Agenten in simulierten Umgebungen Landminensuche Stefan Fleischer Stephan Kramer Alexander Simons Agenten in simulierten Umgebungen -1-

Agenten in simulierten Agenten in simulierten UmgebungenUmgebungen

LandminensucheLandminensuche

Stefan Fleischer

Stephan Kramer

Alexander Simons

Agenten in simulierten Umgebungen -1-Agenten in simulierten Umgebungen -1-

Gliederung (I)Gliederung (I)

I. EinleitungII. Theoretische Grundlagen

1. Der Agent2. Multi-Agenten-Systeme3. FIPA-Standards

III. JADE1. JADE-Features2. JADE-Agentenplattform3. JADE-Agenten4. JADE-Nachrichten


Gliederung (II)Gliederung (II)

IV. Architektur1. Aufbau2. Der Serveragent3. Der Simulationsagent4. Der Feldagent5. Der rrm-Agent

V. Die Simulationsumgebung1. Einführung2. Roboter3. Testläufe4. Fazit


I.I. EinleitungEinleitung


Zur Notwendigkeit:Zur Notwendigkeit:

gehalts immer schwieriger wird. Ein gebündelter Einsatz von Detektoren erscheint somit sinnvoll.

Weltweit gibt es in nahezu allen Krisengebieten Landminen, deren Anzahl nur schwer zu schätzen ist, da einfache Minen sehr günstig zu bauen sind.

Es gibt über 600 bekannte Minentypen, deren Suche mit einem Metalldetektor aufgrund eines ständig sinkenden Metall-

Manuelles Suchen ist relativ langsam und gefährlich: Auf 1.000 geräumte Minen ereignet sich ein schwerer Unfall.

Faktoren wie Minen, Landschaften, Detektoren und sonstige Hindernisse lassen den Einsatz einer Simulationsumgebung, in der Roboter getestet werden können, als sinnvoll erscheinen.

Agenten scheinen vor diesem Hintergrund also durchaus eine geeignete Wahl zu sein, gemeinsam ein Minenfeld zu durchsuchen.


I. EinleitungI. Einleitung

Zur NotwendigkeitZur Notwendigkeit

I. Einleitung

II. Theoretische Grundlagen

1. Der Agent

2. Multi-Agenten-Systeme

Der Manual Robot Agent:Der Manual Robot Agent:

I. EinleitungI. Einleitung

Die SimulationsumgebungDie Simulationsumgebung

I. Einleitung


1. Der Agent


Start!

• Klasse: ManualRobotAgent

• Roboter dieser Klasse

folgen keinem Algorithmus

• lassen sich ausschließlich

manuell steuern


II. Theoretische GrundlagenII. Theoretische Grundlagen

II.1 Der Agent

• einheitliche Definition fehlt


• Eigenschaften eines Agenten:• sucht und sammelt Informationen • erledigt komplexe Aufgaben• besitzt die Fähigkeit, sein Wissen zu erweitern (Intelligenz)

II.1 Der AgentII.1 Der Agent

Charakteristische Eigenschaften von Agenten:Charakteristische Eigenschaften von Agenten:

Wichtigste Eigenschaft:


II. Theoretische GrundlagenII. Theoretische Grundlagen II. Theoretische Grundlagen

1. Der Agent


3. FIPA-Standards

„Situated“: („sich in einer Umgebung befinden“)

Quelle: Klügl: „Multiagentensimulation“

• Agent nimmt die Umgebung über Sensoren

wahr…

• …und verändert sie über Effektoren




1. Der Agent


3. FIPA-Standards

Ein Agent ist zudem:

• reaktiv

Quelle: Klügl: „Multiagentensimulation“

• autonom

• sozial

• rational

• anthropomorph



II. Theoretische GrundlagenII. Theoretische Grundlagen

• Agenten teilen sich ihre Umwelt mit anderen Agenten – es entsteht ein Multi-Agenten-System (MAS)


1. Der Agent


3. FIPA-Standards

II.2 Multi-Agenten-SystemeII.2 Multi-Agenten-Systeme



1. Der Agent


3. FIPA-Standards

Eigenschaften:Eigenschaften:

• abhängig von der mehr oder weniger

beschränkten Autonomie der Agenten

• dezentrale Datenverwaltung

• Nebenläufigkeit der Ausführung

• Idealfall: keine zentrale Kontrolle

Quelle: JenSycWool, 1998

• beschränkte Sicht des einzelnen

Agenten auf das Gesamtsystem




1. Der Agent


3. FIPA-Standards

• jeder Agent ist ein „Alles-Könner“:• individuelle Fähigkeiten • individuelles Wissen

• keine globale Systemkontrolle (autonome Agenten)• Koordination des Wissens der einzelnen Agenten durch Interaktion der Agenten mit ihrer Umwelt

Hier:Hier:




1. Der Agent


3. FIPA-Standards

Zur sinnvollen Interaktion bedarf es:Zur sinnvollen Interaktion bedarf es:

• einer gemeinsamen Agentensprache

Eine Organisation, die sich mit Standardisierungen in Bezug auf Agentensysteme beschäftigt, ist die FIPA.

• eines gemeinsamen Kommunikationsprotokolls

• eines gemeinsamen Interaktionsprotokolls

• einer gemeinsamen Weltsicht

II.3 FIPA-StandardsII.3 FIPA-Standards



1. Der Agent


3. FIPA-Standards

FIPA: Foundation of Physical Intelligent AgentsFIPA: Foundation of Physical Intelligent Agents

• 1996 gegründete Non-Profit-Organisation

• Interaktion über Agent-Communication-Language

(ACL):

- Nachrichtenaustausch über Low-Level-

Protokolle

- FIPA-ACL-Nachricht enthält: Typ, Teilnehmer,

Inhaltsbeschreibung, Interaktionskontrollen




1. Der Agent


3. FIPA-Standards

• Typ: request, answer,…

• Teilnehmer: Sender und Empfänger

• Inhaltsbeschreibung: umfasst nicht nur den eigent-

lichen Inhalt, sondern legt auch die verwendete Sprache,

die Kodierung und die Ontologie der Nachricht

(gemeinsame Weltsicht der Agenten) fest

• Interaktionskontrollen: bestimmen das Interaktions-

protokoll, sowie die Nachrichtenkennungen




1. Der Agent


3. FIPA-Standards

Neben den Spezifikationen zur Agenten-

kommunikation gibt es zahlreiche weitere

Spezifikationen der FIPA, z.B.

• zur abstrakten Agentenarchitektur

• zum Agentenmanagement und

• zum Nachrichtentransport über heterogene

Netzwerke hinweg

Eine MAS-Entwicklungsumgebung, die den FIPA-Spezifikationen entspricht ist JADE.


Jade: Java Agent Development FrameworkJade: Java Agent Development Framework

• Open Source Projekt der Tilab aus Italien

• vereinfacht die Entwicklung von MAS u.a. durch eine

Reihe grafischer Tools

III.III.

Telecom Italia Lab: http://jade.tilab.com

• JADE folgt den FIPA-Standards

III.1 JADE-FeaturesIII.1 JADE-Features


III. JadeIII. Jade III. JADE

1. JADE-Features

2. JADE-Agentenplattform

3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

• vollständig in Java implementiert

betriebssystemübergreifend

• das Ausführen der einzelnen Aktivitäten der

Agenten (in JADE: Behaviours) erfolgt

nebenläufig

• JADE unterstützt die Bildung von Agenten-

Domänen

III.1 JADE-FeaturesIII.1 JADE-Features



1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

• Nachrichten (ACL-Messages) werden äußerst

effizient innerhalb einer Agentenplattform

transportiert

• JADE stellt für die Interaktion eine Bibliothek von

verschiedenen FIPA-Interaktionsprotokollen bereit

• JADE ermöglicht zudem die Erzeugung autonomer

Agenten aus externen Anwendungen heraus

III.2 JADE-AgentenplattformIII.2 JADE-Agentenplattform



1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

Bestandteile:Bestandteile:

• Agent-Management-System (AMS)

• Directory Facilitator (DF)

• Agent Communication Channel (ACC)

• die Agenten selbst

III.2 JADE-AgentenplattformIII.2 JADE-Agentenplattform



1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

ACC

III.3 JADE-AgentenIII.3 JADE-Agenten



1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

• Roboter werden als Agenten realisiert

(„Robot-Agents“)

• JADE-Agenten sind Instanzen einer benutzer-

definierten Java-Klasse, abgeleitet von der

Klasse Agent des Pakets jade.core




1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

Zustände:Zustände:

• initiated

• active

• waiting

• suspended

• transit

• deleted




1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

Aktivitäten (Aktivitäten (BehavioursBehaviours):):

• werden gleichzeitig ausgeführt

• jede Funktionalität eines Agenten sollte als

Behaviour implementiert sein

• interner round-robin-Scheduler

• z.B. done()-Methode




1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

• jeder Agent hat eine

Nachrichtenwarteschlange („Posteingang“)

• Abruf:

Nachrichten:Nachrichten:

• Polling• blockierend

• time-out-basiert

• Mustervergleiche




1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

III.4 JADE-NachrichtenIII.4 JADE-Nachrichten



1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

auf Basis sog. ACLMessages:

• Nachrichten als Objekte der Klasse

Jade.lang.ACLMessage

•

• Besonderheit: Mustervergleiche

• Nachrichtenabfrage kann gezielt nach

bestimmtem Sender oder

Nachrichtentyp erfolgen




1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

ACLMessage enthält:•

• Performative-Attribut: legt

Nachrichtentyp fest, z.B. request, inform,…

• Language-Attribut: vereinbart die Nach-

richtensprache

• Sender / Empfänger

• Conversation-ID




1. JADE-Features


3. JADE-Agenten

4. JADE-Nachrichten

• Nachrichtenabfragen können nun nach

Nachrichten eines bestimmten Typs,

Absenders oder einer bestimmten ID

erfolgen

• auch Kombinationen möglich (zusammen-

gesetzte Filter)

• Vorteil: Warteschlange kann gezielt

durchsucht werden

IV. ArchitekturIV. Architektur

IV.1 Aufbau


„„Zweiteilung“ der Simulationsumgebung:Zweiteilung“ der Simulationsumgebung:

• auf der einen Seite befinden sich die

Roboteragenten…

• …die andere Seite stellt die

Administration dar.

• beiden unterliegt die JADE-Plattform

IV.1 AufbauIV.1 Aufbau


IV. ArchitekturIV. ArchitekturIV. Architektur

1. Aufbau

2. Der Serveragent

3. Der Simulationsagent

4. Der Feldagent

5. Der rrm-Agent

Administration:Administration:

• beinhaltet 4 Komponenten:

- Serveragent

- Simulationsagent

- Feldagent

- Remote-Robot-Management-Agent



IV. ArchitekturIV. Architektur

Kommunikationsbeziehungen/-kanäle:Kommunikationsbeziehungen/-kanäle:

IV. Architektur

1. Aufbau

2. Der Serveragent


4. Der Feldagent

5. Der rrm-Agent




1. Aufbau

2. Der Serveragent


4. Der Feldagent

5. Der rrm-Agent

Der ServeragentDer Serveragent

- registriert die Roboter im System

- startet alle für das System wichtige Komponenten

• Kommunikationsschnittstelle zwischen den Robotern

und der simulierten Umwelt

- Empfang und Weiterleitung von Nachrichten

Aufgaben:

- entfernt die Roboter aus dem System




1. Aufbau

2. Der Serveragent


4. Der Feldagent

5. Der rrm-Agent

Der SimulationsagentDer Simulationsagent

- bei Sensoreinsatz, Bewegung/Drehung

kommuniziert er mit dem Feldagenten, um sich

die benötigten Daten zu besorgen

• bearbeitet Simulationsaufträge des Serveragenten

Aufgaben:

- berechnet die Energieabzüge bei Roboteraktionen




1. Aufbau

2. Der Serveragent


4. Der Feldagent

5. Der rrm-Agent

Der FeldagentDer Feldagent

- beeinhaltet Feldinformationen zu jeder Kachel:

- Metall (true / false)

- Landschaftsbild, -typ

- IR – Bild

- Höhenebene

• für die Erstellung und Verwaltung des Spielfelds verantwortlich

Aufgaben:




1. Aufbau

2. Der Serveragent


4. Der Feldagent

5. Der rrm-Agent

Der FeldagentDer Feldagent

• für die Erstellung und Verwaltung des Spielfelds

verantwortlich

Aufgaben:

- Speicherung der aktuellen Position und des

Zustands aller im System registrierten Roboter

- Änderungen am Spielfeld ausschließlich über

den Feldagenten




1. Aufbau

2. Der Serveragent


4. Der Feldagent

5. Der rrm-Agent

Der rrm-AgentDer rrm-Agent

Aufgaben:

• unterstützt die Erstellung von Roboter-Agenten von

anderen Rechnern aus

V. Die SimulationsumgebungV. Die Simulationsumgebung


V.1 EinführungV.1 Einführung


V. Die SimulationsumgebungV. Die Simulationsumgebung V. Die Simulationsumgebung

1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit

• „Modell“ = Abbild und Vereinfachung

der Realität

- Aufteilung in Kacheln (hier: 2 m2)

- Richtungswechsel (N, NO,…)

- Höhenstufen (1 – 8)

- wenige Landschaftstypen und Feldtypen

- nur überirdische Landminen




Der Map-Editor:Der Map-Editor:

• 2 Landschaftstypen: Grasland, Wüste

Boden

Feldweg

Asphalt

• Feldtypen:

Fluss

Hindernis

Brücke

V. Die Simulationsumgebung

1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit





• in den Feldern werden verschiedene

Sensorinformationen hinterlegt:

• Stoßsensor (Hindernis)

• Fotosensor

• Infrarotsensor

• Metalldetektor

• Feuchtigkeitssensor (Bender )


1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit





• 8 verschiedene Höhenstufen:

• Höhenunterschiede zwischen den

Kacheln beeinflussen den

Energieverlust der Roboter

• Berechnung:

• stark vereinfacht

• keine Berücksichtigung von Antrieb,

Motor und Geschwindigkeit der Roboter


1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit





• Kartenerstellung manuell oder

automatisch möglich

• Wetterverhältnisse, Temperatur,

o.ä. können nicht dargestellt werden


1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit

V.2 RoboterV.2 Roboter



Eigenschaften:Eigenschaften:

• Blickrichtung wird durch Pfeil

symbolisiert

• verfügt über einen Energievorrat

• interagiert über Sensoren mit

seiner Umwelt…

• …und sammelt über sie

Informationen in einer Karte


1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit

V.2 RoboterV.2 Roboter



An-/Abmeldung:An-/Abmeldung:

• in der simulierten Umwelt erfolgt

ausschließlich durch den Serveragenten

• Abmeldung durch Tod (Mine, Wasser)…

• …nicht durch vollständigen

Energieverlust (bleibt angemeldet)


1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit

V.3 TestläufeV.3 Testläufe



1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit

V.4 FazitV.4 Fazit



1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit

Probleme mit Robbi:Probleme mit Robbi:

• Unfähigkeit, Minen ohne Metallgehalt

zu erkennen

• viele (nahezu alle) Felder werden

mehrfach passiert und überprüft

• Probleme, Flüssen aus dem Weg zu

gehen (-> Feuchtigkeitssensor)

V.4 FazitV.4 Fazit



1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit

Wie geht es besser???Wie geht es besser???

• nächste Woche: Bender

V.4 FazitV.4 Fazit



1. Einführung

2. Roboter

3. Testläufe

4. Fazit

Noch Fragen???Noch Fragen???

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