Inteligência Artificial: Sistemas Multiagentes Luiz Antônio Moro Palazzo Março de 2010 Luiz Antônio Moro Palazzo Março de 2010.

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1 Inteligência Artificial: Sistemas Multiagentes Luiz Antônio Moro Palazzo Março de 2010 Luiz Antônio Moro Palazzo Março de 2010

2 Sistemas Multiagentes2 Módulo Três

3 Sistemas Multiagentes3 Roteiro e Objetivos

4 Sistemas Multiagentes4 RoteiroRoteiro Objetivos do MóduloObjetivos do Módulo Revisitando a Noção de AgenteRevisitando a Noção de Agente Sistemas MultiagentesSistemas Multiagentes CaracterísticasCaracterísticas CapacidadesCapacidades DesafiosDesafios CoerênciaCoerência ConclusõesConclusões Objetivos do MóduloObjetivos do Módulo Revisitando a Noção de AgenteRevisitando a Noção de Agente Sistemas MultiagentesSistemas Multiagentes CaracterísticasCaracterísticas CapacidadesCapacidades DesafiosDesafios CoerênciaCoerência ConclusõesConclusões

5 Sistemas Multiagentes5 Objetivos do Módulo Levar o aluno a entender e utilizar sistemas multiagentes para a modelagem de sistemas do mundo real.Levar o aluno a entender e utilizar sistemas multiagentes para a modelagem de sistemas do mundo real. Desenvolver estudos sobre os aspectos conceituais e formais em sistemas multiagentesDesenvolver estudos sobre os aspectos conceituais e formais em sistemas multiagentes Pesquisar as principais ferramentas empregadas na programação sistemas multiagentes, ilustrando-as com aplicações específicas.Pesquisar as principais ferramentas empregadas na programação sistemas multiagentes, ilustrando-as com aplicações específicas. Levar o aluno a entender e utilizar sistemas multiagentes para a modelagem de sistemas do mundo real.Levar o aluno a entender e utilizar sistemas multiagentes para a modelagem de sistemas do mundo real. Desenvolver estudos sobre os aspectos conceituais e formais em sistemas multiagentesDesenvolver estudos sobre os aspectos conceituais e formais em sistemas multiagentes Pesquisar as principais ferramentas empregadas na programação sistemas multiagentes, ilustrando-as com aplicações específicas.Pesquisar as principais ferramentas empregadas na programação sistemas multiagentes, ilustrando-as com aplicações específicas.

6 Sistemas Multiagentes6 Revisitando a Noção de Agente

7 Sistemas Multiagentes7 AgentesAgentes São sistemas que podem decidir por si próprios o que é necessário fazer para satisfazer o objetivo para o qual foram projetados. Tais sistemas:São sistemas que podem decidir por si próprios o que é necessário fazer para satisfazer o objetivo para o qual foram projetados. Tais sistemas: Estão situados em algum ambiente Estão situados em algum ambiente Possuem controle parcial sobre o ambiente Possuem controle parcial sobre o ambiente São capazes de ação autônoma São capazes de ação autônoma Exemplos:Exemplos: Sistemas de controle: termostato Sistemas de controle: termostato Triggers, daemons, etc. Triggers, daemons, etc. São sistemas que podem decidir por si próprios o que é necessário fazer para satisfazer o objetivo para o qual foram projetados. Tais sistemas:São sistemas que podem decidir por si próprios o que é necessário fazer para satisfazer o objetivo para o qual foram projetados. Tais sistemas: Estão situados em algum ambiente Estão situados em algum ambiente Possuem controle parcial sobre o ambiente Possuem controle parcial sobre o ambiente São capazes de ação autônoma São capazes de ação autônoma Exemplos:Exemplos: Sistemas de controle: termostato Sistemas de controle: termostato Triggers, daemons, etc. Triggers, daemons, etc.

8 Sistemas Multiagentes8 Agentes Inteligentes Agentes que operam em ambientes imprevisível, abertos e em constante mudança, onde há elevada possibilidade de que ações possam falhar.Agentes que operam em ambientes imprevisível, abertos e em constante mudança, onde há elevada possibilidade de que ações possam falhar. Agentes que são capazes de ação autônoma flexível, incluindo reatividade, aprendizado, pró-atividade e habilidade social.Agentes que são capazes de ação autônoma flexível, incluindo reatividade, aprendizado, pró-atividade e habilidade social. Agentes que operam em ambientes imprevisível, abertos e em constante mudança, onde há elevada possibilidade de que ações possam falhar.Agentes que operam em ambientes imprevisível, abertos e em constante mudança, onde há elevada possibilidade de que ações possam falhar. Agentes que são capazes de ação autônoma flexível, incluindo reatividade, aprendizado, pró-atividade e habilidade social.Agentes que são capazes de ação autônoma flexível, incluindo reatividade, aprendizado, pró-atividade e habilidade social.

9 Sistemas Multiagentes9 Agentes Inteligentes Sensores Atuadores

10 Sistemas Multiagentes10 Agentes e Objetos Objetos são entidades computacionais que encapsulam algum estado, são capazes de executar algumas ações (métodos) sobre este estado e se comunicam por passagem de mensagens.Objetos são entidades computacionais que encapsulam algum estado, são capazes de executar algumas ações (métodos) sobre este estado e se comunicam por passagem de mensagens. A programação orientada a objetos pode ser empregada para implementar agentes, com algumas modificações.A programação orientada a objetos pode ser empregada para implementar agentes, com algumas modificações. Objetos são entidades computacionais que encapsulam algum estado, são capazes de executar algumas ações (métodos) sobre este estado e se comunicam por passagem de mensagens.Objetos são entidades computacionais que encapsulam algum estado, são capazes de executar algumas ações (métodos) sobre este estado e se comunicam por passagem de mensagens. A programação orientada a objetos pode ser empregada para implementar agentes, com algumas modificações.A programação orientada a objetos pode ser empregada para implementar agentes, com algumas modificações.

11 Sistemas Multiagentes11 Sistemas Multiagentes

12 12 O que é um Sistema Multiagente (SMA)?...uma rede fracamente acoplada de que interagem para solucionar problemas que estão além das capacidades ou conhecimento de cada solucionador de problemas individualmente....uma rede fracamente acoplada de solucionadores de problemas que interagem para solucionar problemas que estão além das capacidades ou conhecimento de cada solucionador de problemas individualmente. Estes solucionadores de problemas são...Estes solucionadores de problemas são agentes......uma rede fracamente acoplada de que interagem para solucionar problemas que estão além das capacidades ou conhecimento de cada solucionador de problemas individualmente....uma rede fracamente acoplada de solucionadores de problemas que interagem para solucionar problemas que estão além das capacidades ou conhecimento de cada solucionador de problemas individualmente. Estes solucionadores de problemas são...Estes solucionadores de problemas são agentes...

13 Sistemas Multiagentes13 Por que Sistemas Multiagentes? Problemas reais são muito grandes e complexos para serem resolvidos por um único agenteProblemas reais são muito grandes e complexos para serem resolvidos por um único agente Agentes individuais são limitados por seu conhecimento, recursos computacionais e perspectivasAgentes individuais são limitados por seu conhecimento, recursos computacionais e perspectivas Sistemas multiagentes são modularesSistemas multiagentes são modulares Problemas reais envolvem sistemas dinâmicos distribuídosProblemas reais envolvem sistemas dinâmicos distribuídos Problemas reais são muito grandes e complexos para serem resolvidos por um único agenteProblemas reais são muito grandes e complexos para serem resolvidos por um único agente Agentes individuais são limitados por seu conhecimento, recursos computacionais e perspectivasAgentes individuais são limitados por seu conhecimento, recursos computacionais e perspectivas Sistemas multiagentes são modularesSistemas multiagentes são modulares Problemas reais envolvem sistemas dinâmicos distribuídosProblemas reais envolvem sistemas dinâmicos distribuídos

14 Sistemas Multiagentes14 Características de SMA u Cada agente possui informação e/ou capacidades incompletas. u Não há um sistema de controle global. u Dados descentralizados u Computação assíncrona

15 Sistemas Multiagentes15 SMA Abertos e Fechados Sistemas AbertosSistemas Abertos –Os agentes são projetados por diferentes pessoas com intenções variadas. Sistemas FechadosSistemas Fechados –Os agentes são tipicamente projetados para atender um objetivo comum. Sistemas AbertosSistemas Abertos –Os agentes são projetados por diferentes pessoas com intenções variadas. Sistemas FechadosSistemas Fechados –Os agentes são tipicamente projetados para atender um objetivo comum.

16 Sistemas Multiagentes16 Desempenho em SMA –Eficiência computacional –Confiabilidade –Estensibilidade –Robustez –Mantenibilidade –Flexibilidade –Reuso –Eficiência computacional –Confiabilidade –Estensibilidade –Robustez –Mantenibilidade –Flexibilidade –Reuso

17 Sistemas Multiagentes17 Questões e Desafios - 1 Como formular, descrever, decompor, alocar problemas e sintetizar os resultados em um grupo de agentes inteligentes?Como formular, descrever, decompor, alocar problemas e sintetizar os resultados em um grupo de agentes inteligentes?

18 Sistemas Multiagentes18 u Como habilitar os agentes a se comunicar e interagir? Linguagens e protocolos de comunicação Interoperação de agentes heterogêneos Descoberta de agentes úteis previamente existentes. Questões e Desafios - 2

19 Sistemas Multiagentes19 Como assegurar que os agentes irão agir coerentemente nas ações e tomadas de decisão?Como assegurar que os agentes irão agir coerentemente nas ações e tomadas de decisão? –Qual o efeito de ações locais no sistema global –Evitar comportamentos instáveis no sistema Como assegurar que os agentes irão agir coerentemente nas ações e tomadas de decisão?Como assegurar que os agentes irão agir coerentemente nas ações e tomadas de decisão? –Qual o efeito de ações locais no sistema global –Evitar comportamentos instáveis no sistema Questões e Desafios - 3

20 Sistemas Multiagentes20 Como habilitar os agentes individuais a raciocinar sobre os demais agentes?Como habilitar os agentes individuais a raciocinar sobre os demais agentes? –Ações planos e conhecimento –Ações coordenadas Como habilitar os agentes individuais a raciocinar sobre os demais agentes?Como habilitar os agentes individuais a raciocinar sobre os demais agentes? –Ações planos e conhecimento –Ações coordenadas Questões e Desafios - 4

21 Sistemas Multiagentes21 Como conciliar diferentes visões e objetivos conflitantes de diferentes agentes tentando coordenar ao mesmo tempo o sistema.Como conciliar diferentes visões e objetivos conflitantes de diferentes agentes tentando coordenar ao mesmo tempo o sistema. Questões e Desafios - 5

22 Sistemas Multiagentes22 Como é a engenharia dos sistemas multiagentes?Como é a engenharia dos sistemas multiagentes? Questões e Desafios - 6

23 Sistemas Multiagentes23 O Objetivo de Coerência Coerência é uma propriedade global de um sistema multiagenteCoerência é uma propriedade global de um sistema multiagente É medida pela eficiência, qualidade e consistência da solução global.É medida pela eficiência, qualidade e consistência da solução global. Coerência é uma propriedade global de um sistema multiagenteCoerência é uma propriedade global de um sistema multiagente É medida pela eficiência, qualidade e consistência da solução global.É medida pela eficiência, qualidade e consistência da solução global.

24 Sistemas Multiagentes24 O Problema da coerência Garantir coerência em SMA é muito difícil.Garantir coerência em SMA é muito difícil. –Por sua própria natureza os SMA NÃO apresentam: Perspectiva globalPerspectiva global Dados globaisDados globais Controle globalControle global Garantir coerência em SMA é muito difícil.Garantir coerência em SMA é muito difícil. –Por sua própria natureza os SMA NÃO apresentam: Perspectiva globalPerspectiva global Dados globaisDados globais Controle globalControle global

25 Sistemas Multiagentes25 OrganizaçõesOrganizações As organizações oferecem frameworks para a interação de agentes por meio de:As organizações oferecem frameworks para a interação de agentes por meio de: –Papéis –Comportamentos esperados –Relações de autoridade As organizações oferecem frameworks para a interação de agentes por meio de:As organizações oferecem frameworks para a interação de agentes por meio de: –Papéis –Comportamentos esperados –Relações de autoridade

26 Sistemas Multiagentes26 Visões Organizacionais Em geral:Em geral: –Vistas em termos de estrutura (padrões de informação) e relações de controle. Teoria da Organização:Teoria da Organização: –Um conjunto de agentes com compromissos mútuos, objetivos e crenças globais Em geral:Em geral: –Vistas em termos de estrutura (padrões de informação) e relações de controle. Teoria da Organização:Teoria da Organização: –Um conjunto de agentes com compromissos mútuos, objetivos e crenças globais

27 Sistemas Multiagentes27 Organização Hierárquica Um único agente detém toda a autoridadeUm único agente detém toda a autoridade A comunicação ocorre verticalmenteA comunicação ocorre verticalmente Um único agente detém toda a autoridadeUm único agente detém toda a autoridade A comunicação ocorre verticalmenteA comunicação ocorre verticalmente

28 Sistemas Multiagentes28 Comunidade de especialistas O agente é um expert na sua atividade.O agente é um expert na sua atividade. A organização é plana.A organização é plana. –Exemplo: arquiteturas blackboard Controladas por regras de ordemControladas por regras de ordem O agente é um expert na sua atividade.O agente é um expert na sua atividade. A organização é plana.A organização é plana. –Exemplo: arquiteturas blackboard Controladas por regras de ordemControladas por regras de ordem

29 Sistemas Multiagentes29 Market-basedMarket-based Os agentes competem por recursos através de leilões e contratosOs agentes competem por recursos através de leilões e contratos manager contractor manager

30 Sistemas Multiagentes30 Alocação de tarefas Como atribuir responsabilidades e recursos para melhorar a eficiência e a coerência das soluções?Como atribuir responsabilidades e recursos para melhorar a eficiência e a coerência das soluções? ExemplosExemplos –Método Hardwired –Método Dinâmico –Método Planejado Como atribuir responsabilidades e recursos para melhorar a eficiência e a coerência das soluções?Como atribuir responsabilidades e recursos para melhorar a eficiência e a coerência das soluções? ExemplosExemplos –Método Hardwired –Método Dinâmico –Método Planejado

31 Sistemas Multiagentes31 Alocação de Tarefas - Hardwired O projetista toma todas as decisõesO projetista toma todas as decisões –Eficiente –Típico projeto de sistema –Muito inflexível O projetista toma todas as decisõesO projetista toma todas as decisões –Eficiente –Típico projeto de sistema –Muito inflexível

32 Sistemas Multiagentes32 Alocação de Tarefas - Dinâmica Alocação dinâmica de tarefasAlocação dinâmica de tarefas –Exemplo - contract net protocol (CNP) GerenteGerente ContratadorContratador Alocação dinâmica de tarefasAlocação dinâmica de tarefas –Exemplo - contract net protocol (CNP) GerenteGerente ContratadorContratador manager contractor Step 1 – manager send request for bids manager contractor Step 2 – contractors deliberate manager contractor Step 3 – contractors respond with bid manager contractor Step 4 – manager selects winner manager contractor Step 5 – manager notifies winner (& losers)

33 Sistemas Multiagentes33 Alocação de Tarefas - Planejada O planejamento multiagente deve considerar:O planejamento multiagente deve considerar: –Restrições que as ações de outros agentes impõem sobre a ação de cada agente. –Restrições que os compromissos assumidos por um agente impões sobre suas ações. –Evolução imprevisível do mundo, causada pela ação de outros agentes. O planejamento multiagente deve considerar:O planejamento multiagente deve considerar: –Restrições que as ações de outros agentes impõem sobre a ação de cada agente. –Restrições que os compromissos assumidos por um agente impões sobre suas ações. –Evolução imprevisível do mundo, causada pela ação de outros agentes.

34 Sistemas Multiagentes34 Abordagens ao Planejamento Multiagente Coordenação central – controla todos os subplanosCoordenação central – controla todos os subplanos Esquemas de controle distribuídoEsquemas de controle distribuído –Conhecimento parcial dos planos de outros agentes Planejamento Global NegociadoPlanejamento Global Negociado –Compartilhamento de todos os planos –Ajuste local para a realização de objetivos comuns Modelagem Explícita da Equipe de AgentesModelagem Explícita da Equipe de Agentes –Compromissos cconjuntos –Crenças, desejos e intenções comuns Coordenação central – controla todos os subplanosCoordenação central – controla todos os subplanos Esquemas de controle distribuídoEsquemas de controle distribuído –Conhecimento parcial dos planos de outros agentes Planejamento Global NegociadoPlanejamento Global Negociado –Compartilhamento de todos os planos –Ajuste local para a realização de objetivos comuns Modelagem Explícita da Equipe de AgentesModelagem Explícita da Equipe de Agentes –Compromissos cconjuntos –Crenças, desejos e intenções comuns

35 Sistemas Multiagentes35 ConflitosConflitos A detecção e correção de disparidades e inconsistências é difícil.A detecção e correção de disparidades e inconsistências é difícil. A principal abordagem para a correção de conflitos tem sido a negociação:A principal abordagem para a correção de conflitos tem sido a negociação: –Assume agentes auto-interessados, com racionalidade limitada e informação incompleta. –Agentes trocam propostas e contra-propostas. A detecção e correção de disparidades e inconsistências é difícil.A detecção e correção de disparidades e inconsistências é difícil. A principal abordagem para a correção de conflitos tem sido a negociação:A principal abordagem para a correção de conflitos tem sido a negociação: –Assume agentes auto-interessados, com racionalidade limitada e informação incompleta. –Agentes trocam propostas e contra-propostas.

36 Sistemas Multiagentes36 ComunicaçãoComunicação Para melhorar a coerência, um SMA deve planejar o conteúdo, a quantidade, o tipo e o tempo de cada comunicação.Para melhorar a coerência, um SMA deve planejar o conteúdo, a quantidade, o tipo e o tempo de cada comunicação. Questões em sistemas abertos:Questões em sistemas abertos: –Interoperabilidade KQML, FIPAKQML, FIPA OntologiasOntologias –Localizando outros agentes Agentes intermediáriosAgentes intermediários BrokersBrokers Para melhorar a coerência, um SMA deve planejar o conteúdo, a quantidade, o tipo e o tempo de cada comunicação.Para melhorar a coerência, um SMA deve planejar o conteúdo, a quantidade, o tipo e o tempo de cada comunicação. Questões em sistemas abertos:Questões em sistemas abertos: –Interoperabilidade KQML, FIPAKQML, FIPA OntologiasOntologias –Localizando outros agentes Agentes intermediáriosAgentes intermediários BrokersBrokers

37 Sistemas Multiagentes37 Gerenciamento de Recursos Abordagens baseadas em pesquisa operacionalAbordagens baseadas em pesquisa operacional –Satisfação de restrições distribuídas Assume que todos os agentes estão trabalhando por um objetivo comumAssume que todos os agentes estão trabalhando por um objetivo comum Abordagens baseadas em pesquisa operacionalAbordagens baseadas em pesquisa operacional –Satisfação de restrições distribuídas Assume que todos os agentes estão trabalhando por um objetivo comumAssume que todos os agentes estão trabalhando por um objetivo comum

38 Sistemas Multiagentes38 Gerenciamento de Recursos Estratégias de MercadoEstratégias de Mercado –Os agentes são auto-interessados –Controlam recursos escassos –Problemas: Desequilíbrio na distribuição de recursos entre os agentes,Desequilíbrio na distribuição de recursos entre os agentes, Comportamento oscilante ou caótico,Comportamento oscilante ou caótico, Agentes egoístas e sem escrúpulos.Agentes egoístas e sem escrúpulos. Estratégias de MercadoEstratégias de Mercado –Os agentes são auto-interessados –Controlam recursos escassos –Problemas: Desequilíbrio na distribuição de recursos entre os agentes,Desequilíbrio na distribuição de recursos entre os agentes, Comportamento oscilante ou caótico,Comportamento oscilante ou caótico, Agentes egoístas e sem escrúpulos.Agentes egoístas e sem escrúpulos.

39 Sistemas Multiagentes39 Conclusões - 1 Projetar e construir sistemas multiagentes é uma tarefa difícil:Projetar e construir sistemas multiagentes é uma tarefa difícil: –Apresenta todos os problemas já conhecidos dos sistemas distribuídos e concorrentes. –Dificuldades adicionais surgem da flexibilidade e complexidade das interações. Projetar e construir sistemas multiagentes é uma tarefa difícil:Projetar e construir sistemas multiagentes é uma tarefa difícil: –Apresenta todos os problemas já conhecidos dos sistemas distribuídos e concorrentes. –Dificuldades adicionais surgem da flexibilidade e complexidade das interações.

40 Sistemas Multiagentes40 Conclusões - 2 Dois principais impedimentos técnicos:Dois principais impedimentos técnicos: –Inexistência de uma metodologia sistemática para claramente especificar e estruturar aplicações SMA. –Inexistência de ferramentas e ambientes de desenvolvimento de SMA com qualidade industrial. Dois principais impedimentos técnicos:Dois principais impedimentos técnicos: –Inexistência de uma metodologia sistemática para claramente especificar e estruturar aplicações SMA. –Inexistência de ferramentas e ambientes de desenvolvimento de SMA com qualidade industrial.