INTRODUZIONE ALLA TEORIA DEGLI AGENTI

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1 Università degli Studi di Udine Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale Meccanica INTRODUZIONE ALLA TEORIA DEGLI AGENTI Erika Bernardi 22 maggio 2006

2 Obiettivi Definire cosa sono gli agenti come si costruiscono quali sono i comportamenti che possono essere modellati Definire cosa è il sistema multi-agente le sue caratteristiche Definire il concetto di emersione dal basso e di auto-organizzazione 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 2

3 Sommario Storia della teoria ad agenti Definizione di agente Classi di agente Architettura di agente Tecniche di apprendimento Relazioni tra agenti Comunicazione Modellazione dell ambiente Sistemi multi-agente Auto-organizzazione 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 3

5 Teoria e simulazione ad agenti Teoria della complessità Simulazione ad agenti Teoria degli agenti Distributed Artificial Intelligence 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 5

6 Storia della teoria degli agenti La teoria degli agenti si colloca là dove convergono diverse discipline. Le due più importanti sono: Distributed Artificial Intelligence (DAI) Artificial Life (AL) 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 6

8 Che cos è un agente Rispondere alla domanda che cos è un agente è difficile per la comunità di ricercatori che si occupano di agenti tanto quanto rispondere alla domanda che cos è l intelligenza per la comunità di ricercatori dell Artificial Intelligence (Hewitt, 1995) 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 8

9 Definizione di agente Un agente è un entità computazionale, un programma software, che può essere in grado di percepire e agire nel suo ambiente e ha un comportamento autonomo che almeno parzialmente dipende dalla sua esperienza personale 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 9

10 Caratteristiche dell agente 1. autonomia: gli agenti operano senza il diretto intervento dall esterno 2. abilità sociale: gli agenti hanno la capacità di interagire con altri agenti 3. reattività: gli agenti percepiscono il loro ambiente e rispondono tempestivamente ai cambiamenti che si verificano 4. pro-attività: gli agenti sono in grado di esibire comportamenti diretti agli obiettivi prendendo l iniziativa 5. bounded rationality: gli agenti non hanno una conoscenza completa di tutte le informazioni del sistema 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 10

12 Classi di agente Agente cognitivo 1. Regole comportamentali complesse 2. Memoria degli avvenimenti passati 3. Conoscenza incrementale Agente reattivo 1. Regole comportamentali azione-reazione 2. Nessuna memoria del passato Robot 1. Regole comportamentali complesse 2. Memoria degli avvenimenti 3. Conoscenza incrementale 4. Azioni nell ambiente reale 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 12

13 Caratteristiche degli agenti Caratteristiche Agente cognitivo Agente reattivo Robot Regole di modellazione semplici Regole di modellazione complesse Strutturali Apprendimento Memoria Conoscenza incrementale Possedere piani prestabiliti Capacità di raggiungere gli obiettivi Reattività Comportamentali Azioni elementari Regole comportamentali azione-reazione Interazione con altri agenti Interazione con l ambiente Emersione di comportamenti aggregati 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 13

15 Architettura di agente È una mappa delle strutture dati di un agente, delle operazioni che possono essere realizzate su queste strutture dati e del flusso di controllo tra queste strutture dati. Wooldridge, maggio 2006 Università degli Studi di Udine 15

16 Tipologie di architetture Astratte Non danno alcuna informazione su come implementare le azioni degli agenti La funzione di decision making non è operativa Concrete Implementano operativamente le funzioni di decision making Risultando le più utilizzate nella modellazione degli agenti 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 16

17 Architetture concrete e tipi di agenti Architetture Agenti Agente Cognitivo Agente Reattivo Robot Belief-desireintention Architettura Beliefdesire-intention A moduli orizzontali A lavagna Architettura Reattiva Moduli verticali Incarichi competitivi Sistema di produzione Architettura ibrida o layered Sistema classificatore Altri tipi di architetture Connessionista Sistema dinamico Multi-agente 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 17

19 Apprendimento È la proprietà fondamentale degli agenti Agenti intelligenti Sistemi dinamici Agenti adattativi 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 19

20 Tecniche di apprendimento Possono essere centralizzate o distribuite Tecniche di apprendimento Processi di apprendimento Conoscenza degli altri agenti e apprendimento dagli altri agenti Apprendimento e comunicazione Apprendimento e coordinazione Centrale Distribuito 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 20

21 Apprendimento e coordinazione È detto anche apprendimento per rafforzamento Si eseguono opportune attività di coordinazione, che portano allo sviluppo di un flusso dati o di strutture di controllo che incrementano le interazioni multiple tra gli agenti Le strutture di controllo consentono di valutare qual è il livello di apprendimento raggiunto ed eventualmente correggere il processo di apprendimento (feedback) 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 21

23 Relazioni tra agenti Interazione Cooperazione Coordinazione Organizzazione 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 23

24 Relazioni tra agenti Interazione Cooperazione Interazione Coordinazione Organizzazione 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 24

25 Interazione tra gli agenti Si verifica quando due o più agenti sono legati da una relazione e si concretizza in una serie di azioni le cui conseguenze influenzano il comportamento futuro 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 25

26 Relazioni tra agenti Interazione Cooperazione Cooperazione Coordinazione Organizzazione 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 26

27 Cooperazione tra gli agenti Fa sì che le prestazioni del gruppo aumentino all ingresso di una nuova unità ed è un mezzo per risolvere il conflitto attuale o potenziale 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 27

28 Protocolli di cooperazione 1. Condivisione dell incarico 2. Condivisione del risultato 3. Grado di specializzazione degli agenti 4. Negoziazione 5. Comunicazione 6. Formazione di gruppi 7. Strutture organizzative 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 28

29 Condivisione dell incarico Divisione dei compiti e conseguente assegnazione dei sottocompiti agli agenti Meccanismi di assegnazione degli incarichi: 1. Allocazione centralizzata attraverso un trader 2. Allocazione distribuita attraverso network di conoscenze 3. Allocazione distribuita attraverso Contract Net 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 29

30 Condivisione dell incarico 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 30

31 Protocolli di cooperazione 1. Condivisione dell incarico 2. Condivisione del risultato 3. Grado di specializzazione degli agenti 4. Negoziazione 5. Comunicazione 6. Formazione di gruppi 7. Strutture organizzative 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 31

32 Grado di specializzazione degli agenti Processo attraverso cui gli agenti diventano sempre più idonei e specializzati a svolgere i loro compiti Strumento utilizzato è il blackboard system È come se un gruppo di uomini si trovasse davanti ad un ampia lavagna e lavorasse in modo cooperativo per risolvere un problema, usando la lavagna come spazio di lavoro per sviluppare la soluzione 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 32

33 Relazioni tra agenti Interazione Cooperazione Coordinazione Coordinazione Organizzazione 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 33

34 Coordinazione tra gli agenti È l articolazione delle azioni individuali realizzate dagli agenti La coordinazione in un sistema multi-agente accade at run time, cioè, gli agenti stessi devono essere in grado di riconoscere queste relazioni e dove necessario gestirle come parte delle loro attività (von Martial, 1992) È un fatto dinamico e non statico 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 34

35 Principali tecniche di coordinazione 1. Coordinazione per sincronizzazione la più elementare 2. Coordinazione per pianificazione la più tradizionale 3. Coordinazione reattiva usata per agenti di tipo reattivo 4. Coordinazione per regolazione per sistemi con coordinazione limitata 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 35

36 Coordinazione per pianificazione 1. Pianificazione centralizzata per piani distribuiti un agente coordinatore disaggrega il piano in filoni 2. Pianificazione distribuita per piani centralizzati un aspetto caratteristico è l emersione Per la pianificazione complessa nei campi come il manufacturing o la logistica, il processo di pianificazione potrebbe essere ben distribuito tra numerosi agenti, ciascuno dei quali contribuisce a parti del piano, finché viene formulato il piano complessivo 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 36

37 Coordinazione per pianificazione 1. Pianificazione centralizzata per piani distribuiti un agente coordinatore disaggrega il piano in filoni 2. Pianificazione distribuita per piani centralizzati un aspetto caratteristico è l emersione 3. Pianificazione distribuita per piani distribuiti ciascun agente pianifica le azioni che intende compiere (Ferber, 1999) 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 37

38 Relazioni tra agenti Interazione Cooperazione Organizzazione Coordinazione Organizzazione 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 38

39 Organizzazione di agenti In essa si definiscono delle relazioni di subordinazione tra gli agenti attraverso l assegnazione di compiti che gli agenti devono svolgere 1. si insatura in seguito a relazioni di cooperazione e coordinazione 2. impedisce che gli obiettivi dei diversi agenti entrino in conflitto 3. si instaura quando un gruppo di agenti ha individuato un obiettivo da raggiungere 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 39

40 Organizational structure vs concrete organizations Organisational structure modello delle relazioni tra gli agenti e dei i rapporti di subordinazione Concrete organisation l organizzazione vera e propria 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 40

42 Comunicazione tra agenti È il mezzo attraverso cui sviluppare la cooperazione e la coordinazione tra gli agenti Si divide Atti del linguaggio Sono atti comunicativi a senso unico, non sono volti ad instaurare una conversazione Conversazione È uno scambio o una condivisione di informazioni, che si sviluppa attraverso un network di agenti 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 42

43 Protocolli e linguaggi di comunicazione I protocolli definiscono le regole di costruzione dei messaggi e quindi devono essere universalmente condivisi da tutti gli agenti 1.CORBA, Common Object Request Broker Architecture 2.KQML, Knowledge Query and Manipulation Language I linguaggi di comunicazione consentono di formulare il messaggio 1.KQML Knowledge Query and Manipulation Language 2.KIF Knowledge Interchange Format 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 43

45 Ambiente [ ] l ambiente è un mezzo separato dagli agenti su cui operano e con cui interagiscono (Epstein, Axtell, 1996) È la struttura all interno della quale gli agenti si muovono e può essere rappresentato, nel caso più semplice, dal network di comunicazione, nei casi più complessi, dal mondo reale 1. Strutturato, l ambiente è dotato di regole costruite ex-ante 2. Non strutturato, non presenta regole predefinite, esse emergono dalle interazioni 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 45

47 Definizione di sistema multi-agente Un sistema multi-agente è un sistema in cui alcuni agenti intelligenti interagiscono per soddisfare un certo insieme di obiettivi, allo scopo di portare a termine un certo insieme di compiti (Shen, 1999) 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 47

48 Principali caratteristiche 1. composto da numerosi agenti 2. ogni agente ha delle informazioni incomplete 3. ogni agente possiede abilità di cooperazione, coordinazione e negoziazione 4. il sistema di controllo e di calcolo sono distribuiti 5. i dati sono decentralizzati 6. caratterizzati da comportamenti auto-organizzativi spontanei e da strategie individuali semplici 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 48

49 Esempio di sistema multi-agente La nostra cucina è un sistema multi-agente un sistema di calcolo distribuito 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 49

51 Auto-organizzazione È il processo attraverso il quale emergono spontaneamente, senza alcuna pianificazione dall alto, delle strutture che sono il risultato delle interazioni tra gli agenti Da qualunque parte la si consideri l auto-organizzazione può essere vista come un processo in cui elementi con grande differenziazione raggiungono una grande integrazione (Gharajedaghi, 1999) 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 51

52 Esempi di sistemi auto-organizzati formiche, creano sistemi complessi, costituiti da numerose unità e molto efficienti cervello, nasce dalla connessione di neuroni, unità semplici galassie, distribuzione su larga scala dell energia e della materia dell universo uragano, proprietà emergente di fenomeni meteorologici Linux, World Wide Web 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 52

53 Proprietà emergenti Possono apparire quando un numero di entità semplici operano in un ambiente, creando comportamenti più complessi Una caratteristica fondamentale è che non appartengono ad una delle entità che costituiscono il sistema Una condizione fondamentale perché si possa parlare di proprietà emergenti è l aspetto non prevedibile e senza precedenti 22 maggio 2006 Università degli Studi di Udine 53

54 Università degli Studi di Udine Dipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale Meccanica Facoltà di Ingegneria INTRODUZIONE ALLA TEORIA DEGLI AGENTI Erika Bernardi 22 maggio 2006