Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Направления развития современных информационных технологий в настоящее время во многом определяются требованиями практики и, прежде всего приложениями, которые ориентированы на распределенное принятие решений. К ним относятся системы мониторинга, анализа и предсказания развития глобальных природных процессов, экологической и технической безопасности, управления снижением вредных и опасных последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф. Приложения в области мобильных телекоммуникаций и мобильных вычислений формируют еще один класс актуальных приложений, связанных с задачами распределенного принятия решений. Подобные же задачи возникают в военных приложениях, например, при создании средств оперативного анализа обстановки на тактических театрах военных действий на основе сенсорных сетей, при создании средств оперативной обработки информации, получаемой от распределенной системы наблюдения, развернутой на множестве беспилотных летательных аппаратов, и во многих других.
Системы распределенного принятия решений в названных классах приложений включают в себя пространственно распределенные сенсорные сети, средства хранения и обработки данных, сети передачи данных, средства визуализации и т.п. Общими чертами таких приложений, которые в первую очередь определяют требования к адекватным информационным технологиям, являются следующие:
Сетевая организация с очень большим числом узлов.
Большое число источников, генерирующие огромные потоки данных, которые технически невозможно хранить в каком-либо централизованном хранилище и обрабатывать в централизованной архитектуре.
Динамический состав узлов сети и ее топологии, поскольку, например, мобильные устройства могут включаться и выключаться, сенсоры сети могут выходить из строя и прекращать работу из-за истощения источников энергии, беспилотные летательные аппараты распределенной системы наблюдения могут прекращать свое существование и т.д.
Конфиденциальность данных источников (коммерческие данные, секретные данные, и т.д.), что исключает возможность их централизованной обработки.
Необходимость координации поведения компонент системы, поскольку они существуют в общей внешней среде, используют общие ограниченные ресурсы, кооперируются при совместном решении задач и т.д.
Гетерогенность программной среды, в которой в различных узлах сети могут использоваться разные операционные системы, (Linux, Symbian, Windows и т.п.) и различные коммуникационные протоколы (TCP/IP, UDP, SMTP и др.) поверх проводных и беспроводных коммуникационных каналов.
Пока не создана информационная технология, которая была бы в состоянии в полной мере справиться с разработкой приложений, обладающих перечисленными выше особенностями. Анализ существующих информационных технологий позволяет сделать вывод о том, что наибольшими перспективами в этом направлении потенциально обладают технологии, интегрирующие идеи распределенного принятия решений (они смещают основной объем вычислений на уровень источников данных), концепцию многоагентных систем (она очень удобна для концептуализации и декомпозиции сложных распределенных проблем), архитектуры, ориентированной на сервис (в ней агенты могут взаимодействовать при минимуме начальной информации о топологии сети, об агентах, присутствующих в ней, и о доступных сервисах) и вычислений на основе парных (Peer-to-Peer, Р2Р) взаимодействий (она не требует централизованного сервера для поддержки взаимодействия агентов и поддерживает открытость архитектуры). Интеграция названных технологий с целью создания новой информационной технологии, предназначенной для практической реализации приложений рассматриваемого типа принято в работе в качестве основного направления исследований.
Целью исследования является разработка методов, алгоритмов, программных инструментальных средств и программной инфраструктуры, которые совместно формируют прототип информационной технологии для эффективной реализации открытых Р2Р сетей агентов распределенного принятия решений поданным распределенных гетерогенных источников.
Для достижения этой цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
Разработка интерактивной инструментальной программной среды для поддержки технологии обучения объединению решений распределенных решателей при иерархической архитектуре их взаимодействия.
Разработка Р2Р агентской платформы, поддерживающей совместную работу гетерогенных автономных агентов, объединенных в открытую сеть.
Разработка принципов, алгоритмов, протоколов и программной поддержки распределенного Р2Р машинного обучения объединению решений автономных агентов в «горизонтальной» архитектуре, когда отсутствуют специально выделенные решатели, ответственные за объединение решений.
Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы теории многоагентных систем, методы вычислений на основе протоколов парных взаимодействий, методы обучения и объединения решений распределенных решателей (классификаторов), нейросетевые методы, методы теории графов, теории вероятностей и математической статистики, методы программирования и компьютерного моделирования.
Научная новизна исследования. 1. Разработаны новые методы, алгоритмы и инструментальные средства интерактивной технологии распределенного обучения и принятия решений в
5 открытых сетях агентов в иерархической и в «горизонтальной» (Р2Р) архитектурах объединения решений.
Впервые разработана программная инфраструктура, называемая «Р2Р агентской платформой», которая поддерживает прозрачное взаимодействие гетерогенных программных агентов открытой сети при совместном решении задач принятия решений по данным данных распределенных источников.
Разработана виртуальная Р2Р коммуникационная среда (эмулятор) для экспериментального исследования готовых Р2Р агентских приложений, позволяющая тестировать, верифицировать, и оценивать свойства программной реализации распределённого агентского приложения в виртуально распределённой Р2Р коммуникационной среде.
Разработан генератор сети с заданной топологией, т.е. специальное программное инструментальное средство автоматической генерации конфигурационных файлов для экземпляров агентских платформ и Р2Р провайдеров узлов сети с целью создания Р2Р сетей агентов требуемой топологии.
Все предложенные в работе решения, которые совместно формируют прототип новой информационной технологии разработки открытых Р2Р сетей агентов, предназначенных для решения задач распределенного принятия решений, проверены экспериментально путем создания программных прототипов ряда приложений.
Обоснованность и достоверность научных положений, представленных в диссертационной работе, обеспечивается тщательным анализом состояния исследований по теме работы, подтверждается согласованностью теоретических результатов с результатами компьютерного моделирования, а также апробацией основных теоретических положений в печатных трудах и докладах на научных конференциях и семинарах.
Практическая значимость исследования. Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что её результаты могут использоваться при создании реальных открытых сетей агентов и многоагентных систем в широком круге практически важных приложений, предназначенных для распределённого принятия решений по данным распределённых гетерогенных источников.
Положения, выносимые на защиту.
Р2Р агентская платформа, поддерживающая совместную работу гетерогенных агентов и распределенный поиск сервисов в открытой сети.
Инструментальные средства технологии распределенного обучения и принятия решений в сетях агентов в иерархической и полностью распределенной (Р2Р) архитектурах объединения решений.
Прототип новой информационной технологии разработки открытых сетей агентов.
Реализация результатов работы. Результаты
диссертационной работы использованы в ряде научно-исследовательских проектов, а именно,
в проекте «Разработка инструментальной среды для создания прикладных многоагентных систем» Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы», государственный контракт No. 02.514.11.4045, в рамках которой разработана Р2Р агентская платформа;
в проекте «Nomadic Agents», выполненном по контракту с исследовательским центром «Nokia Research Center, в рамках которого решена задача создания кросс-платформенной версии Р2Р агентской платформы, выполнен анализ путей практической реализации сервисов мобильных агентов на основе Р2Р агентской платформы, и разработана виртуальная коммуникационная Р2Р среда для тестирования, верификации и оценки качества разработанных агентских приложений.
Результаты работы использованы также в проектах ЦНИИ РТК и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». Материалы исследований использованы в курсе лекции по кафедре «Системный Анализ и Управление» Санкт-Петербургского Государственного Политехнического Университета.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях и семинарах:
Международная конференция «Гибридные информационные технологии» (ICHIT-2006), Южная Корея, 2006.
Международная конференция «Автономные агенты и многоагентные системы» (AAMAS2007), США, 2007.
3.2-й международный семинар «Автономные интеллектуальные системы:
Агенты и Извлечение Знаний» (AIS-ADM 2007), Россия, Санкт-Петербург,
2007.
4.4-я международная конференция «Математические методы, модели и
архитектуры для защиты компьютерных сетей» (MMM-ACNS-2007), Россия,
Санкт-Петербург, 2007.
5. Международная научно-техническая конференция «Интеллектуальные
системы (AIS'07)» и «Интеллектуальные САПР (CAD-2007)», Россия,
Дивноморское, 2007.
6.2-й международный семинар «Интеграция технологий агентов и технологий
извлечения знаний из данных» (ADMI-2007), США, 2007.
Результаты работы обсуждались также на семинарах СПИИРАН и компании Nokia.
Публикации. По материалам диссертационной работы
опубликовано 8 статей, в том числе одна статья в издании, указанном в перечне ВАК на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, «Известия РАН. Теория и системы управления».
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа объемом 160 машинописных листов содержит введение, четыре главы, заключение, список литературы из 122 наименований, приложение А, 4 таблицы и 40 рисунков.
