Applying autonomy to distributed satellite systems: Trends, challenges, and future prospects

While monolithic satellite missions still pose significant advantages in terms of accuracy and operations, novel distributed architectures are promising improved flexibility, responsiveness, and adaptability to structural and functional changes. Large satellite swarms, opportunistic satellite networks or heterogeneous constellations hybridizing small-spacecraft nodes with highperformance satellites are becoming feasible and advantageous alternatives requiring the adoption of new operation paradigms that enhance their autonomy. While autonomy is a notion that is gaining acceptance in monolithic satellite missions, it can also be deemed an integral characteristic in Distributed Satellite Systems (DSS). In this context, this paper focuses on the motivations for system-level autonomy in DSS and justifies its need as an enabler of system qualities. Autonomy is also presented as a necessary feature to bring new distributed Earth observation functions (which require coordination and collaboration mechanisms) and to allow for novel structural functions (e.g., opportunistic coalitions, exchange of resources, or in-orbit data services). Mission Planning and Scheduling (MPS) frameworks are then presented as a key component to implement autonomous operations in satellite missions. An exhaustive knowledge classification explores the design aspects of MPS for DSS, and conceptually groups them into: components and organizational paradigms; problem modeling and representation; optimization techniques and metaheuristics; execution and runtime characteristics and the notions of tasks, resources, and constraints. This paper concludes by proposing future strands of work devoted to study the trade-offs of autonomy in large-scale, highly dynamic and heterogeneous networks through frameworks that consider some of the limitations of small spacecraft technologies.Postprint (author's final draft

A Market-based Approach to Multi-factory Scheduling

In this paper, we report on the design of a novel market-based approach for decentralised scheduling across multiple factories. Specifically, because of the limitations of scheduling in a centralised manner -- which requires a center to have complete and perfect information for optimality and the truthful revelation of potentially commercially private preferences to that center -- we advocate an informationally decentralised approach that is both agile and dynamic. In particular, this work adopts a market-based approach for decentralised scheduling by considering the different stakeholders representing different factories as self-interested, profit-motivated economic agents that trade resources for the scheduling of jobs. The overall schedule of these jobs is then an emergent behaviour of the strategic interaction of these trading agents bidding for resources in a market based on limited information and their own preferences. Using a simple (zero-intelligence) bidding strategy, we empirically demonstrate that our market-based approach achieves a lower bound efficiency of 84%. This represents a trade-off between a reasonable level of efficiency (compared to a centralised approach) and the desirable benefits of a decentralised solution

Trustworthy Edge Machine Learning: A Survey

The convergence of Edge Computing (EC) and Machine Learning (ML), known as Edge Machine Learning (EML), has become a highly regarded research area by utilizing distributed network resources to perform joint training and inference in a cooperative manner. However, EML faces various challenges due to resource constraints, heterogeneous network environments, and diverse service requirements of different applications, which together affect the trustworthiness of EML in the eyes of its stakeholders. This survey provides a comprehensive summary of definitions, attributes, frameworks, techniques, and solutions for trustworthy EML. Specifically, we first emphasize the importance of trustworthy EML within the context of Sixth-Generation (6G) networks. We then discuss the necessity of trustworthiness from the perspective of challenges encountered during deployment and real-world application scenarios. Subsequently, we provide a preliminary definition of trustworthy EML and explore its key attributes. Following this, we introduce fundamental frameworks and enabling technologies for trustworthy EML systems, and provide an in-depth literature review of the latest solutions to enhance trustworthiness of EML. Finally, we discuss corresponding research challenges and open issues.Comment: 27 pages, 7 figures, 10 table

Safe, Remote-Access Swarm Robotics Research on the Robotarium

This paper describes the development of the Robotarium -- a remotely accessible, multi-robot research facility. The impetus behind the Robotarium is that multi-robot testbeds constitute an integral and essential part of the multi-agent research cycle, yet they are expensive, complex, and time-consuming to develop, operate, and maintain. These resource constraints, in turn, limit access for large groups of researchers and students, which is what the Robotarium is remedying by providing users with remote access to a state-of-the-art multi-robot test facility. This paper details the design and operation of the Robotarium as well as connects these to the particular considerations one must take when making complex hardware remotely accessible. In particular, safety must be built in already at the design phase without overly constraining which coordinated control programs the users can upload and execute, which calls for minimally invasive safety routines with provable performance guarantees.Comment: 13 pages, 7 figures, 3 code samples, 72 reference

Techniques for the allocation of resources under uncertainty

L’allocation de ressources est un problème omniprésent qui survient dès que des ressources limitées doivent être distribuées parmi de multiples agents autonomes (e.g., personnes, compagnies, robots, etc). Les approches standard pour déterminer l’allocation optimale souffrent généralement d’une très grande complexité de calcul. Le but de cette thèse est de proposer des algorithmes rapides et efficaces pour allouer des ressources consommables et non consommables à des agents autonomes dont les préférences sur ces ressources sont induites par un processus stochastique. Afin d’y parvenir, nous avons développé de nouveaux modèles pour des problèmes de planifications, basés sur le cadre des Processus Décisionnels de Markov (MDPs), où l’espace d’actions possibles est explicitement paramétrisés par les ressources disponibles. Muni de ce cadre, nous avons développé des algorithmes basés sur la programmation dynamique et la recherche heuristique en temps-réel afin de générer des allocations de ressources pour des agents qui agissent dans un environnement stochastique. En particulier, nous avons utilisé la propriété acyclique des créations de tâches pour décomposer le problème d’allocation de ressources. Nous avons aussi proposé une stratégie de décomposition approximative, où les agents considèrent des interactions positives et négatives ainsi que les actions simultanées entre les agents gérants les ressources. Cependant, la majeure contribution de cette thèse est l’adoption de la recherche heuristique en temps-réel pour l’allocation de ressources. À cet effet, nous avons développé une approche basée sur la Q-décomposition munie de bornes strictes afin de diminuer drastiquement le temps de planification pour formuler une politique optimale. Ces bornes strictes nous ont permis d’élaguer l’espace d’actions pour les agents. Nous montrons analytiquement et empiriquement que les approches proposées mènent à des diminutions de la complexité de calcul par rapport à des approches de planification standard. Finalement, nous avons testé la recherche heuristique en temps-réel dans le simulateur SADM, un simulateur d’allocation de ressource pour une frégate.Resource allocation is an ubiquitous problem that arises whenever limited resources have to be distributed among multiple autonomous entities (e.g., people, companies, robots, etc). The standard approaches to determine the optimal resource allocation are computationally prohibitive. The goal of this thesis is to propose computationally efficient algorithms for allocating consumable and non-consumable resources among autonomous agents whose preferences for these resources are induced by a stochastic process. Towards this end, we have developed new models of planning problems, based on the framework of Markov Decision Processes (MDPs), where the action sets are explicitly parameterized by the available resources. Given these models, we have designed algorithms based on dynamic programming and real-time heuristic search to formulating thus allocations of resources for agents evolving in stochastic environments. In particular, we have used the acyclic property of task creation to decompose the problem of resource allocation. We have also proposed an approximative decomposition strategy, where the agents consider positive and negative interactions as well as simultaneous actions among the agents managing the resources. However, the main contribution of this thesis is the adoption of stochastic real-time heuristic search for a resource allocation. To this end, we have developed an approach based on distributed Q-values with tight bounds to diminish drastically the planning time to formulate the optimal policy. These tight bounds enable to prune the action space for the agents. We show analytically and empirically that our proposed approaches lead to drastic (in many cases, exponential) improvements in computational efficiency over standard planning methods. Finally, we have tested real-time heuristic search in the SADM simulator, a simulator for the resource allocation of a platform

Computational intelligence approaches to robotics, automation, and control [Volume guest editors]

No abstract available

A novel soft computing approach based on FIR to model and predict energy dynamic systems

Tesi en modalitat compendi de publicacionsWe are facing a global climate crisis that is demanding a change in the status quo of how we produce, distribute and consume energy. In the last decades, this is being redefined through Smart Grids(SG), an intelligent electrical network more observable, controllable, automated, fully integrated with energy services and the end-users. Most of the features and proposed SG scenarios are based on reliable, robust and fast energy predictions. For instance, for proper planning activities, such as generation, purchasing, maintenance and investment; for demand side management, like demand response programs; for energy trading, especially at local level, where productions and consumptions are more stochastics and dynamic; better forecasts also increase grid stability and thus supply security. A large variety of Artificial Intelligence(AI) techniques have been applied in the field of Short-term electricity Load Forecasting(SLF) at consumer level in low-voltage system, showing a better performance than classical techniques. Inaccuracy or failure in the SLF process may be translated not just in a non-optimal (low prediction accuracy) solution but also in frustration of end-users, especially in new services and functionalities that empower citizens. In this regard, some limitations have been observed in energy forecasting models based on AI such as robustness, reliability, accuracy and computation in the edge. This research proposes and develops a new version of Fuzzy Inductive Reasoning(FIR), called Flexible FIR, to model and predict the electricity consumption of an entity in the low-voltage grid with high uncertainties, and information missing, as well as the capacity to be deployed either in the cloud or locally in a new version of Smart Meters(SMs) based on Edge Computing(EC). FIR has been proved to be a powerful approach for model identification and system ’s prediction over dynamic and complex processes in different real world domains but not yet in the energy domain. Thus, the main goal of this thesis is to demonstrate that a new version of FIR, more robust, reliable and accurate can be a referent Soft Computing(SC) methodology to model and predict dynamic systems in the energy domain and that it is scalable to an EC integration. The core developments of Flexible FIR have been an algorithm that can cope with missing information in the input values, as well as learn from instances with Missing Values(MVs) in the knowledge-based, without compromising significantly the accuracy of the predictions. Moreover, Flexible FIR comes with new forecasting strategies that can cope better with loss of causality of a variable and dispersion of output classes than classical k nearest neighbours, making the FIR forecasting process more reliable and robust. Furthermore, Flexible FIR addresses another major challenge modelling with SC techniques, which is to select best model parameters. One of the most important parameters in FIR is the number k of nearest neighbours to be used in the forecast process. The challenge to select the optimal k, dynamically, is addressed through an algorithm, called KOS(K nearest neighbour Optimal Selection), which has been developed and tested also with real world data. It computes a membership aggregation function of all the neighbours with respect their belonging to the output classes.While with KOS the optimal parameter k is found online, with other approaches such as genetic algorithms or reinforcement learning is not, which increases the computational time.Ens trobem davant una crisis climàtica global que exigeix un canvi al status quo de la manera que produïm, distribuïm i consumim energia. En les darreres dècades, està sent redefinit gràcies a les xarxa elèctriques intel·ligents(SG: Smart Grid) amb millor observabilitat, control, automatització, integrades amb nous serveis energètics i usuaris finals. La majoria de les funcionalitats i escenaris de les SG es basen en prediccions de la càrrega elèctrica confiables, robustes i ràpides. Per les prediccions de càrregues elèctriques a curt termini(SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivell de consumidors al baix voltatge, s’han aplicat una gran varietat de tècniques intel·ligència Artificial(IA) mostrant millor rendiment que tècniques estadístiques tradicionals. Un baix rendiment en SLF, pot traduir-se no només en una solució no-òptima (baixa precisió de predicció) sinó també en la frustració dels usuaris finals, especialment en nous serveis i funcionalitats que empoderarien als ciutadans. En el marc d’aquesta investigació es proposa i desenvolupa una nova versió de la metodologia del Raonament Inductiu Difús(FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), anomenat Flexible FIR, capaç de modelar i predir el consum d’electricitat d’una entitat amb un grau d’incertesa molt elevat, inclús amb importants carències d’informació (missing values). A més, Flexible FIR té la capacitat de desplegar-se al núvol, així como localment, en el que podria ser una nova versió de Smart Meters (SM) basada en tecnologia d’Edge Computing (EC). FIR ja ha demostrat ser una metodologia molt potent per la generació de models i prediccions en processos dinàmics en diferents àmbits, però encara no en el de l’energia. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta tesis és demostrar que una versió millorada de FIR, més robusta, fiable i precisa pot consolidar-se com una metodologia Soft Computing SC) de referencia per modelar i predir sistemes dinàmics en aplicacions per al sector de l’energia i que és escalable a una integració d’EC. Les principals millores de Flexible FIR han estat, en primer lloc, el desenvolupament i test d’un algorisme capaç de processar els valors d’entrada d’un model FIR tot i que continguin Missing Values (MV). Addicionalment, aquest algorisme també permet aprendre d’instàncies amb MV en la matriu de coneixement d’un model FIR, sense comprometre de manera significativa la precisió de les prediccions. En segon lloc, s’han desenvolupat i testat noves estratègies per a la fase de predicció, comportant-se millor que els clàssics k veïns més propers quan ens trobem amb pèrdua de causalitat d’una variable i dispersió en les classes de sortida, aconseguint un procés d’aprenentatge i predicció més confiable i robust. En tercer lloc, Flexible FIR aborda un repte molt comú en tècniques de SC: l’òptima parametrització del model. En FIR, un dels paràmetres més determinants és el número k de veïns més propers que s’utilitzaran durant la fase de predicció. La selecció del millor valor de k es planteja de manera dinàmica a través de l’algorisme KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que s’ha desenvolupat i testat també amb dades reals. Mentre que amb KOS el paràmetre òptim de k es calcula online, altres enfocaments mitjançant algoritmes genètics o aprenentatge per reforç el càlcul és offline, incrementant significativament el temps de resposta, sent a més a més difícil la implantació en escenaris d’EC. Aquestes millores fan que Flexible FIR es pugui adaptar molt bé en aplicacions d’EC. En aquest sentit es proposa el concepte d’un SM de segona generació basat en EC, que integra Flexible FIR com mòdul de predicció d’electricitat executant-se en el propi dispositiu i un agent EC amb capacitat per el trading d'energia produïda localment. Aquest agent executa un innovador mecanisme basat en incentius, anomenat NRG-X-Change que utilitza una nova moneda digital descentralitzada per l’intercanvi d’energia, que s’anomena NRGcoin.Estamos ante una crisis climática global que exige un cambio del status quo de la manera que producimos, distribuimos y consumimos energía. En las últimas décadas, este status quo está siendo redefinido debido a: la penetración de las energías renovables y la generación distribuida; nuevas tecnologías como baterías y paneles solares con altos rendimientos; y la forma en que se consume la energía, por ejemplo, a través de vehículos eléctricos o con la electrificación de los hogares. Estas palancas requieren una red eléctrica inteligente (SG: Smart Grid) con mayor observabilidad, control, automatización y que esté totalmente integrada con nuevos servicios energéticos, así como con sus usuarios finales. La mayoría de las funcionalidades y escenarios de las redes eléctricas inteligentes se basan en predicciones de la energía confiables, robustas y rápidas. Por ejemplo, para actividades de planificación como la generación, compra, mantenimiento e inversión; para la gestión de la demanda, como los programas de demand response; en el trading de electricidad, especialmente a nivel local, donde las producciones y los consumos son más estocásticos y dinámicos; una mejor predicción eléctrica también aumenta la estabilidad de la red y, por lo tanto, mejora la seguridad. Para las predicciones eléctricas a corto plazo (SLF: Short-term electricity Load Forecasting), a nivel de consumidores en el bajo voltaje, se han aplicado una gran variedad de técnicas de Inteligencia Artificial (IA) mostrando mejor rendimiento que técnicas estadísticas convencionales. Un bajo rendimiento en los modelos predictivos, puede traducirse no solamente en una solución no-óptima (baja precisión de predicción) sino también en frustración de los usuarios finales, especialmente en nuevos servicios y funcionalidades que empoderan a los ciudadanos. En este sentido, se han identificado limitaciones en modelos de predicción de energía basados en IA, como la robustez, fiabilidad, precisión i computación en el borde. En el marco de esta investigación se propone y desarrolla una nueva versión de la metodología de Razonamiento Inductivo Difuso (FIR: Fuzzy Inductive Reasoning), que hemos llamado Flexible FIR, capaz de modelar y predecir el consumo de electricidad de una entidad con altos grados de incertidumbre e incluso con importantes carencias de información (missing values). Además, Flexible FIR tiene la capacidad de desplegarse en la nube, así como localmente, en lo que podría ser una nueva versión de Smart Meters (SM) basada en tecnología de Edge Computing (EC). En el pasado, ya se ha demostrado que FIR es una metodología muy potente para la generación de modelos y predicciones en procesos dinámicos, sin embargo, todavía no ha sido demostrado en el campo de la energía. Por tanto, el objetivo principal de esta tesis es demostrar que una versión mejorada de FIR, más robusta, fiable y precisa puede consolidarse como metodología Soft Computing (SC) de referencia para modelar y predecir sistemas dinámicos en aplicaciones para el sector de la energía y que es escalable hacia una integración de EC. Las principales mejoras en Flexible FIR han sido, en primer lugar, el desarrollo y testeo de un algoritmo capaz de procesar los valores de entrada en un modelo FIR a pesar de que contengan Missing Values (MV). Además, dicho algoritmo también permite aprender de instancias con MV en la matriz de conocimiento de un modelo FIR, sin comprometer de manera significativa la precisión de las predicciones. En segundo lugar, se han desarrollado y testeado nuevas estrategias para la fase de predicción de un modelo FIR, comportándose mejor que los clásicos k vecinos más cercanos ante la pérdida de causalidad de una variable y dispersión de clases de salida, consiguiendo un proceso de aprendizaje y predicción más confiable y robusto. En tercer lugar, Flexible FIR aborda un desafío muy común en técnicas de SC: la óptima parametrización del modelo. En FIR, uno de los parámetros más determinantes es el número k de vecinos más cercanos que se utilizarán en la fase de predicción. La selección del mejor valor de k se plantea de manera dinámica a través del algoritmo KOS (K nearest neighbour Optimal Selection) que se ha desarrollado y probado también con datos reales. Dicho algoritmo calcula una función de membresía agregada, de todos los vecinos, con respecto a su pertenencia a las clases de salida. Mientras que con KOS el parámetro óptimo de k se calcula online, otros enfoques mediante algoritmos genéticos o aprendizaje por refuerzo, el cálculo es offline incrementando significativamente el tiempo de respuesta, siendo además difícil su implantación en escenarios de EC. Estas mejoras hacen que Flexible FIR se adapte muy bien en aplicaciones de EC, en las que la analítica de datos en streaming debe ser fiable, robusta y con un modelo suficientemente ligero para ser ejecutado en un IoT Gateway o dispositivos más pequeños. También, en escenarios con poca conectividad donde el uso de la computación en la nube es limitado y los parámetros del modelo se calculan localmente. Con estas premisas, en esta tesis, se propone el concepto de un SM de segunda generación basado en EC, que integra Flexible FIR como módulo de predicción de electricidad ejecutándose en el dispositivo y un agente EC con capacidad para el trading de energía producida localmente. Dicho agente ejecuta un novedoso mecanismo basado en incentivos, llamado NRG-X-Change que utiliza una nueva moneda digital descentralizada para el intercambio de energía, llamada NRGcoin.Postprint (published version