Distributed Planning

Patrick De CausmaeckerGedistribueerde Dataverwerking,

Informatieverwerking en Beslissingsondersteuning (GDIB)

K.U. Leuven Campus Kortrijk

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 2

Inhoud

• Complexiteit van planning

• Gedistribueerde planning

• Een oplossing via multiagentensystemen?

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 3

Planning

XTremisWeb: web-

based personnel

planning and job

loading

we develop a model for distributed personnel planning. We want to build a generic model that allows to

optimise the time plans of the personnel over department boundaries, to discover win-win situations in which

an interchange of personnel can render a better global result.

which

wasdeveloped for personnel-planning in laboratories

related to health care. We describe the characteristics

of these

world-class patient logistics software, designed to support generic planning

and management processes related to the patient's stay in hospital.

tussen productieplanning

en -controle met MES

… Time & Attendance, Access Control, Personnel

Planning & Cost center management.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 4

Planning revisitedKorte termijn, reactief

• Scheduling: het toekennen, onder beperkingen, van middelen aan objecten in ruimte en tijd zodanig dat een bepaalde grootheid geoptimaliseerd wordt.

• Sequencing: de constructie, onder beperkingen, van een volgorde van uitvoering van activiteiten.

• Timetabling: de toekenning, onder beperkingen, van middelen aan objecten in ruimte en tijd zodanig dat een verzameling doelstellingen worden gerealiseerd

• Rostering: het plaatsen, onder beperkingen, van middelen op posities in een vast patroon

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 5

Voorbeelden• Scheduling in productie

– Dit is een zeer grondig bestudeerd onderwerp dat geleid heeft tot tal van verrassende en briljante ontdekkingen op theoretisch en praktisch vlak.

• Opstellen van uurroosters voor (hoge)scholen, universiteiten, sportwedstrijden, … , … – Ook dit is het laatste decennium grondig bestudeerd. Het dient

als testbank voor moderne optimalisatietechnieken. Ook modelleringproblemen komen aan bod.

• Scheduling in netwerken• Personeelsscheduling

– Zowel rostering, timetabling als scheduling komen hier aan bod. Dit stelt eigen modelleringsproblemen.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 6

Complex…

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 7

Lokale zoeken : Tabu search

• Metaheuristiek : een algoritmeschema met ruimte voor probleemgebonden informatie.

• Lokale optima verlaten door het verbieden van recent gebruikte (soorten) zetten.

• Brede exploratie afwisselen met intens onderzoek

• Door het landschap bewegen via verschillende nabuurschapsrelaties (VNHS)

• Er is geen garantie dat het optimum gevonden is.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 8

Gebruikersinterface

De complexiteit van het model is meestal ook duidelijk in de gebruikersinterface. De onmogelijkheid om alle verwachtingen van de operator en de andere gebruikers uit te drukken leidt tot de implementatie van geavanceerde grafische hulpmiddelen. Ze laten toe om een rooster visueel te onderzoeken en om automatisch gegenereerde roosters manueel aan te passen.

Integrating human abilities and automated systems for timetabling: a competition using STARK and HuSSH Representations at the PATAT 2002 ConferenceS.Ahmadi, R. Barone, E.K. Burke, P. Cheng, P. Cowling, B. McCollum

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 9

Gedistribueerde personeelsscheduling

• Voorbeelden– Carter beschrijft een procedure voor het

opbouwen van de roosters van de Waterloo Universiteit in Canada. Hij laat expliciet toe dat de verantwoordelijken in de verschillende departementen onderhandelen op specifieke ogenblikken in het proces.

• Carter, M.W., “A Comprehensive Course Timetabling and Student Scheduling System at the University of Waterloo”

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 10

Gedistribueerde personeelsscheduling

• Voorbeelden– Taakmanagement in British Telecom (RECONET,

Tsang, MISTA 2005)• Autonome groepen (Managers, Buyers, Sellers)• Competitief model, Financieel en organisatorisch• Uitwisseling van middelen wordt genegocieerd• Management ageert als opdrachtgever

– Diensten in een hospitaal• Collaboratief model• Autonomie is organisatorisch

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 11

Waarom gedistribueerd?

• Intrinsiek gedistribueerd:– partijen beheren eigen middelen– Implementeren eigen voorkeuren

• Gedistribueerd algoritme:– Kan gebruik maken van parallelle

rekenkracht.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 12

Voorbeeld: Nurse Rostering Problem

• roosters voor één ziekenhuisafdeling– personeeltekorten:

• Ziekte• Overbezetting• …

• Mogelijke oplossing: – Uitwisselingen van

personeel– door

onderhandeling

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 13

Eigenschappen

• Lokale autonomie– Zeer gedetailleerd– Persoonsgebonden, gevoelig– Zeer reactief, lokale optimalisatie brengt veel

bij– Risico op eilandjes

• Globale vereisten– Kosteneffectief, taakgedreven, flexibiliteit,

snelheid, slank

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 14

Spanning

• Dit creeert een spanning tussen het lokale en het globale niveau– Lokaal dienen we zeer gedetailleerd,

gepersonaliseerd te werken. Er is zorg voor de kwaliteit van het werk en van het werken.

– Globaal is er aandacht voor het volledige bedrijfseconomische plaatje, voor de taken en de klanten

Penetratie, hoge complexiteit in de te behandelen materie

Optimaal gebruik van de resources

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 15

Een goed model

• Een probleem met autonome componenten die door te interageren een coherent werkende gemeenschap moeten vormen wordt goed beschreven als een

Multi Agenten Systeem

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 16

Intelligente Agenten

• Agenten hebben hun oorsprong in artificiële intelligentie, maar het domein heeft zijn eigen dynamiek ontwikkeld.

• Technieken en benaderingen uit de artificiële intelligentie worden er gecombineerd met parallel rekenen, declaratieve talen, logica, emergent gedrag, automatisch plannen…

• Hun belangrijkste kenmerk is hun autonomie om het doel waarvoor ze ontworpen zijn na te streven.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 17

• Voorbeeld:• MamMoeT (°1/10/2004-†30/9/2006)

Intelligent Communication Platform for Multi Modal Transporthttp://ingenieur.kahosl.be/projecten/mammoet

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 18

Drie elementen

• Agententechnologie is een relatief jonge discipline in computerwetenschappen

• Verzamelt veel technieken en ideeen uit andere gebieden (bijv. Artificiele intelligentie). We beperken ons tot– Negotiatie– Speltheorie– Optimalisatie

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 19

Onderhandelen

• Veilingen, contractnetprotocols, monotone procedures,…

• Nash-evenwichten uit de speltheorie bepalen het gedrag van rationele agenten.

• Door samen te werken kunnen soms betere evenwichten gevonden worden.

• Dit kan ingebouwd worden in de onderhandelingsprocedure.

• Andere aspecten als privacy en trust bij het verwerken van vragen, vereisten, voorkeuren,… worden op een natuurlijke manier ingebouwd.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 20

Contractnet Protocol (FIPA)

• Gebaseerd op het afsluiten van contracten tussen opdrachtgevers en (kandidaat) contractanten

• Eenvoudig protocol

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 21

Speltheorie: The Prisoners Dilemma

Twee mannen zijn beschuldigd van een misdaad en zitten in afzonderingMen zegt ze dat

1. Indien één van hen bekent en de andere niet, dan komt degene die bekent vrij, en de ander gaat in de cel voor 3 jaar

2. Indien beide bekennen gaan ze in de cel voor 2 jaar.Ze weten dat, indien geen van hen bekent, ze allebei voor 1 jaar in de cel gaan.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 22

Speltheorie• Bekennen is

verraad, niet bekennen is samenwerken.

• Het gedrag van de rationale agenten wordt bepaald door de regels van het spel

verraad (D)

werkt mee (C)

verraad (D)

2

2

0

5

werkt mee (C)

5

0

3

3

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 23

Nash evenwicht

• Wat mijn tegenstrever ook kiest, ik bereik …

• In het voorbeeld is het Nash evenwicht (verraad,verraad)

• Dit is niet helemaal in overeenstemming met ons gevoel voor moraliteit

• Dit optimaliseert ook niet het totale gevoel van welzijn.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 24

Moraliteit?

• De enige manier om tot samenwerking te komen is “irrationaliteit”?!

• Alternatieven:– In de werkelijkheid zien we meerdere vormen

van altruïsme. Is deze werkelijkheid dan niet goed beschreven door speltheorie?

– Tweelingenparadox– Rationaliteit?– De schaduw van de toekomst

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 25

De tweelingenparadox

• “De andere speler is mijn tweelingbroer, hij zal op dezelfde manier redeneren als ik”– cfr Fermi’s paradox: “Where is everybody”

• Het probleem hier is dat we het dilemma niet echt spelen. Als we onze tweelingbroer kunnen laten denken wat we willen door het zelf te denken is er slechts één speler.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 26

De schaduw van de toekomst

• “Iterated Prisoners Dilemma”– Het spel wordt verschillende keren gespeeld,

verschillende “ronden”.

• Laten we veronderstellen “zeer lang” of in mathematische termen “oneindig lang”.– Als ik nu verraad, dan kan mijn tegenstrever

me “straffen” door straks ook te verraden.– Als ik nu eens probeer, door mee te werken,

dan kan ik niet zo heel veel verliezen, en misschien komen we tot samenwerking.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 27

De toekomst

• Als we het spel oneindig lang spelen is samenwerking een rationele uitkomst.

• Maar wat als we veel, maar niet oneindig lang spelen?– Wat doen we de laatste ronde? Verraad is hier het

meest rationeel.– Hierdoor wordt de op één na laatste ronde effectief de

laatste. Wat doen we hier? Verraad.– …– Verraad is de rationele strategie!

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 28

In de werkelijkheid?

• Er is altijd een “waarschijnlijkheid” dat we opnieuw zullen spelen.Het eindig aantal keer spelen is dus niet realistisch.

• Samenwerken kan dus wel rationeel zijn.

• ALT-D: verraad altijd (de “optimale” strategie)• RANDOM: kies C of D at random, elke keer• TIT-FOR-TAT:

– C in de eerste ronde, en dan– Wat de tegenstrever deed in de vorige ronde

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 29

Na 20 jaar:• The Prisoner's Dilemma Competition • http://www.prisoners-dilemma.com/competition.html

i D i C

j D 7

7

8

0

j C 8

0

10

10

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 30

Vraag• Agenten laten toe om dieper in

de organisatie door te dringen• De informatiegaring is efficienter• Er is meer controle over

vertrouwelijke informatie• Bij het onderhandelen wordt de

informatie geaggregeerd• Het resulterende proces is

suboptimaal ten opzichte van een centrale benadering

• Hoe kunnen deze aspecten tegen mekaar afgewogen worden?

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 31

Optimalisatie

• De lokale criteria zijn vaak persoonsgebonden, worden bepaald door lokale vereisten die niet van belang zijn voor de volledige organisatie

• Deze zijn wel belangrijk voor het goed functioneren van de eenheid in het geheel

• De globale criteria zijn bepalend voor de performantie van dit geheel

• Ook hier spelen verschillende criteria en maten van performantie een rol.

• Een agentenmodel helpt om deze criteria toch tegen mekaar af te wegen.

2-04-2007 Patrick De Causmaecker, GDIB 32

Conclusie

The proof of the pudding is in the eating

so

Come again!