecida em
  tempo de desenvolvimento
• Tempo e esforço necessários para estabelecer
  coordenação em tempo de execução
• Grau de sucesso e surgimento de comportamento
  coordenado em determina situação

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Seleção Dinâmica de Mecanismos de Coordenação

• Não há um mecanismo de coordenação universalmente
  melhor !
• Seria importente permitir que agentes fossem
  capaz de selecionar qual mecanismo usar em
  determinada situação
• Para tarefas importantes, melhor adotar mecanismo
  que tem alta possibilidade de sucesso mesmo
  custando caro
• Para tarefas não muito importante, pode-se fazer
  o contrário !
• Existem estudos que visam permitir a seleção de
  mecanismos de coordenação em tempo de execução
• Excelente-Toledo e Jennings
• Bastante útil quando lida-se com ambientes
  dinâmicos, abertos e heterogêneos

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Bibliografia

• Jacques Ferber, Multi-Agent Systems An
  Introduction to Distributed Artificial
  Intelligence
• Michael Wooldridge, Na Introduction to MultiAgent
  Systems
• Excelent-Toledo, Jennings, The Dynamic Selection
  of Coordination Mechanisms