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Résolution de problèmes par émergence Étude dun Environnement de Programmation Émergente Jean-Pierre Georgé

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Présentation au sujet: "Résolution de problèmes par émergence Étude dun Environnement de Programmation Émergente Jean-Pierre Georgé"— Transcription de la présentation:

1 Résolution de problèmes par émergence Étude dun Environnement de Programmation Émergente Jean-Pierre Georgé

2 2 / 49 Plan général 1.Problématique 2.Émergence et auto-organisation 3.Théorie & technologie AMAS (Adaptive Multi-Agent Systems) 4.EPE : un Environnement de Programmation Émergente 5.Implémentation 6.Expérimentations 7.2 ème stratégie : exemple élémentaire 8.Enseignements et perspectives

3 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 3 / 49 Partie 1 Problématique

4 Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 4 / 49 Les besoins futurs en informatique […] Without new approaches, things will only get worse. [Horn 01, IBM] Exemples : Autonomic Computing, Pervasive Computing / Ambient Intelligence Caractéristiques : –Grand nombre dentités en interaction –Nombre variable dentités en cours de fonctionnement (système ouvert) –Contrôle centralisé impossible à mettre en œuvre –Environnement évolutif et dynamique –Tâche globale à réaliser –Systèmes non entièrement spécifiables Néo-computation

5 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 5 / 49 Lidée de programmation émergente Programmer = assembler des instructions But : réaliser un programme adéquat Comment ? programmeur ou émergence Définition : assemblage d'instructions d'un langage de programmation via des mécanismes non explicitement informés du programme à créer Parcours de l'espace des programmes possibles

6 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 6 / 49 Résolution de problèmes par émergence Problème quelconque Entités quelconques Plus haut niveau Plus informé ? Mêmes principes que pour la programmation émergente Enseignements de la programmation émergente réapplicables

7 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 7 / 49 Objectifs Programmation émergente : étude de faisabilité : –Prototype simplifié –Système multi-agent –Auto-organisation –Théorie AMAS Résolution de problèmes par émergence Améliorer notre compréhension de l'émergence et de l'utilisation de l'auto-organisation dans les systèmes artificiels, développer la théorie AMAS

8 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 8 / 49 Partie 2 Émergence et auto organisation

9 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 9 / 49 Exemple introductif Vidéo : Guy Theraulaz, Laboratoire d'Ethologie et Cognition Animale, Toulouse

10 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 10 / 49 Émergence : définitions Émergence : –Niveau local / niveau global –Apparition de nouveauté –Irréductibilité –Cohérence et corrélation [Heylighen] [Lewes] [Langton] [Kim] [Goldstein] Systèmes artificiels : Objet : la fonction globale du système émerge Condition : l'implémentation n'est pas explicitement dictée par la connaissance de la fonction globale

11 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 11 / 49 Émergence et auto-organisation Émergence = concept philosophique Auto-organisation = explicitation des mécanismes [Prigogine] [Turing] [Camazine] [Bonabeau] [Theraulaz] Auto-organisation émergence ? Définition : ensemble des processus au sein d'un système, issus de mécanismes basés sur des règles locales, qui conduisent ce système à produire des structures ou des comportements spécifiques non explicitement dictés par l'extérieur du système

12 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 12 / 49 Mécanismes dauto-organisation : exemple REINE Gradient de phéromone produit par la reine Dépôts de phéromone par les termites Construction de termitières

13 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 13 / 49 Auto-organisation et systèmes artificiels Cf. exemple des termites Définir des mécanismes locaux Mécanismes non informés du "comment" réaliser la fonction globale Feedback et adaptation

14 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 14 / 49 Quelques techniques Calcul évolutionnaire Réseaux neuronaux "dynamiques" Algorithmes de colonies de fourmis Optimisation par essaims particulaires … Notions communes : résolution de problèmes et recherche dans des espaces d'états

15 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 15 / 49 SMA et auto-organisation Agent : –Propriétés individuelles (caractéristiques, état, compétences) –Propriétés sociales (accointances) –Connaissances (sur soi, sur autrui, sur l'environnement) –Moyens de perception, de communication, d'action, voire d'apprentissage et de raisonnement –Notion d'autonomie SMA : –Composé d'agents en interaction –Confronté à un environnement –Réalisation d'une fonction –Activité collective cohérente Outil idéal pour lauto-organisation [Chevrier] [Drogoul] [Hassas] [Mataric] [Mathieu] [Müller] [Odell] [Parunak]

16 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 16 / 49 Partie 3 Théorie et technologie AMAS

17 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 17 / 49 Principe SMA Auto-organisation Mécanismes basés sur la notion de coopération

18 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 18 / 49 Théorie AMAS (1) Systèmes Fonctionnellement Adéquats Systèmes Coopératifs Systèmes à Milieu Intérieur Coopératif

19 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 19 / 49 Théorie AMAS (2) Adaptation par réorganisation des parties

20 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 20 / 49 Technologie AMAS Systèmes Multi-Agents capables d'auto-organisation basée sur la coopération Coopération : –Tout signal perçu peut être interprété sans ambiguïté –L'information reçue est utile au raisonnement de l'agent –Le raisonnement conduit à des actions utiles pour autrui ou l'environnement Situations Non Coopératives (SNC) Moteur de l'auto-organisation = traitement des SNC Traitement préventif possible : attitude coopérative

21 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 21 / 49 Lapproche expérimentale Limites de l'approche théorique (démonstrations) Approche expérimentale (cf. sciences naturelles) Problèmes diversifiés traités par l'équipe Un pas plus loin : la programmation émergente

22 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 22 / 49 Éléments de catégorisation de problèmes Nature de la réorganisation au sein du système Nature de la fonction globale du système Origine des SNC et nature de leur résorption Existence ou non d'un feedback et distinction "but local / but global" "Distance" entre fonction des parties et fonction globale Utilisation d'une mémoire La question des systèmes ouverts Nature de l'environnement de l'agent

23 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 23 / 49 Partie 4 EPE 1 Note 1 : EPE : Emergent Programming Environment ou Environnement de Programmation Émergente

24 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 24 / 49 Concept Instruction = agent Programme = une organisation des agents Exécution = interaction entre agents Auto-organisation des agents Application de la théorie AMAS aux agents (coopération) Néo-programmeur : juge et influence au travers de l'environnement Les difficultés : –Le feedback –Les mécanismes d'auto-organisation –La composition du système

25 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 25 / 49 Utilité et exemple historique Réponse aux problèmes de néo-computation : – Problèmes incomplètement spécifiés – Système continuellement adaptatif Exemple historique : le problème du "deadlock" : /* Entry section for P1 */ /* Entry section for P2 */ Q1 := True; Q2 := True; TURN := 1; TURN := 2; wait while Q2 and TURN := 1; wait while Q1 and TURN := 2; /* Exit section for P1 */ /* Exit section for P2 */ Q1 := False; Q2 := False;

26 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 26 / 49 Simplification du problème Restriction à un sous-ensemble du calcul numérique Exemple de la factorielle Intérêt : –Composition simple –Simplification du feedback –Fonctionnement riche

27 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 27 / 49 Description des agents Agents : –In : entrée, Out : sortie –+, x : calcul –1 : valeur numérique 1 –= : test d'égalité –F : "FirstTime" (expression du choix)

28 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 28 / 49 Fonctionnement int factorielle (n) { int res; if (n = 0) res := 1; else if (n = 1) res := 1; else { int i = 2; res := i; while (i n) { i := i+1; res : = res*i; } return res; }

29 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 29 / 49 Auto-organisation : 1 ère stratégie Notion de "valeur de confiance" Description des SNC : – NCSNeedIn – NCSNeedOut – NCSUselessness – NCSBlockingSituation – NCSInadequateData Résorption des SNC et attitude coopérative

30 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 30 / 49 Partie 5 Implémentation

31 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 31 / 49 Considérations générales Des threads pour rester proche des phénomènes réels Des agents simples mais des comportements complexes 200 classes, lignes de codes

32 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 32 / 49 Architecture MessageListenerMessageSender ProgrammingEnvironment AcquaintancesManager MessageManager SynchronizationManager ReorganizationManager Agent GUI Specific Agents Architecture générale

33 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 33 / 49 Le logiciel EPE

34 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 34 / 49 Partie 6 Expérimentation

35 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 35 / 49 Résultats expérimentaux Capacité de calcul Capacité de réorganisation Vers un milieu intérieur coopératif (capacité à produire une organisation complète fonctionnelle) Prise en compte du feedback Un problème fortement discontinu Un parcours "aveugle" Échec de la 1 ère stratégie (valeurs de confiance)

36 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 36 / 49 Vers une 2 ème stratégie Feedback plus informé ? ("plus grand" / "plus petit") Stratégie par "accaparement de but" Question : corrélation entre proximité fonctionnelle et proximité organisationnelle ?

37 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 37 / 49 Topologie de l'espace de recherche

38 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 38 / 49 Résultats et conséquences Valeurs produites par les 2800 organisations sélectionnées Moyenne pour chaque catégorie de proximité organisationnelle

39 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 39 / 49 Partie 7 Exemple élémentaire

40 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 40 / 49 Description et utilité Difficultés précédentes : observation, compréhension, traçage "pas à pas" Exemple élémentaire : 5 agents : +, *, 3 constantes

41 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 41 / 49 Auto-organisation : 2 ème stratégie Feedback plus informé Accaparement de but Nouvelles NCS : – NCSInformedInadequateData – NCSInformedNeedIn Objectif : satisfaire au mieux les buts individuels Auto-organisation : la question du "comment" Traitements : –Valeur potentielle de sortie –Notion de préjudice –Multiplicité des liens –Algorithme du traitement coopératif du préjudice imposé

42 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 42 / 49 Résultats expérimentaux Adéquation fonctionnelle atteinte efficacement (parcours de moins d'une centaine d'organisations sur les possibles) Capacité du système à produire "plus grand" / "plus petit" Un premier pas de "scaling up" (un agent addition supplémentaire, organisations possibles, parcours de moins de 200 organisations)

43 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 43 / 49 Partie 8 Enseignements et perspectives

44 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 44 / 49 Les difficultés Le piège de la simplicité des agents Une classe particulière de problèmes La difficulté d'implémentation

45 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 45 / 49 EPE et la théorie AMAS AMAS : –Détection –Résorption de SNC –Attitude coopérative EPE : –Manque d'information pour la résorption –Problème fortement discontinu – Distance but local / but global –Traitement du préjudice

46 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 46 / 49 Perspectives Enrichissement de la théorie Un langage de programmation complet Traiter des problèmes de néo-computation réels Développement d'outils et de méthodes

47 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 47 / 49 Vers un langage complet AgentProg (noté "Prog") AgentSequence (noté ";") AgentIfThenElse (noté "IfThenElse") AgentWhile (noté "While") AgentVariable (noté "x", où x est le nom de la variable) AgentAssignment (noté ":=") AgentReturn (noté "return") AgentMinus (noté "-") factorielle (x) { if (x = 0) r := 1; else { r := x; x := x-1; while (x > 0) { r := r*x; x := x-1; } return r; }

48 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 48 / 49 Résolution de problèmes par émergence Programmation émergente difficile EPE : enseignements pour aborder d'autres problèmes à plus haut niveau, de façon plus informée Exploration de mécanismes d'auto organisation La question du "comment" Parcours d'un espace de recherche par auto-organisation

49 Problématique Émergence et auto-organisation Théorie AMAS EPE Implémentation Expérimentations Exemple élémentaire Enseignements et perspectives 49 / 49 Conclusion Étude de faisabilité du concept positive Très loin d'un langage complet Exploration du concept : –Connaissances sur la programmation émergente –Connaissances sur l'émergence et l'auto-organisation –Développement de la théorie AMAS La voie de l'émergence


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