Large-Scale Open Self-Organising Systems: Managing Complexity with Hierarchies, Monitoring, Adaptation, and Principled Design

  • Systems of a very large scale — including several thousand independent components interacting and working together — become increasingly ubiquitous in mission-critical operations. A prominent example for this development are power management systems that have grown tremendously in size and complexity with the increased installation of distributed energy resources such as small solar installations and biogas plants. Other examples include civil protection and disaster management systems as well as planet-wide logistics systems. Centralised control in such systems is unable to process the amount of data that is produced and to make timely control decisions. The key to handling the complexity is thus increasing their autonomy, i.e., the ability of the individual component to make decisions on its own, based on its locally available information and in coordination with other components in the system. Full decentralisation, however, means that it becomes impossible to make optimal decisionsSystems of a very large scale — including several thousand independent components interacting and working together — become increasingly ubiquitous in mission-critical operations. A prominent example for this development are power management systems that have grown tremendously in size and complexity with the increased installation of distributed energy resources such as small solar installations and biogas plants. Other examples include civil protection and disaster management systems as well as planet-wide logistics systems. Centralised control in such systems is unable to process the amount of data that is produced and to make timely control decisions. The key to handling the complexity is thus increasing their autonomy, i.e., the ability of the individual component to make decisions on its own, based on its locally available information and in coordination with other components in the system. Full decentralisation, however, means that it becomes impossible to make optimal decisions since the limited knowledge of the decision maker forces it to ignore over-arching issues. This thesis thus proposes to use hierarchical system structures in which agents have regional knowledge and are able to delegate decisions to superiors if their information is insufficient. For this purpose, it introduces methods for hierarchical self-organisation that create a hierarchical structure that is suitable to make timely, yet good decisions. It further details a monitoring infrastructure for hierarchically structured systems that can be automatically transformed from system requirements models and allows to detect misbehaviour in a hierarchical system. For this purpose, the correct behaviour of the system is defined in the same requirements, using hard constraints that define a corridor of correct behaviour and soft constraints — specified with constraint relationships — that define optimal behaviour. This monitoring infrastructure is coupled to controllers that can reconfigure a hierarchical system by solving constraint satisfaction problems — based on the same constraints as the monitoring infrastructure — and use model synthesis and abstraction to propagate information and control decisions through a hierarchical system. Finally, an agent-oriented software engineering process allows the development of open self-organising multi-agent systems in an agile, iterative-incremental way by incorporating important aspects of these systems into the process and providing important guidelines.show moreshow less
  • Sehr große Systeme – d.h., solche, in denen mehrere tausend unabhängige Komponenten miteinander interagieren und zusammenarbeiten – werden immer wichtiger in missions-kritischen Umgebungen. Ein prominentes Beispiel hierfür sind Energiemanagementsysteme, die durch die starke Verbreitung dezentraler Energieerzeuger auf Basis erneuerbarer Energien einen enormen Größen- und Komplexitätszuwachs erfahren haben. Weitere Beispiele sind Zivilschutz und Katastrophenmanagementsysteme sowie globale Logistiksysteme. In solchen Systemen ist die bisherige, zentralisierte Kontrolle nicht mehr oder nur noch stark eingeschränkt in der Lage, die anfallenden Daten zu verarbeiten und rechtzeitig Kontrollentscheidungen zu treffen. Der Schlüssel, um mit dieser Komplexität umzugehen, ist die Erhöhung der Autonomie der Systeme, also der Fähigkeit der einzelnen Komponenten, eigene Entscheidungen auf Basis der lokal verfügbaren Informationen und auf Basis von Koordination mit anderen Komponenten im System zuSehr große Systeme – d.h., solche, in denen mehrere tausend unabhängige Komponenten miteinander interagieren und zusammenarbeiten – werden immer wichtiger in missions-kritischen Umgebungen. Ein prominentes Beispiel hierfür sind Energiemanagementsysteme, die durch die starke Verbreitung dezentraler Energieerzeuger auf Basis erneuerbarer Energien einen enormen Größen- und Komplexitätszuwachs erfahren haben. Weitere Beispiele sind Zivilschutz und Katastrophenmanagementsysteme sowie globale Logistiksysteme. In solchen Systemen ist die bisherige, zentralisierte Kontrolle nicht mehr oder nur noch stark eingeschränkt in der Lage, die anfallenden Daten zu verarbeiten und rechtzeitig Kontrollentscheidungen zu treffen. Der Schlüssel, um mit dieser Komplexität umzugehen, ist die Erhöhung der Autonomie der Systeme, also der Fähigkeit der einzelnen Komponenten, eigene Entscheidungen auf Basis der lokal verfügbaren Informationen und auf Basis von Koordination mit anderen Komponenten im System zu treffen. Eine vollständige Dezentralisierung bedeutet allerdings, dass es unmöglich wird, optimale Entscheidungen zu treffen, da die eingeschränkte Information, die bei dem einzelnen Entscheider vorliegen, dazu führt, dass übergeordnete Themen unter Umständen ignoriert werden. Im Rahmen dieser Dissertation wird daher vorgeschlagen, hierarchische Systemstrukturen einzusetzen, in denen die einzelne Komponente – im folgenden auch Agent genannt – regionales Wissen über die Umgebung besitzt und in der Lage ist, Entscheidungen an übergeordnete Instanzen abzutreten, wenn die eigene Informationslage ungenügend ist. Zu diesem Zweck wird ein hierarchisches Selbstorganisationsverfahren eingeführt, das hierarchische Strukturen etabliert, in denen Entscheidungen zeitnah und mit hoher Qualität getroffen werden können. Weiterhin wird eine Infrastruktur zur Systembeobachtung entwickelt, die auf Basis der Hierarchie Fehlverhalten des Systems entdecken kann. Diese Infrastruktur kann automatisch per Modelltransformation aus den zuvor erhobenen Anforderungen abgeleitet werden. In diesen wird das korrekte Verhalten des Systems spezifiziert, indem ein Verhaltenskorridor angegeben wird, bestehend aus harten Constraints — also Nebenbedingungen — und aus weichen Constraints, die wiederum mit Hilfe von Constraint Relationships ausgedrückt werden und optimales Verhalten angeben. Diese Infrastruktur wird gekoppelt mit Kontrollverfahren, die das System zur Laufzeit umkonfigurieren und adaptieren, indem sie Constraint Satisfaction Probleme lösen, die auf den selben Nebenbedingungen basieren wie die Verhaltenskorridore. Modellsynthese und -abstraktion propagieren diese Informationen und Kontrollentscheidungen dabei in der Hierarchie, so dass der richtige Entscheidungsträger immer die notwendigen Daten vorliegen hat. Ein agentenorientierter Software-Entwicklungsprozess erlaubt es schließlich, offene selbstorganisierende Multiagentensysteme in einer agilen, iterativ-inkrementellen Art und Weise zu erstellen, bei der die wichtigen und einmaligen Aspekte dieser Systemklasse berücksichtigt werden und entsprechende Hilfsmittel und Richtlinien zur Verfügung stellt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jan-Philipp Steghöfer
URN:urn:nbn:de:bvb:384-opus4-28222
Frontdoor URLhttps://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/2822
Advisor:Wolfgang Reif
Type:Doctoral Thesis
Language:English
Publishing Institution:Universität Augsburg
Granting Institution:Universität Augsburg, Fakultät für Angewandte Informatik
Date of final exam:2014/02/06
Release Date:2014/12/10
GND-Keyword:Selbstorganisation; Komplexes System; Software Engineering; Mehragentensystem; Autonomes System
Institutes:Fakultät für Angewandte Informatik / Institut für Informatik
Dewey Decimal Classification:0 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke / 00 Informatik, Wissen, Systeme / 004 Datenverarbeitung; Informatik
Licence (German):Deutsches Urheberrecht mit Print on Demand