Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач теоретических основ информатики является разработка и анализ моделей информационных процессов, в частности, в мультиагентных информационно-управляющих системах (МИУС). В диссертации для МИУС учитываются, во-первых, взаимодействие интеллектуальных агентов, выражающееся в выработке совместных действий, во-вторых, наличие двухуровневой иерархии в передаче информации.
Разработка технологии и исследование взаимодействий интеллектуальных агентов, а также создание мультиагентных систем представляет собой одну из наиболее важных областей развития новых информационных технологий. У специалистов по информационным технологиям сформировалось и вошло в широкий научный обиход представление об интеллектуальных агентах как автономных, активных, а главное мотивированных объектах "живущих" и "действующих" в сложных виртуальных средах, в частности, в информационных системах. Уже сегодня агентный подход находит широкое применение в таких областях как распределенное решение сложных задач, построение виртуальных предприятий, имитационное моделирование интегрированных производственных систем. В ближайшем будущем он несомненно займет центральное место при развитии средств управления информацией и знаниями.
В теории мультиагентных систем (MAC) обычно предполагается, что отдельный агент может иметь лишь частичное представление об общей задаче и способен решить только некоторую ее подзадачу. Поэтому для решения сколько-нибудь сложной проблемы, как правило, требуется взаимодействие агентов. Этот социальный аспект решения задач - одна из фундаментальных характеристик новизны как передовых компьютерных технологий, так и искусственных (виртуальных) организаций, строящихся как MAC.
Основой для развития теории MAC послужили работы УПиттса и УМакКаллока по формальным нейронам, Дж.фон Неймана по самовос-призводящимся автоматам, А.Н.Колмогорова по теории сложности, У. фон Форстера по терпи самоорганизации, У.Эшби по гомеостазису, Г.Уолтера по реактивным робатам, Дж.Холланда по генетическим алгоритмам. Первые результаты в исследовании коллективного поведения агентов связаны с именами М.Л.Цетлина, В.А.Лефевра, Д.А.Поспелова, М.Минского, в области открытых систем и теории акторов К.Хьюитта. Первые практические разработки по MAC относятся к 70-м годам и связаны с именами
В.Лессера, Д. Лената, У.Корнфелда.
Значительный вклад в развитие теории MAC внесли также Варшавский В.А., Городецкий В.И., Стефанюк В.Л., Тарасов В.В., Теряев Е.Д., Филимонов А.В., Швецов А.Н., Яковлев А.Н., И.Шоэм, Р.Брукс, Ж.Фербе, Дж.Мейер, С.Уилсон и др.
В настоящее время одним из основных направлений в разработке MAC являются распределенный искусственный интеллект, ядро которого составляют исследования взаимодействия и кооперации небольшого числа интеллектуальных агентов. При этом, коллективное поведение образуется на основе индивидуальных интеллектуальных поведений. Здесь предполагается согласование целей, интересов и действий различных агентов, разрешение конфликтов путем переговоров. Вопросам коммуникации и кооперации агентов посвящены исследования Бондаревой О.Н., Васина А.А., Воробьева Н.Н., Морозова В.В., Гермейера Ю.Б., Горелика В.А., Жуковского В.П., Петросяна Л.А., Соболева А.П., Huhns M.N и Stephns L.M., Durfee Е.Н., Silaghi G.S., Rosenshein J., Zlotkin G., R.Smit и др.
В диссертации обсуждается принятие решений в мультиагентных системах, где интеллектуальные агенты, на основе имеющейся у них информации, взаимодействуют и совместно принимают решение, априорно имея возможность часть достигнутого ими предварительного исхода передать партнерам. Используются подходы теории кооперативных игр с побочными платежами для анализа задачи перераспределения добытых агентами исходов. При этом предполагается двухуровневая информационная структура. Нижний уровень - уровень более простых, реактивных агентов, например тех, которые служат для непосредственного автоматического управления объектами автоматизации. Верхний уровень составляют интеллектуальные агенты. Процесс передачи информации происходит следующим образом: агенты нижнего уровня сообщают интеллектуальным агентам свои действия, на их основе агенты верхнего уровня формируют действия, направленные на достижения своих целей. При этом предполагается, что интеллектуальные агенты могут перераспределять между собой достигнутые исходы.
В диссертации применяется подход оптимального сочетания исходов и рисков к информационным процессам возникающим в МИУС при взаимодействии двух интеллектуальных агентов и конечного числа реактивных. В первой главе рассматривается "статический" случай задачи. Предполагается, что в рассматриваемых МИУС интеллектуальные агенты действуют совместно и согласованно, причем стремятся не только увеличить свой общий исход (сумму исходов, которую впоследствии по заранее оговорен-
ным правилам могут перераспределить между собой), но и гарантировать себе по возможности меньшие риски. Возникновение МИУС данного вида связано с тем, что в настоящее время в большинстве экономических задач требует учитывать не только исходы интеллектуальных агентов, но и риски по этим исходам. Во второй главе диссертации исследуется динамический случай рассматриваемой задачи.
Целью работы является формализация и исследование гарантированных по исходам и рискам решений для информационных процессов в МИУС со взаимодействием двух интеллектуальных агентов и конечного числа реактивных. При этом предполагается, что о действиях реактивных агентов известна лишь область значений, а какие-либо вероятностные характеристики отсутствуют (по тем или иным причинам).
Объектом исследования являются вопросы теории МИУС, касающиеся принятия гарантированных решений.
Предмет исследования — информационные процессы, возникающие в МИУС при взаимодействии двух интеллектуальных агентов и конечного числа реактивных.
Проблема заключается в формализации понятий гарантированных по исходам и рискам решений таких задач при учете действий реактивных агентов, исследование свойств решений и способов построения.
В основу исследования положена следующая гипотеза: на основе модификации принципа гарантированного результата, понятий векторных оп-тимумов, гарантированного дележа из теории кооперативных игр можно определить возможные решения для информационных процессов в МИУС с интеллектуальными и реактивными агентами, получить условия существования и предложить способ их построения.
Для реализации поставленной цели и проверки сформулированной гипотезы потребовалось решить следующие задачи:
формализовать понятие гарантированного по исходам и рискам решения, исследовать свойства такого решения и условия существования;
для динамического линейно-квадратичного случая модели информационных процессов в МИУС с интеллектуальными и реактивными агентами ввести понятие гарантированного решения, выявить "коэффициентные" условия его существования, алгоритм построения и найти явный вид;
рассмотреть возможные приложение к конкретным экономическим задачам и линейно-квадратичному случаю.
Методологическую основу работы составляют методы и подходы теории мультиагентных систем, теории многокритериальных задач при неопределенности, теории игр, выпуклого анализа, теории матриц и квад-
ратичных форм, дифференциальных уравнений, теории динамического программирования.
Научная новизна. Отличие данной работы состоит в том, что в ней предложен новый подход к информационным процессам в МИУС с интеллектуальными и реактивными агентами, а именно: предлагается понятие гарантированного по исходам и рискам решения, позволяющее интеллектуальным агентам обеспечить некоторые "пороговые" исходы, и одновременно с этим некоторые "пороговые" риски. Одновременно исследован случай, когда действия интеллектуальных агентов формируются на основе "знания" о реализовавшихся действиях реактивных агентов. В обоих случаях установлены условия существования, а также предложен способ распределения между интеллектуальными агентами достигнутых ими исходов.
Для динамической линейно-квадратичной математической модели МИУС вводится понятие гарантированного по исходам и рискам решения. Установлены "коэффициентные" условия существования и, при выполнении этих условий, найден явный вид.
Практическая значимость работы. Результаты диссертации могут быть применены к решению сложных задач, построению виртуальных предприятий, имитационному моделированию интегрированных производственных систем, к построению средств управления информацией и знаниями, к различным прикладным задачам прогнозирования и планирования в экономике, экологии, механике управляемых систем. В качестве приложения исследована математическая модель рынка бесконечно делимого товара с двумя товаропроизводителями и учетом импорта. Отметим также, что разработка (на основе предложенного подхода) экономико-математических моделей позволит, во-первых^ дать более адекватное реальности описание процессов принятия решений, во-вторых^ получить эффективные решения в сфере планирования и управления.
Основные положения, выносимые на защиту:
формализовано понятие гарантированного по исходам и рискам решения для информационных процессов в МИУС со взаимодействием двух интеллектуальных агентов и конечного числа реактивных, выявлены свойства и условия существования;
построено гарантированное по исходам и рискам решение для модели рынка бесконечно делимого товара с двумя товаропроизводителями и учетом импорта;
на основе метода динамического программирования, объединенного с методом функций Ляпунова, найден явный вид гарантированного по исходам и рискам решения в динамическом линейно-квадратичном случае
задачи.
Апробация. Результаты диссертации докладывались на пятнадцатой Крымской осенней математической школе-симпозиуме "Spectral and Evolutionary Problems" (Simferopol, 2005), на XIV международной конференции "Математика. Экономика. Образование" (Ростов-на-Дону, 2006), на шестнадцатой Крымской осенней математической школе-симпозиуме "Spectral and Evolutionary Problems" (Simferopol, 2006), на международной школе-симпозиуме "Анализ, моделирование, управление, развитие экономических систем АМУР-2007" (Sevastopol, 2007), на XV международной конференции "Математика. Экономика. Образование" (Ростов-на-Дону, 2008), на 61-й научной конференции "Наука ЮУрГУ" (Челябинск, 2009), дважды на семинаре факультета ВМиК МГУ "Риски в сложных системах управления" (Москва, 2008, 2010).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе публикации [1-3] - в изданиях, включенных в перечень ВАК. В работах [4,5] В.И. Жуковскому принадлежит постановка задач и общее руководство, К.Н. Кудрявцеву принадлежат все полученные результаты.
Структура и объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, двух глав, разбитых на 10 параграфов, заключения и списка литературы. Материал изложен на 148 страницах машинописного текста, включая 20 рисунков. Библиография содержит 116 наименований.
