Design and Operation of Efficient Self-Organizing Systems

  • At the beginning of this 21st century, companies are faced with two key challenges with regard to their IT systems: first, the increasing complexity of IT systems gives rise to escalating operational expenditures for their administration and maintenance. Second, the intensifying, worldwide competition in all markets requires IT systems providing more agility, flexibility, scalability, robustness, and adaptivity in tackling daily businesses. Consequently, companies call for IT solutions with a high degree of autonomy - in order to manage themselves - as well as a high degree of decentralization - in order to provide the required, beneficial properties. Self-organizing emergent systems are generally acknowledged as a potential solution able to cover both of these requirements. They consist of many, simple elements (e.g. agents, servers, mobile devices, or robots), which have only partial or even no global system knowledge and make their decisions solely based on locally availableAt the beginning of this 21st century, companies are faced with two key challenges with regard to their IT systems: first, the increasing complexity of IT systems gives rise to escalating operational expenditures for their administration and maintenance. Second, the intensifying, worldwide competition in all markets requires IT systems providing more agility, flexibility, scalability, robustness, and adaptivity in tackling daily businesses. Consequently, companies call for IT solutions with a high degree of autonomy - in order to manage themselves - as well as a high degree of decentralization - in order to provide the required, beneficial properties. Self-organizing emergent systems are generally acknowledged as a potential solution able to cover both of these requirements. They consist of many, simple elements (e.g. agents, servers, mobile devices, or robots), which have only partial or even no global system knowledge and make their decisions solely based on locally available information. The global coherent system behavior is achieved only by means of the local actions and interactions between the elements, each unaware of the system's goals. The problem-solving power of a self-organizing emergent system hence mainly resides in the interactions between its elements instead of the internal reasoning of individual elements. However, there exist several problems and challenges, which hinder the acceptance of self-organizing emergent systems by industry. This thesis tackles two of them: first, the design of efficient self-organizing emergent systems today is too complex, time-consuming, and costly. Second, an acceptable efficiency of self-organizing emergent systems during the operation cannot be guaranteed for all situations. These problems form two challenging paradoxes: first, in order to conquer system complexity, one has to create more complex systems in a much more complex way. Second, in order to lower operational expenditures, one has to use potentially inefficient systems that actually may increase operational expenditures. Thus, this thesis presents several artifacts that on the one hand simplify the design of effective as well as efficient self-organizing emergent systems and on the other hand facilitate their efficient operation even in unforeseeable situations. In more detail, the major contributions of this thesis are as follows: - We investigate the general principles behind decentralized coordination by means of chemical stimuli (infochemicals) between organisms in biology and adopt them in a computational coordination model. The expressiveness of the adopted model and the use of infochemicals with different semantics, dynamics, and functions, allow for the simplified design of more efficient solutions and solution processes compared to existing approaches. - We present a corresponding design pattern that encapsulates the adopted coordination model in a systematic way familiar to software engineers. The pattern hides the inherent complexity of the designed system and makes meaningful abstractions from the biological principles. Furthermore, we present design guidelines that support the identification and adaptation of new coordination mechanisms based on IBC. This simplifies the design of new solutions but does not force engineers to be biological experts at the same time. - We present the general model of an advisor that is able to improve the efficiency of self-organizing emergent systems solving dynamic optimization problems with recurring tasks. This so-called Efficiency Improvement Advisor (EIA) in particular takes into account the low observability and poor controllability of self-organizing emergent systems during operation, considers their openness and basic autonomy, and preserves their beneficial self-organizing emergent properties. - We develop a decentralized coordination mechanism based on IBC, which takes its inspiration from the pollination of flowers by honey bees. This so-called pollination-inspired coordination (PIC) mechanism demonstrates the many beneficial capabilities of IBC and can e.g. be used for the self-organizing emergent solution to every-day problems in logistics, more specifically pickup and delivery problems. Likewise we develop an instantiation of the EIA model for this mechanism and domain.show moreshow less
  • Im Hinblick auf ihre IT-Systeme sind Unternehmen zu Beginn des 21. Jahrhunderts mit zwei entscheidenden Herausforderungen konfrontiert: Zum einen führt die wachsende Komplexität von IT-Systemen zu permanent steigenden Betriebsausgaben für deren Administration und Wartung. Zum anderen verlangt der sich weltweit intensivierende Wettbewerb in vielen Märkten nach IT-Systemen, welche mehr Agilität, Flexibilität, Skalierbarkeit, Robustheit und Adaptivität zur Bewältigung der täglichen Geschäfte bieten. Als Konsequenz fordern diese Unternehmen IT-Lösungen mit einem hohen Grad an Autonomie - so dass sich die Systeme selbständig administrieren und warten können - sowie einem hohen Grad an Dezentralität - um die genannten Eigenschaften erbringen zu können. Selbst-organisierende emergente Systeme werden allgemein als solch eine Lösung gesehen, welche beide Anforderungen abdeckt. Diese Systeme bestehen aus einer Vielzahl einfacher Elemente, wie z.B. Agenten, Servern, mobiler Geräte, oder Robotern,Im Hinblick auf ihre IT-Systeme sind Unternehmen zu Beginn des 21. Jahrhunderts mit zwei entscheidenden Herausforderungen konfrontiert: Zum einen führt die wachsende Komplexität von IT-Systemen zu permanent steigenden Betriebsausgaben für deren Administration und Wartung. Zum anderen verlangt der sich weltweit intensivierende Wettbewerb in vielen Märkten nach IT-Systemen, welche mehr Agilität, Flexibilität, Skalierbarkeit, Robustheit und Adaptivität zur Bewältigung der täglichen Geschäfte bieten. Als Konsequenz fordern diese Unternehmen IT-Lösungen mit einem hohen Grad an Autonomie - so dass sich die Systeme selbständig administrieren und warten können - sowie einem hohen Grad an Dezentralität - um die genannten Eigenschaften erbringen zu können. Selbst-organisierende emergente Systeme werden allgemein als solch eine Lösung gesehen, welche beide Anforderungen abdeckt. Diese Systeme bestehen aus einer Vielzahl einfacher Elemente, wie z.B. Agenten, Servern, mobiler Geräte, oder Robotern, welche allerdings nur partielles oder gar kein globales Wissen über das System besitzen und ihre Entscheidungen lediglich auf lokal verfügbaren Informationen basierend treffen. Das global kohärente Systemverhalten wird einzig und allein mittels den lokalen Aktionen und Interaktionen zwischen den Systemelementen erreicht, wobei jedes einzelne Element in Unkenntnis über die Aufgaben und Ziele des gesamten Systems ist. Die problemlösenden Fähigkeiten dieser Systeme liegen daher hauptsächlich in den Interaktionen zwischen allen Elementen anstatt im internen Denken und Folgern individueller Elemente. Allerdings existieren mehrere Probleme und Herausforderungen, welche heutzutage die breite Akzeptanz solcher Systeme seitens der Industrie verhindern. Diese Arbeit befasst sich mit zwei dieser Probleme: Zum einen ist das Design von effizienten, selbst-organisierenden emergenten Systemen heutzutage zu komplex, zeitintensiv und kostspielig. Zum anderen kann eine akzeptable Effizienz dieser Systeme während ihres Betriebs nicht immer garantiert werden. Diese Probleme stellen zwei herausfordernde Paradoxe dar: Erstens, um die Auswirkungen der steigenden Komplexität von IT-Systemen zu reduzieren, müssen noch komplexere Systeme auf eine viel komplexere Art und Weise entwickelt werden. Zweitens, um Betriebsausgaben senken zu können, müssen potentiell ineffiziente Systeme eingesetzt werden, welche möglicherweise die Betriebsausgaben gar steigern. Daher präsentiert diese Arbeit mehrere Artefakte, welche einerseits das Design von effektiven als auch effizienten, selbst-organisierenden emergenten Systemen vereinfachen und andererseits deren effizienten Betrieb selbst in vorher nicht bedachten Situationen ermöglichen: - Wir untersuchen die allgemeinen Prinzipien der dezentralen Koordination mittels chemischen Duftstoffen (sog. Infochemikalien) zwischen biologischen Organismen und adoptieren diese in einem Koordinationsmodell für IT-Systeme. Die Ausdrucksfähigkeit des entwickelten Koordinationsmodells und die Verwendung von Infochemikalien mit unterschiedlicher Semantik, Dynamik und Funktionalität ermöglichen ein einfacheres Design von effizienteren Lösungen und Prozessen im Vergleich zu existierenden Ansätzen. - Wir entwickeln ein Design Pattern, welches das abgeleitete Koordinationsmodell in einer für Softwareingenieure bekannten und systematischen Art und Weise kapselt. Das Pattern blendet die inhärente Komplexität des entwickelten Systems aus und vollzieht sinnvolle Abstraktionen von den biologischen Prinzipien. Dazu passend entwickeln wir Richtlinien für das Design, welche die Identifikation und Adaptation von neuen, auf digitalen Infochemikalien basierenden Koordinationsmechanismen unterstützen. Beides vereinfacht das Design neuer Lösungen, aber verlangt von Softwareingenieuren nicht gleichzeitig auch noch Experten auf dem Gebiet der Biologie zu sein. - Wir entwickeln das generelle Modell eines sog. Advisors (Ratgeber), welcher in der Lage ist, die Effizienz von selbst-organisierenden emergenten Systemen bei der Lösung von dynamischen Optimierungsproblemen mit wiederkehrenden Aufgaben zur Laufzeit zu verbessern. Das Modell des Advisors berücksichtigt insbesondere die geringe Beobachtbarkeit und schlechte Kontrollierbarkeit von selbst-organisierenden emergenten Systemen während ihres Betriebs als auch ihre Offenheit und die grundlegende Autonomie ihrer Elemente. Zudem bewahrt das Modell die vorteilhaften, selbst-organisierenden, emergenten Eigenschaften dieser Systeme. - Wir entwickeln einen dezentralen Koordinationsmechanismus basierend auf digitalen Infochemikalien, welcher seine Inspiration aus der Bestäubung von Blüten durch Honigbienen gewinnt. Dieser Mechanismus kann bspw. für die selbst-organisierende emergente Lösung von alltäglichen Problemen in der Logistik eingesetzt werden. Gleichermaßen instanziieren wir das Modell des Advisors für diesen Mechanismus und diese Domäne.show moreshow less

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Metadaten
Author:Holger KasingerGND
URN:urn:nbn:de:bvb:384-opus-17490
Frontdoor URLhttps://opus.bibliothek.uni-augsburg.de/opus4/1544
Title Additional (German):Design und Betrieb von effizienten selbst-organisierenden Systemen
Advisor:Bernhard Bauer
Type:Doctoral Thesis
Language:English
Publishing Institution:Universität Augsburg
Granting Institution:Universität Augsburg, Fakultät für Angewandte Informatik
Date of final exam:2010/11/10
Release Date:2011/07/08
Tag:Selbst-Management; Selbst-Organisation; Biologische Inspiration; Koordinationsmodell; Simulation
self-management; self-organization; emergence; biological inspiration; coordination model
GND-Keyword:Softwareentwicklung; Autonomer Agent; Emergenz; Effizienzsteigerung; Anpassung
Institutes:Fakultät für Angewandte Informatik
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