Самоорганизация в мультиагентных системах

УДК 681.5.01

И.А. Каляев, А.Р. Гайдук, СX. Капустин САМООРГАНИЗАЦИЯ В МУЛЬТИАГЕНТНЫХ СИСТЕМАХ

В работе рассматриваются принципы и методы функционирования самоорганизующихся мулыпиагентных систем. Дается формулировка задачи и математическое описание процесса автономного формирования алгоритмов группового управления агентами. Исследование предлагаемого подхода проводится на примере перемещения тела по поверхности группой интеллектуальных роботов.

Интеллектуальный агент; группа; групповое управление; самоорганизация; кластер.

I.A. Kaliaev, A.R. Gaiduk, S.G. Kapustyan SELF-ORGANIZATION IN MULTI-AGENT SYSTEMS

The paper describes the principles and methods of operation of self-organizing multi-agent systems. The formulation of a problem and the mathematical description ofprocess of independent creation of algorithms of group control by agents is given. Research of the offered approach is spent on an instance of moving of a body on a surface by group of intellectual robots.

Intelligent agent; group; group control; self-organization, cluster.

Введение. В общем случае группа интеллектуальных агентов может включать агенты, ориентированные на решение разнородных задач. Это могут быть транспортные средства, роботы для ведения разведки, изучения химической, радиационной или электромагнитной обстановки, связные агенты и т.д. Естественно, перед такой группой ставятся цели, достижение которых требует участия одного, или нескольких агентов. В связи с этим возникают задачи оценки поставленных целей, условий их достижения, анализа ситуации в целом, и планирования действий отдельных агентов на уровне группы. Комплексное решение этих задач и составляет содержание группового управления [1].

Для обеспечения эффективного управления агентами группы прежде всего

, ,

группы. Так как группа должна обеспечить достижение поставленных целей в заранее неизвестных условиях, то этот алгоритм должен формироваться агентами самой группы в автономном режиме. Отсюда следует, что решение задачи группового управления следует искать в классе самоорганизующихся систем [2, 3].

В связи с этим в данной работе ставится задача разработки некоторых подходов к построению самоорганизующейся системы управления группой интеллекту, .

Под группой интеллектуальных агентов будем понимать множество технических агентов, автономно

функционирующих в некоторой среде, способных воспринимать информацию о

, -

гом для решения единой целевой задачи.

Существует много методов организации взаимодействия интеллектуальных агентов в группах. Для реализации этих методов могут эффективно применяться

.

предназначено для решения конкретных целевых задач и, зачастую, не могут быть использованы для решения других типов задач. Примером могут являться методы, основанные на принципах "ры точной экономики" и используемые для организации взаимодействия в группах мобильных роботов, решающих задачу картографирования местности [4].

Наиболее универсальными и эффективными, на наш взгляд, являются методы коллективного взаимодействия антов, разработанные в работе [1]. Данные методы могут быть использованы и для решения задачи самоорганизации систем группового управления интеллектуальными агентами.

Рассмотрим формальную постановку задачи самоорганизации систем груп-.

Постановка задачи. Будем предполагать, что некоторая группа

включает интеллектуальные агенты О1 + Ом и систему группового управления ( ), -

[1].

Групповая цель

группа агентов

СГУ

к > > А1 к у 1 ^ к У Аы г

0\ 02 0"

> к > к

4, Е А Е2 \ Ек

среда Е

Рис. 1. Группа интеллектуальных агентов

Функционирование группы агентов, согласно рис. 1, протекает следующим образом. Агенты группы О1 + Он собирают информацию об окружающей их

среде в виде векторов Е^ и вместе с информацией о своём состоянии

передают в СГУ. Здесь на основе информации о групповой цели, состоянии аген-, -

ния агентами группы, которые фактически представляют собою действия агентов, выполняемые ими в определенной последовательности, вплоть до достижения поставленной перед группой цели.

Основная сложность создания системы группового управления интеллектуальными агентами заключается в многообразии задач, которые должна решать такая группа. Как отмечалось выше, заранее неизвестны ни конкретная цель, которая будет поставлена перед группой, ни условия, в которых она должна быть дос,

управлений. Он должен формироваться самой группой или её лидером в зависимости от складывающейся ситуации.

С другой стороны, группа агентов даже интеллектуальных и большой численности не может обеспечить достижение всевозможных целей. Очевидно, каждая группа агентов ориентируется на достижение определенного круга целей. Следовательно, и круг алгоритмов формирования управлений, вообще говоря, может . , может быть решена.

В данной работе основное внимание уделяется способам описания целей и методам обеспечения условий самоорганизации в группах интеллектуальных агентов.

.

естественных и экспериментальных физико-химических системах: структуры А, Тьюринга, реакции Белоусова-Жаботинского, ячейки Бенара и т.п. [2, 3]. По мнению большинства исследователей, самоорганизующиеся явления (СО-явления) в естественных системах возникают из-за потери структурной устойчивости системы в силу изменившихся внешних условий. Возникающая в соответствии с естественными законами природы новая структура иногда оказывается "организованной структурой", т.е. упорядоченной структурой с устойчивым положением равновесия или с устойчивым установившимся движением. Известно, что системам такого типа в установившемся состоянии соответствует минимум функции Ляпунова. На этом основании можно сказать, что самоорганизация - это образование структуры динамической системы с устойчивым положением равновесия или с устойчивым невозмущенным движением, соответствующей экстремуму некоторого критерия в сложившихся условиях.

Явление самоорганизации подробно рассматривается в коллективной монографии [2]. В частности, С.В. Корниенко и О.А. Корниенко вводятся понятия "естественной" и "искусственной" самоорганизации и отмечается, что правила искусственной самоорганизации, которая протекает в искусственных, технических системах, "задает разработчик системы". По их мнению, самоорганизация всегда идет по определённым локальным правилам самоорганизации.

Следовательно, для построения самоорганизующейся системы, прежде всего, необходимо найти или сформулировать локальные правила самоорганизации.

Чтобы процесс искусственной самоорганизации был реализуемым в технической

, : -

- -

мольного алгоритма её функционирования в соответствии с поставленной перед

, .

Управление группой агентов. Обычно для достижения некоторой цели требуются не все агенты группы, поэтому в группе агентов, прежде всего, должны автономно образовываться «специфические структуры» - кластеры, агенты которых ориентированы на достижение конкретной цели. Ряд алгоритмов формирования кластеров в структуре группы агентов, когда перед нею поставлено несколько целей, предложены в работе [1]. Здесь же для большей ясности будем предполагать, что группе поставлена одна цель. Состав, численность, техническое и программное обеспечение агентов, включаемых в соответствующий кластер, определяются как теми действиями, которые необходимо выполнить для достижения , .

Математически процесс автономного формирования структурного кластера

можно описать следующим образом. Каждый агент Oi, / = 1, N группы может выполнить некоторую совокупность действий А i = {Аи, А2 i, ... Ат4 } . с другой

Ти в условиях ^ = {У1„, У2„, ...}

-

обходимо выполнить определенную совокупность действий ТМ={ТМ,Т>М,,.-Т^},

причем каждое из них характеризуется, по крайней мере, двумя признаками: типом .

Кроме того, на процесс достижения цели ТМ обычно накладывается множество других требований 0.М = {^¿дост п(МО, • •} , связанных с процес-

сом достижения цели. Здесь J(|) - критерий эффективности, ^дост(|) - время достижения цели, п(|) - число агентов кластера, ориентированного на достижение цели Т| и т.п.

Если все элементы T , V — 1, по типу и по интенсивности имеются сре-

ди элементов агента Oi данной группы, т.е. ТУ1 6 А,, V — 1, q| , то достижение цели Т в "проектных" условиях ^ , очевидно, может обеспечить один агент, тогда в структуре группы выделяется кластер из этого агента. Однако обычно возможностей одного агента недостаточно, и достижение цели Т могут обеспечить лишь несколько агентов О,, таких, что выполняется следующее условие:

Т^е{Аг1

где п(|) - число агентов группы, среди множества действий которых имеются все действия Т -{Т1ц,Т2|,,..Трц}, выполнение которых в условиях ^ обеспечивает достижение этой цели.

Если каждое действие выполняется одним агентом О,, то численность

кластера К1 , ориентированного на достижение цели Т , будет равна числу действий , т. е. — рц . В противном случае -

Как правило, одно и тоже действие Т^ выполняется различными агентами О, с различной эффективностью. Пусть qiу (|) - это оценка эффективности выполнения агентом О, действия Т^ . Очевидно, в кластер К , ориентированный на достижение цели Т , целесообразно включать те агенты группы О1 Оы, которые обеспечивают достижение цели с наибольшей эффективностью, т.е. те аген-,

ге1, N

с р

J = S ЯV

При этом число агентов кластера, ориентированного на достижение цели Ти в проектных условиях f^ , должно быть минимальным, т.е.

n

Условия (1) - (3) фактически являются локальными правилами самоорганизации кластера Ки, ориентированного на достижение цели Ти , а их реализация

является алгоритмом формирования этого кластера. Создание алгоритмического и программного обеспечения интеллектуальных агентов для выполнения этого алгоритма самими агентами, очевидно, не представляет каких-либо проблем [1].

, (1) -

полнено, то данная группа, очевидно, не способна обеспечить достижение цели ТМ в условиях ^.

Конечно, для реализации алгоритма, соответствующего условиям (1) - (3), должны быть сформированы множества А, = {Ау, Аъ, •.. Ащ1}, ^ = {, /2 , •..},

Т = {Т1М, Т2М, • Г^ } и ^ = { Л , ^дост.м , • •Формирование множеств Аг,

очевидно, не представляет больших сложностей. Поскольку здесь рассматриваются искусственные интеллектуальные агенты, то множество Аг- определяется назначением и конструкцией агента 0{, а компоненты Aj¡ этого множества представлены в техническом паспорте агента 0{.

Основные проблемы создания СО-систем связаны с формированием целевых множеств 7м, 72м, ••• , Лм, /2м, • и Jv,,,«(Я»,—, содержание которых определяется заранее неизвестной целью. Поэтому существование СО-адгоритмов формирования в реальном времени этих множеств в общем случае, т.е. при целях , .

Как отмечалось выше, та или иная группа агентов всегда формируется для достижения лишь определенного круга целей ТМ £ 5, где Е - множество целей, на достижение которых ориентирована данная группа агентов. Необходимые для достижения каждой конкретной цели Тц действия , у = 1, и порядок их выполнения в определенных условиях ^ , вполне определяются известными зако-.

В принципе возможны два подхода к формированию множеств Т = {Т1м, Т2м, •.. ТрмМ} и ^ . Первый "ИИ-подход" состоит в том, что эти множества формируются методами теории интеллектуальных систем самими агентами в реальном времени [2] на основе соответствующих законов природы. Второй -"экспертный подход" - состоит в априорной формулировке этих множеств экспертами также на основе соответствующих законов природы в виде онтологических моделей и запоминании их в базах знаний агентов группы [1, 2, 5]. В дальнейшем будем иметь в виду "экспертный подход".

Совокупность действий Г, у = 1, и последовательность их выполнения в некоторых "проектных" условиях ^, разработанные экспертами, фактически представляют собой некоторый алгоритм достижения поставленной цели:

/Ж). Этот алгоритм включает

рМ действий Г . Однако действительные условия ^ , при которых агентам кластера необходимо будет обеспечивать достижение цели, скорее всего, будут отличаться от проектных, т.е. ^ Ф ^ . Поэтому алгоритм ^(Г^, ,0И) должен

обладать свойством робастности или быть самоорганизующимся, т.е. способным обеспечить выполнение необходимых действий в изменившихся условиях [3, 6, 7].

Таким образом, если алгоритмы ^

достижения всех целей £ Е с формированы и находятся в базе знаний всех агентов группы ° ^ 0N , то алгоритм

самоорганизации группы интеллектуальных агентов при одной цели T , поставленной перед группой, заключается в следующем:

♦ получив цель Tß = {T|, T2|, • • • TPßl} и условия f| , Q^ , агенты

O1 ^ ON на основе соотношений (1) - (3) формируют кластер К = O (|), O^ -Oj (|)} мощностью n(|i). При формировании кластера могут использоваться алгоритмы коллективного взаимодействия, предложенные в работе [1];

♦ из своих баз знаний агенты Oi £ Кц кластера извлекают алгоритм

ЦДТ, f°,Q) и адаптируют его к текущим условиям f|;

♦ агенты ° £ К выполняют действия А.(^ = TVi(^ , ) = ^^ , ...,

Aq (|) = Tvq (|) в соответствии с алгоритмом ЦДТ^ f°,Qt).

Исследование предложенного подхода проводилось на примере задачи перемещения группой мобильных роботов твердого круглого тела по горизонтальной поверхности из исходной точки в заданную, целевую точку [8]. Роботы группы на основе информации о координатах целевой точки и своем расположении относительно тела формируют один или два активных кластера, которые осуществляют . -ливают характер трения, сопровождающего движения тела, формируют и реализуют тот или иной алгоритм своих действий. Перемещение тела может быть пря-, ,

вдоль прямолинейной или криволинейной траектории. .

локальные правила самоорганизации, которые формулируются разработчиком са-

.

управления, в частности, оптимальные управления и соответствующие критерии качества. Локальные правила самоорганизации - являются многовариантными.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Каляев ПА. Модели и алгоритмы коллективного управления в группах роботов / И.А. Каляев, А.Р. Гайдук, СТ. Капустян. - М.: Физматлит, 2009.

2. От моделей поведения к искусственному интеллекту [Текст]: Монография / Под ред. ВТ. Редько. - М.: КомКнига, 2006.

3. Новиков ДА. Математические модели организации и функционирования команд. - М.: Физматлит, 2008.

4. Zlot R., Stentz A., Dias M. B., Thayer S. Multi-Robot Exploration Controlled By A Market Economy, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), May 2002.

5. Кол чин А.Ф. Представление модел и знаний специалисга-проеетировщика па основе онтоло-

/ . . , . . // -ровании и производстве. - 2006. - № 3. - С. 66-69.

6. . . -соким уровнем искусственного интеллекта / A.A. Красовский, А.И. Наумов // Известия РАН. Теория и системы управления. - 2001. - № 6. - С. 69-75.

7. Гайдук А.Р. Алгоритмическое обеспечение самоорганизующихся регуляторов с экстра-

// . . - 2002. - 3. - . 56-63.

8. . .

системами / И.А. Каляев, AT. Гайдук, СТ. Капустян // Мехатроника, автоматизация,

управление (МАУ-2009): Материалы Междунар. науч.-техн. конф. Т. 2. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - С. 190-194.

Каляев Игорь Анатольевич -

Южного федерального университета. E-mail: kaliaev@mvs.tsure.ru. 347928, г. Таганрог, ул. Чехова, 2. Тел.: 88634360376, 88634615459.

Капустин Сергей Григорьевич

E-mail: kap@mvs.tsure.ru.

Гайдук Анатолий Романович

Технологический институт федерального государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный

университет» в г. Таганроге.

E-mail: gaiduk_2003@mail.ru.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: 88634315494.

Kalyaev Igor Anatol'evich

Scientific research institute of multiprocessor computing systems of SFU.

E-mail: kaliaev@mvs.tsure.ru.

2, Chehova Street, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 88634360376, 88634615459.

Kapustyan Sergey Grigor'evich

E-mail: kap@mvs.tsure.ru.

Gaiduk Anatoliy Romanovich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of

Higher Vocational Education "Southern Federal University".

E-mail: gaiduk_2003@mail.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 88634315494.

УДК 528.8

А.В. Тимофеев

-

И НЕЙРОСЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ*

Рассматривается основы теории и перспективы развития мульти-агентных робо-

тотехнических систем. Описываются интеллектуальные и нейросетевые технологии ' -

решения конфликтов в прикладных задачах.

Системы интеллектуального управления; сетевые и нейросетевые агенты; мульти-.

A.V. Timofeev

* Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 09-08-00767-а, РФФИ № 08-08-12183-офи и РФФИ-ГФЕН Китая 10-08-91159 и Проекта № 1.6 Программы № 1 Президиума РАН.