An application of the Shapley value to perform system partitioning

We introduce a new method to perform the partitioning of non-centralized dynamical linear systems based on the relevance of the possible interconnections among the smallest components of the system. In particular, we analyze the importance of the interconnections using game theoretical tools, so that they can be arranged as a function of their expected contribution to the overall system performance. In addition, this method allows to identify unnecessary interconnections and highlights the most appropriate communication links facing the application of distributed control schemes. The effectiveness of the proposed method is shown at the end of this work by means of a numerical example.Financial support by the COOPERA Project (DPI2013-46912-C2-1-R) and the FP7-ICT DYMASOS Proyect (under grant agreement No 611281) is gratefully acknowledgedPeer Reviewe

Non-centralized Control for Flow-based Distribution Networks: A Game-theoretical Insight

This paper solves a data-driven control problem for a flow-based distribution network with two objectives: a resource allocation and a fair distribution of costs. These objectives represent both cooperation and competition directions. It is proposed a solution that combines either a centralized or distributed cooperative game approach using the Shapley value to determine a proper partitioning of the system and a fair communication cost distribution. On the other hand, a decentralized noncooperative game approach computing the Nash equilibrium is used to achieve the control objective of the resource allocation under a non-complete information topology. Furthermore, an invariant-set property is presented and the closed-loop system stability is analyzed for the non cooperative game approach. Another contribution regarding the cooperative game approach is an alternative way to compute the Shapley value for the proposed specific characteristic function. Unlike the classical cooperative-games approach, which has a limited application due to the combinatorial explosion issues, the alternative method allows calculating the Shapley value in polynomial time and hence can be applied to large-scale problems.Generalitat de Catalunya FI 2014Ministerio de Ciencia y Educación DPI2016-76493-C3-3-RMinisterio de Ciencia y Educación DPI2008-05818Proyecto europeo FP7-ICT DYMASO

Non-centralized control for flow-based distribution networks: a game-theoretical insight

© . This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/This paper solves a data-driven control problem for a flow-based distribution network with two objectives: a resource allocation and a fair distribution of costs. These objectives represent both cooperation and competition directions. It is proposed a solution that combines either a centralized or distributed cooperative game approach using the Shapley value to determine a proper partitioning of the system and a fair communication cost distribution. On the other hand, a decentralized non-cooperative game approach computing the Nash equilibrium is used to achieve the control objective of the resource allocation under a non-complete information topology. Furthermore, an invariant-set property is presented and the closed-loop system stability is analyzed for the non-cooperative game approach. Another contribution regarding the cooperative game approach is an alternative way to compute the Shapley value for the proposed specific characteristic function. Unlike the classical cooperative-games approach, which has a limited application due to the combinatorial explosion issues, the alternative method allows calculating the Shapley value in polynomial time and hence can be applied to large-scale problems.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

The role of population games in the design of optimization-based controllers: a large-scale insight

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Universidad de los AndesPremi CEA Springer Award 2017, a la millor tesi d'enginyeria de control a EspanyaEuropean PhD Award on Control for Complex and Heterogeneous Systems, atorgat pel European Embedded Control InstituteThis thesis is mainly devoted to the study of the role of evolutionary-game theory in the design of distributed optimization-based controllers. Game theoretical approaches have been used in several engineering fields, e.g., drainage wastewater systems, bandwidth allocation, wireless networks, cyber security, congestion games, wind turbines, temperature control, among others. On the other hand, a specific class of games, known as population games, have been mainly used in the design of controllers to manage a limited resource. This game approach is suitable for resource allocation problems since, under the framework of full-potential games, the population games can satisfy a unique coupled constraint while maximizing a potential function. First, this thesis discusses how the classical approach of the population games can contribute and complement the design of optimization-based controllers. Therefore, this dissertation assigns special interest on how the features of the population-game approach can be exploited extending their capabilities in the solution of distributed optimization problems. In addition, density games are studied in order to consider multiple coupled constraints and preserving the non-centralized information requirements. Furthermore, it is established a close relationship between the possible interactions among agents in a population with the constrained information sharing among different local controllers. On the other hand, coalitional games are discussed focusing on the Shapley power index. This power index has been used to assign an appropriate rewarding to players in function of their contributions to all possible coalitions. Even though this power index is quite useful in the engineering context, since it involves notions of fairness and/or relevance (how important players are), the main difficulty of the implementation of the Shapley value in engineering applications is related to the high computational burden. Therefore, this dissertation studies the Shapley value in order to propose an alternative manner to compute it reducing computational time, and a different way to find it by using distributed communication structures is presented. The studied game theoretical approaches are suitable for the modeling of rational agents involved in a strategic constrained interaction, following local rules and making local decisions in order to achieve a global objective. Making an analogy, distributed optimization-based controllers are composed of local controllers that compute optimal inputs based on local information (constrained interactions with other local controllers) in order to achieve a global control objective. In addition to this analogy, the features that relate the Nash equilibrium with the Karush-Kuhn-Tucker conditions for a constrained optimization problem are exploited for the design of optimization-based controllers, more specifically, for the design of model predictive controller. Moreover, the design of non-centralized controllers is directly related to the partitioning of a system, i.e., it is necessary to represent the whole system as the composition of multiple sub-systems. This task is not a trivial procedure since several considerations should be taken into account, e.g., availability of information, dynamical coupling in the system, regularity in the amount of variables for each sub-system, among others. Then, this doctoral dissertation also discusses the partitioning problem for large-scale systems and the role that this procedure plays in the design of distributed optimization-based controllers. Finally, dynamical partitioning strategies are presented with distributed population-games-based controllers. Some engineering applications are presented to illustrate and test the performance of all the proposed control strategies, e.g., the Barcelona water supply network, multiple continuous stirred tank reactors, system of multiple unmanned aerial vehicles.Esta tesis doctoral consiste principalmente en el estudio del rol que desempeña la teoría de juegos evolutiva en el diseño de controladores distribuidos basados en optimización. Diversos enfoques de la teoría de juegos han sido usados en múltiples campos de la ingeniera, por ejemplo, en sistemas de drenaje urbano, para la asignación de anchos de banda, en redes inalámbricas, en ciber-seguridad, en juegos de congestión, turbinas eólicas, control de temperatura, entre otros. Por otra parte, una clase especifica de juegos, conocidos como juegos poblacionales, se han usado principalmente en el diseño de controladores encargados de determinar la apropiada asignación de recursos. Esta clase de juegos es apropiada para problemas de distribución dinámica de recursos dado que, en el contexto de juegos poblacionales, los juegos poblacionales pueden ser usados para maximizar una función potencial mientras se satisface una restricción acoplada. Primero, esta tesis doctoral presenta como el enfoque clásico de los juegos poblacionales pueden contribuir y complementar en el diseño de controladores basados en optimización. Posteriormente, esta disertación concentra su atención en cómo las características de los juegos poblacionales pueden ser aprovechadas y extendidas para dar solución a problemas de optimización de forma distribuida. Adicionalmente, los juegos con dependencia de densidad son estudiados con el fin de considerar múltiples restricciones mientras se preservan las características no centralizadas de los requerimientos de información. Finalmente, se establece una estrecha relación entre las posibles interacciones de los agentes en una población y las restricciones de intercambio de información entre diversos controladores locales. También, se desarrolla una discusión sobre los juegos cooperativos y el índice de poder conocido como el valor de Shapley. Este índice de poder ha sido usado para la apropiada asignación de beneficios para un jugador en función de sus contribuciones a todas las posibles coaliciones que pueden formarse. Aunque este índice de poder es de gran utilidad en el contexto ingenieril, ya que involucra nociones de justicia y/o relevancia, la principal dificultad para implementar el valor de Shapley en aplicaciones de ingeniería está asociado a los altos costos computacionales para encontrarlo. En consecuencia, esta disertación doctoral estudia el valor de Shapley con el fin de ofrecer una alternativa para calcular este índice de poder reduciendo los costos computacionales e incluso contemplando estructuras distribuidas de comunicación. Los enfoques de la teoría de juegos estudiados son apropiados para el modelamiento de agentes racionales involucrados en una interacción estratégica con restricciones, siguiendo reglas locales y tomando decisiones locales para alcanzar un objetivo global. Realizando una analogía, los controladores distribuidos basados en optimización están compuestos por controladores locales que calculan acciones óptimas basados en información local (considerando interacciones restringidas con otros controladores locales) con el fin de alcanzar un objetivo global. Adicional a esta analogía, las características que relacionan el equilibrio de Nash con las condiciones de Karush-Kuhn-Tucker en un problema de optimizaciones con restricciones son aprovechadas para el diseño de controladores basados en optimización, más específicamente, para el diseño de controladores predictivos. Por otra parte, el diseño de controladores no centralizados está directamente relacionado con el particionado de un sistema, es decir, es necesario representar el sistema en su totalidad por medio del conjunto de varios sub-sistemas. Esta tarea no es un procedimiento trivial puesto que es necesario tener en cuenta varias consideraciones, por ejemplo, la disponibilidad de información, el acople dinámico en el sistema, la regularidad en cuanto a la cantidad de variables en cada sub-sistema, entre otras. Por lo tanto, esta disertación doctoral también desarrolla una discusión alrededor del problema de particionado para sistemas de gran escala y respecto al rol que este procedimiento de particionado juega en el diseño de controladores distribuidos basados en optimización. Finalmente, se presentan estrategias de particionado dinámico junto con controladores basados en juegos poblacionales. Algunas aplicaciones en ingeniería son usadas para ilustrar y probar los controladores diseñados por medio de las contribuciones novedosas basadas en teoría de juegos, estas son, la red de agua potable de Barcelona, múltiples reactores, sistema compuesto por varios vehículos aéreos no tripulados y un sistema de distribución de agua.Aquesta tesi doctoral consisteix principalment en l'estudi del paper que exerceix la teoria de jocs evolutiva en el disseny de controladors distribuïts basats en optimització. Diversos enfocaments de la teoria de jocs han estat usats en múltiples camps de l'enginyeria, per exemple, en sistemes de drenatge urbà, per a l’assignació d'amples de banda, en xarxes sense fils, a ciber-seguretat, en jocs de congestió, turbines eòliques, control de temperatura, entre altres. D'altra banda, una classe especifica de jocs, coneguts com jocs poblacionals, s'han fet servir principalment en el disseny de controladors encarregats de determinar l'apropiada assignació de recursos. Aquesta classe de jocs és apropiada per a problemes de distribució dinàmica de recursos atès que, en el context de jocs poblacionals, aquests poden ser usats per a maximitzar una funció potencial mentre es satisfà una restricció acoblada. Primer, aquesta tesi doctoral presenta com l'enfocament clàssic dels jocs poblacionals poden contribuir i complementar en el disseny de controladors basats en optimització. Posteriorment, aquesta dissertació concentra la seva atenció en com les característiques dels jocs poblacionals poden ser aprofitades i esteses per donar solució a problemes d’optimització de forma distribuïda. Addicionalment, els jocs amb dependència de densitat són estudiats amb la _finalitat de considerar múltiples restriccions mentre es preserven les característiques no centralitzades dels requeriments d’informació. Finalment, s'estableix una estreta relació entre les possibles interaccions dels agents en una població i les restriccions d'intercanvi d’informació entre diversos controladors locals. També, es desenvolupa una discussió sobre els jocs cooperatius i l’índex de poder conegut com el valor de Shapley. Aquest índex de poder ha estat usat per l'apropiada assignació de beneficis per a un jugador en funció de les seves contribucions a totes les possibles coalicions que poden formar-se. Encara que aquest índex de poder es de gran utilitat en el context de l'enginyeria, ja que involucra nocions de justícia i/o rellevància, la principal dificultat per implementar el valor de Shapley en aplicacions d'enginyeria està associat als alts costos computacionals per trobar-lo. En conseqüència, aquesta dissertació doctoral estudia el valor de Shapley per tal d'oferir una alternativa per calcular aquest índex de poder reduint els costos computacionals i fins i tot contemplant estructures distribuïdes de comunicació. Els enfocaments de la teoria de jocs estudiats són apropiats per al modelatge d'agents racionals involucrats en una interacció estratègica amb restriccions, seguint regles locals i prenent decisions locals per assolir un objectiu global. Realitzant una analogia, els controladors distribuïts basats en optimització estan compostos per controladors locals que calculen accions optimes basats en informació local (considerant interaccions restringides amb altres controladors locals) per tal d'assolir un objectiu global. Addicional a aquesta analogia, les característiques que relacionen l'equilibri de Nash amb les condicions de Karush-Kuhn-Tucker en un problema d’optimització amb restriccions són aprofitades per al disseny de controladors basats en optimització, més específicament, per al disseny de controladors predictius. D'altra banda, el disseny de controladors no centralitzats està directament relacionat amb la partició d'un sistema, és a dir, cal representar el sistema en la seva totalitat per mitjà del conjunt de diversos sub-sistemes. Aquesta tasca no és un procés trivial, ja que cal tenir en compte diverses consideracions, per exemple, la disponibilitat d’informació, l'acoblament dinàmic en el sistema, i la regularitat pel que fa a la quantitat de variables en cada sub-sistema, entre d'altres. Per tant, aquesta dissertació doctoral també desenvolupa una discussió al voltant del problema de partició per a sistemes de gran escala i respecte al paper que aquest procediment de partició juga en el disseny de controladors distribuïts basats en optimització. Finalment, es presenten estratègies de partició dinàmic juntament amb controladors basats en jocs poblacionals. Algunes aplicacions en enginyeria són usades per il·lustrar i provar els controladors dissenyats per mitjà de les contribucions noves basades en teoria de jocs, aquestes són: la xarxa d'aigua potable de Barcelona, múltiples reactors, sistema compost per diversos vehicles aeris no tripulats i un sistema de distribució d'aigua.Award-winningPostprint (published version

The role of population games in the design of optimization-based controllers: a large-scale insight

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Universidad de los AndesPremi CEA Springer Award 2017, a la millor tesi d'enginyeria de control a EspanyaEuropean PhD Award on Control for Complex and Heterogeneous Systems, atorgat pel European Embedded Control InstituteThis thesis is mainly devoted to the study of the role of evolutionary-game theory in the design of distributed optimization-based controllers. Game theoretical approaches have been used in several engineering fields, e.g., drainage wastewater systems, bandwidth allocation, wireless networks, cyber security, congestion games, wind turbines, temperature control, among others. On the other hand, a specific class of games, known as population games, have been mainly used in the design of controllers to manage a limited resource. This game approach is suitable for resource allocation problems since, under the framework of full-potential games, the population games can satisfy a unique coupled constraint while maximizing a potential function. First, this thesis discusses how the classical approach of the population games can contribute and complement the design of optimization-based controllers. Therefore, this dissertation assigns special interest on how the features of the population-game approach can be exploited extending their capabilities in the solution of distributed optimization problems. In addition, density games are studied in order to consider multiple coupled constraints and preserving the non-centralized information requirements. Furthermore, it is established a close relationship between the possible interactions among agents in a population with the constrained information sharing among different local controllers. On the other hand, coalitional games are discussed focusing on the Shapley power index. This power index has been used to assign an appropriate rewarding to players in function of their contributions to all possible coalitions. Even though this power index is quite useful in the engineering context, since it involves notions of fairness and/or relevance (how important players are), the main difficulty of the implementation of the Shapley value in engineering applications is related to the high computational burden. Therefore, this dissertation studies the Shapley value in order to propose an alternative manner to compute it reducing computational time, and a different way to find it by using distributed communication structures is presented. The studied game theoretical approaches are suitable for the modeling of rational agents involved in a strategic constrained interaction, following local rules and making local decisions in order to achieve a global objective. Making an analogy, distributed optimization-based controllers are composed of local controllers that compute optimal inputs based on local information (constrained interactions with other local controllers) in order to achieve a global control objective. In addition to this analogy, the features that relate the Nash equilibrium with the Karush-Kuhn-Tucker conditions for a constrained optimization problem are exploited for the design of optimization-based controllers, more specifically, for the design of model predictive controller. Moreover, the design of non-centralized controllers is directly related to the partitioning of a system, i.e., it is necessary to represent the whole system as the composition of multiple sub-systems. This task is not a trivial procedure since several considerations should be taken into account, e.g., availability of information, dynamical coupling in the system, regularity in the amount of variables for each sub-system, among others. Then, this doctoral dissertation also discusses the partitioning problem for large-scale systems and the role that this procedure plays in the design of distributed optimization-based controllers. Finally, dynamical partitioning strategies are presented with distributed population-games-based controllers. Some engineering applications are presented to illustrate and test the performance of all the proposed control strategies, e.g., the Barcelona water supply network, multiple continuous stirred tank reactors, system of multiple unmanned aerial vehicles.Esta tesis doctoral consiste principalmente en el estudio del rol que desempeña la teoría de juegos evolutiva en el diseño de controladores distribuidos basados en optimización. Diversos enfoques de la teoría de juegos han sido usados en múltiples campos de la ingeniera, por ejemplo, en sistemas de drenaje urbano, para la asignación de anchos de banda, en redes inalámbricas, en ciber-seguridad, en juegos de congestión, turbinas eólicas, control de temperatura, entre otros. Por otra parte, una clase especifica de juegos, conocidos como juegos poblacionales, se han usado principalmente en el diseño de controladores encargados de determinar la apropiada asignación de recursos. Esta clase de juegos es apropiada para problemas de distribución dinámica de recursos dado que, en el contexto de juegos poblacionales, los juegos poblacionales pueden ser usados para maximizar una función potencial mientras se satisface una restricción acoplada. Primero, esta tesis doctoral presenta como el enfoque clásico de los juegos poblacionales pueden contribuir y complementar en el diseño de controladores basados en optimización. Posteriormente, esta disertación concentra su atención en cómo las características de los juegos poblacionales pueden ser aprovechadas y extendidas para dar solución a problemas de optimización de forma distribuida. Adicionalmente, los juegos con dependencia de densidad son estudiados con el fin de considerar múltiples restricciones mientras se preservan las características no centralizadas de los requerimientos de información. Finalmente, se establece una estrecha relación entre las posibles interacciones de los agentes en una población y las restricciones de intercambio de información entre diversos controladores locales. También, se desarrolla una discusión sobre los juegos cooperativos y el índice de poder conocido como el valor de Shapley. Este índice de poder ha sido usado para la apropiada asignación de beneficios para un jugador en función de sus contribuciones a todas las posibles coaliciones que pueden formarse. Aunque este índice de poder es de gran utilidad en el contexto ingenieril, ya que involucra nociones de justicia y/o relevancia, la principal dificultad para implementar el valor de Shapley en aplicaciones de ingeniería está asociado a los altos costos computacionales para encontrarlo. En consecuencia, esta disertación doctoral estudia el valor de Shapley con el fin de ofrecer una alternativa para calcular este índice de poder reduciendo los costos computacionales e incluso contemplando estructuras distribuidas de comunicación. Los enfoques de la teoría de juegos estudiados son apropiados para el modelamiento de agentes racionales involucrados en una interacción estratégica con restricciones, siguiendo reglas locales y tomando decisiones locales para alcanzar un objetivo global. Realizando una analogía, los controladores distribuidos basados en optimización están compuestos por controladores locales que calculan acciones óptimas basados en información local (considerando interacciones restringidas con otros controladores locales) con el fin de alcanzar un objetivo global. Adicional a esta analogía, las características que relacionan el equilibrio de Nash con las condiciones de Karush-Kuhn-Tucker en un problema de optimizaciones con restricciones son aprovechadas para el diseño de controladores basados en optimización, más específicamente, para el diseño de controladores predictivos. Por otra parte, el diseño de controladores no centralizados está directamente relacionado con el particionado de un sistema, es decir, es necesario representar el sistema en su totalidad por medio del conjunto de varios sub-sistemas. Esta tarea no es un procedimiento trivial puesto que es necesario tener en cuenta varias consideraciones, por ejemplo, la disponibilidad de información, el acople dinámico en el sistema, la regularidad en cuanto a la cantidad de variables en cada sub-sistema, entre otras. Por lo tanto, esta disertación doctoral también desarrolla una discusión alrededor del problema de particionado para sistemas de gran escala y respecto al rol que este procedimiento de particionado juega en el diseño de controladores distribuidos basados en optimización. Finalmente, se presentan estrategias de particionado dinámico junto con controladores basados en juegos poblacionales. Algunas aplicaciones en ingeniería son usadas para ilustrar y probar los controladores diseñados por medio de las contribuciones novedosas basadas en teoría de juegos, estas son, la red de agua potable de Barcelona, múltiples reactores, sistema compuesto por varios vehículos aéreos no tripulados y un sistema de distribución de agua.Aquesta tesi doctoral consisteix principalment en l'estudi del paper que exerceix la teoria de jocs evolutiva en el disseny de controladors distribuïts basats en optimització. Diversos enfocaments de la teoria de jocs han estat usats en múltiples camps de l'enginyeria, per exemple, en sistemes de drenatge urbà, per a l’assignació d'amples de banda, en xarxes sense fils, a ciber-seguretat, en jocs de congestió, turbines eòliques, control de temperatura, entre altres. D'altra banda, una classe especifica de jocs, coneguts com jocs poblacionals, s'han fet servir principalment en el disseny de controladors encarregats de determinar l'apropiada assignació de recursos. Aquesta classe de jocs és apropiada per a problemes de distribució dinàmica de recursos atès que, en el context de jocs poblacionals, aquests poden ser usats per a maximitzar una funció potencial mentre es satisfà una restricció acoblada. Primer, aquesta tesi doctoral presenta com l'enfocament clàssic dels jocs poblacionals poden contribuir i complementar en el disseny de controladors basats en optimització. Posteriorment, aquesta dissertació concentra la seva atenció en com les característiques dels jocs poblacionals poden ser aprofitades i esteses per donar solució a problemes d’optimització de forma distribuïda. Addicionalment, els jocs amb dependència de densitat són estudiats amb la _finalitat de considerar múltiples restriccions mentre es preserven les característiques no centralitzades dels requeriments d’informació. Finalment, s'estableix una estreta relació entre les possibles interaccions dels agents en una població i les restriccions d'intercanvi d’informació entre diversos controladors locals. També, es desenvolupa una discussió sobre els jocs cooperatius i l’índex de poder conegut com el valor de Shapley. Aquest índex de poder ha estat usat per l'apropiada assignació de beneficis per a un jugador en funció de les seves contribucions a totes les possibles coalicions que poden formar-se. Encara que aquest índex de poder es de gran utilitat en el context de l'enginyeria, ja que involucra nocions de justícia i/o rellevància, la principal dificultat per implementar el valor de Shapley en aplicacions d'enginyeria està associat als alts costos computacionals per trobar-lo. En conseqüència, aquesta dissertació doctoral estudia el valor de Shapley per tal d'oferir una alternativa per calcular aquest índex de poder reduint els costos computacionals i fins i tot contemplant estructures distribuïdes de comunicació. Els enfocaments de la teoria de jocs estudiats són apropiats per al modelatge d'agents racionals involucrats en una interacció estratègica amb restriccions, seguint regles locals i prenent decisions locals per assolir un objectiu global. Realitzant una analogia, els controladors distribuïts basats en optimització estan compostos per controladors locals que calculen accions optimes basats en informació local (considerant interaccions restringides amb altres controladors locals) per tal d'assolir un objectiu global. Addicional a aquesta analogia, les característiques que relacionen l'equilibri de Nash amb les condicions de Karush-Kuhn-Tucker en un problema d’optimització amb restriccions són aprofitades per al disseny de controladors basats en optimització, més específicament, per al disseny de controladors predictius. D'altra banda, el disseny de controladors no centralitzats està directament relacionat amb la partició d'un sistema, és a dir, cal representar el sistema en la seva totalitat per mitjà del conjunt de diversos sub-sistemes. Aquesta tasca no és un procés trivial, ja que cal tenir en compte diverses consideracions, per exemple, la disponibilitat d’informació, l'acoblament dinàmic en el sistema, i la regularitat pel que fa a la quantitat de variables en cada sub-sistema, entre d'altres. Per tant, aquesta dissertació doctoral també desenvolupa una discussió al voltant del problema de partició per a sistemes de gran escala i respecte al paper que aquest procediment de partició juga en el disseny de controladors distribuïts basats en optimització. Finalment, es presenten estratègies de partició dinàmic juntament amb controladors basats en jocs poblacionals. Algunes aplicacions en enginyeria són usades per il·lustrar i provar els controladors dissenyats per mitjà de les contribucions noves basades en teoria de jocs, aquestes són: la xarxa d'aigua potable de Barcelona, múltiples reactors, sistema compost per diversos vehicles aeris no tripulats i un sistema de distribució d'aigua.Award-winningPostprint (published version

A game theoretical randomized method for large-scale systems partitioning

© 20xx IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.In this paper, a game theory-based partitioning algorithm for large-scale systems (LSS) is proposed. More specifically, a game over nodes is introduced in a model predictive control framework. The Shapley value of this game is used to rank the communication links of the control network based on their impact on the overall system performance. A randomized method to estimate the Shapley value of each node and also an efficient redistribution of the resulting value to the links involved are considered to relieve the combinatorial explosion issues related to LSS. Once the partitioning solution is obtained, a sensitivity analysis is proposed to give a measure of its performance. Likewise, a greedy fine tuning procedure is considered to increase the optimality of the partitioning results. The full Barcelona drinking water network (DWN) is analyzed as a real LSS case study showing the effectiveness of the proposed approach in comparison with other partitioning schemes available in the literature.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Edge Assignment and Data Valuation in Federated Learning

Federated Learning (FL) is a recent Machine Learning method for training with private data separately stored in local machines without gathering them into one place for central learning. It was born to address the following challenges when applying Machine Learning in practice: (1) Communication cost: Most real-world data that can be useful for training are locally collected; to bring them all to one place for central learning can be expensive, especially in real-time learning applications when time is of the essence, for example, predicting the next word when texting on a smartphone; and (2) Privacy protection: Many applications must protect data privacy, such as those in the healthcare field; the private data can only be seen by its local owner and as such the learning may only use a content-hiding representation of this data, which is much less informative. To fulfill FL’s promise, this dissertation addresses three important problems regarding the need for good training data, system scalability, and uncertainty robustness: 1. The effectiveness of FL depends critically on the quality of the local training data. We should not only incentivize participants who have good training data but also minimize the effect of bad training data on the overall learning procedure. The first problem of my research is to determine a score to value a participant’s contribution. My approach is to compute such a score based on Shapley Value (SV), a concept of cooperative game theory for profit allocation in a coalition game. In this direction, the main challenge is due to the exponential time complexity of the SV computation, which is further complicated by the iterative manner of the FL learning algorithm. I propose a fast and effective valuation method that overcomes this challenge. 2. On scalability, FL depends on a central server for repeated aggregation of local training models, which is prone to become a performance bottleneck. A reasonable approach is to combine FL with Edge Computing: introduce a layer of edge servers to each serve as a regional aggregator to offload the main server. The scalability is thus improved, however at the cost of learning accuracy. The second problem of my research is to optimize this tradeoff. This dissertation shows that this cost can be alleviated with a proper choice of edge server assignment: which edge servers should aggregate the training models from which local machines. Specifically, I propose an assignment solution that is especially useful for the case of non-IID training data which is well-known to hinder today’s FL performance. 3. FL participants may decide on their own what devices they run on, their computing capabilities, and how often they communicate the training model with the aggregation server. The workloads incurred by them are therefore time-varying, and unpredictably. The server capacities are finite and can vary too. The third problem of my research is to compute an edge server assignment that is robust to such dynamics and uncertainties. I propose a stochastic approach to solving this problem

Improving interpretation of sea-level projections through a machine-learning-based local explanation approach

Process-based projections of the sea-level contribution from land ice components are often obtained from simulations using a complex chain of numerical models. Because of their importance in supporting the decision-making process for coastal risk assessment and adaptation, improving the interpretability of these projections is of great interest. To this end, we adopt the local attribution approach developed in the machine learning community by combining the game-theoretic approach known as &lsquo;SHAP&rsquo; (SHapley Additive exPlanation) with machine-learning regression models. We apply our methodology to a subset of the multi-model ensemble study of the future contribution of the Greenland ice sheet to sea-level, taking into account different modelling choices related to (1) the numerical implementation, (2) the initial conditions, and (3) the modelling of ice-sheet processes. This allows us to quantify the influence of particular modelling decisions, which is directly expressed in terms of sea level change contribution. This type of diagnosis can be performed on any member of the ensemble, and we show in the Greenland case how the aggregation of the local attribution analyses can help guide future model development as well as scientific interpretation, particularly with regard to spatial model resolution and to retreat parametrisation.</p