Agent Based Modeling and Simulation: An Informatics Perspective

The term computer simulation is related to the usage of a computational model in order to improve the understanding of a system's behavior and/or to evaluate strategies for its operation, in explanatory or predictive schemes. There are cases in which practical or ethical reasons make it impossible to realize direct observations: in these cases, the possibility of realizing 'in-machina' experiments may represent the only way to study, analyze and evaluate models of those realities. Different situations and systems are characterized by the presence of autonomous entities whose local behaviors (actions and interactions) determine the evolution of the overall system; agent-based models are particularly suited to support the definition of models of such systems, but also to support the design and implementation of simulators. Agent-Based models and Multi-Agent Systems (MAS) have been adopted to simulate very different kinds of complex systems, from the simulation of socio-economic systems to the elaboration of scenarios for logistics optimization, from biological systems to urban planning. This paper discusses the specific aspects of this approach to modeling and simulation from the perspective of Informatics, describing the typical elements of an agent-based simulation model and the relevant research.Multi-Agent Systems, Agent-Based Modeling and Simulation

Autonomous Agents as Tools for Modeling and Building Complex Control Systems that Operate in Dynamic and Unpredictable Environment

Complex control systems that operate in not entirely predictable environment have to deal with this environment in an autonomous manner using adaptability, the ability to predict environmental changes, and to maintain their integrity. Elements of the system must be able to find a new solution in a dynamic way. In this paper, we present the modeling of a traffic lights’ control system using a multivalent system. This is a large-scale distributed system, consisting of autonomous and rational traffic light agents, in which there is no centre imposing an outcome. Multiagent system brings another kind of organization of the distributed control. The information is distributed over the agents. The behavior of the other agents is incorporated into the making decision process of the agent. We apply different control algorithms in our multiagent simulation environment and show that using multiagent systems in dynamic and unpredictable environment the control will be adoptable

FATMAS: a methodology to design fault-tolerant multi-agent systems

Un système multi-agent (SMA) est un système dans lequel plusieurs agents opèrent et interagissent. Chaque agent a la responsabilité d’exécuter des tâches. Cependant, chaque agent, pour diverses raisons, peut rencontrer des problèmes pendant l’exécution de ses tâches ; ce qui peut induire un disfonctionnement du SMA. Cependant, le SMA doit être en mesure de détecter les sources de problèms (d’erreurs) afin de les contrôler et ainsi continuer son exécution correctement. Un tel SMA est appelé un SMA tolérant aux fautes. Il existe deux types de sources d’erreurs pour un agent : les erreurs causées par son environnment et les erreurs dûes à sa programmation. Dans la littérature, il existe plusieurs techniques qui traitent des erreurs de programmation au niveau des agents. Cependant, ces techniques ne traitent pas des erreurs causées par l’environnement de l’agent. Tout d’abord, nous distinguons entre l’environnment d’un agent et l’environnement du SMA. L’environnement d’un agent représente toutes les composantes matérielles ou logicielles que l’agent ne peut contrôler mais avec lesquelles il interagit. Cependant, l’environnment du SMA représente toutes les composantes que le système ne contrôle pas mais avec lesquelles il interagit. Ainsi, le SMA peut contrôler certaines des composantes avec lesquelles un agent interagit. Ainsi, une composante peut appartenir à l’environnement d’un agent et ne pas appartenir à l’environnement du système. Dans ce travail, nous présentons une méthodologie de conception de SMA tolérants aux fautes, nommée FATMAS, qui permet au concepteur du SMA de détecter et de corriger, si possible, les erreurs causées par les environnements des agents. Cette méthodologie permettra ainsi de délimiter la frontière du SMA de son environnement avec lequel il interagit. La frontière du SMA est déterminée par les différentes composantes (matérielles ou logicielles) que le système contrôle. Ainsi, le SMA, à l’intérieur de sa frontière, peut corriger les erreurs provenant de ses composantes. Cependant, le SMA n’a aucun contrôle sur toutes les composantes opérant dans son environnement. La méthodologie, que nous proposons, doit couvrir les trois premières phases d’un développement logiciel qui sont l’analyse, la conception et l’implémentation tout en intégrant, dans son processus de développement, une technique permettant au concepteur du système de délimiter la frontière du SMA et ainsi détecter les sources d’erreurs et les contrôler afin que le système multi-agent soit tolérant aux fautes (SMATF). Cependant, les méthodologies de conception de SMA, référencées dans la littérature, n’intègrent pas une telle technique. FATMAS offre au concepteur du SMATF quatre modèles pour décrire et développer le SMA ainsi qu’une technique de réorganisation du système qui lui permet de détecter et de contrôler ses sources d’erreurs, et ainsi définir la frontière du SMA. Chaque modèle est associé à un micro processus qui guide le concepteur lors du développement du modèle. FATMAS offre aussi un macro-processus, qui définit le cycle de développement de la méthodologie. FATMAS se base sur un développement itératif pour identifier et déterminer les tâches à ajouter au système afin de contrôler des sources d’erreurs. À chaque itération, le concepteur évalue, selon une fonction de coût/bénéfice s’il est opportun d’ajouter de nouvelles tâches de contrôle au système. Le premier modèle est le modèle de tâches-environnement. Il est développé lors de la phase d’analyse. Il identifie les différentes tâches que les agents doivent exécuter, leurs préconditions et leurs ressources. Ce modèle permet d’identifier différentes sources de problèmes qui peuvent causer un disfonctionnement du système. Le deuxième modèle est le modèle d’agents. Il est développé lors de la phase de conception. Il décrit les agents, leurs relations, et spécifie pour chaque agent les ressources auxquelles il a le droit d’accéder. Chaque agent exécutera un ensemble de tâches identifiées dans le modèle de tâches-environnement. Le troisième modèle est le modèle d’interaction d’agents. Il est développé lors de la phase de conception. Il décrit les échanges de messages entre les agents. Le quatrième modèle est le modèle d’implémentation. Il est développé lors de la phase d’implémentation. Il décrit l’infrastructure matérielle sur laquelle le SMA va opérer ainsi que l’environnement de développement du SMA. La méthodologie inclut aussi une technique de réorganisation. Cette technique permet de délimiter la frontière du SMA et contrôler, si possible, ses sources d’erreurs. Cette technique doit intégrer trois techniques nécessaires à la conception d’un système tolérant aux fautes : une technique de prévention d’erreurs, une technique de recouvrement d’erreurs, et une technique de tolérance aux fautes. La technique de prévention d’erreurs permet de délimiter la frontière du SMA. La technique de recouvrement d’erreurs permet de proposer une architecture du SMA pour détecter les erreurs. La technique de tolérance aux fautes permet de définir une procédure de réplication d’agents et de tâches dans le SMA pour que le SMA soit tolérant aux fautes. Cette dernière technique, à l’inverse des techniques de tolérance aux fautes existantes, réplique les tâches et les agents et non seulement les agents. Elle permet ainsi de réduire la complexité du système en diminuant le nombre d’agents à répliquer. Résumé iv De même, un agent peut ne pas être en erreur mais la composante matérielle sur laquelle il est exécuté peut ne plus être fonctionnelle. Ce qui constitue une source d’erreurs pour le SMA. Il faudrait alors que le SMA continue à s’exécuter correctement malgrè le disfonctionnement d’une composante. FATMAS fournit alors un support au concepteur du système pour tenir compte de ce type d’erreurs soit en contrôlant les composantes matérielles, soit en proposant une distribution possible des agents sur les composantes matérielles disponibles pour que le disfonctionnement d’une composante matérielle n’affecte pas le fonctionnement du SMA. FATMAS permet d’identifier des sources d’erreurs lors de la phase de conception du système. Cependant, elle ne traite pas des sources d’erreurs de programmation. Ainsi, la technique de réorganization proposée dans ce travail sera validée par rapport aux sources d’erreurs identifiées lors de la phase de conception et provenant de la frontière du SMA. Nous démontrerons formellement que, si une erreur provient d’une composante que le SMA contrôle, le SMA devrait être opérationnel. Cependant, FATMAS ne certifie pas que le futur système sera toujours opérationnel car elle ne traîte pas des erreurs de programmation ou des erreurs causées par son environnement.A multi-agent system (MAS) consists of several agents interacting together. In a MAS, each agent performs several tasks. However, each agent is prone to individual failures so that it can no longer perform its tasks. This can lead the MAS to a failure. Ideally, the MAS should be able to identify the possible sources of failures and try to overcome them in order to continue operating correctly ; we say that it should be fault-tolerant. There are two kinds of sources of failures to an agent : errors originating from the environment with which the agents interacts, and programming exceptions. There are several works on fault-tolerant systems which deals with programming exceptions. However, these techniques does not allow the MAS to identify errors originating from an agent’s environment. In this thesis, we propose a design methodology, called FATMAS, which allows a MAS designer to identify errors originating from agents’ environments. Doing so, the designer can determine the sources of failures it could be able to control and those it could not. Hence, it can determine the errors it can prevent and those it cannot. Consequently, this allows the designer to determine the system’s boundary from its environment. The system boundary is the area within which the decision-taking process of the MAS has power to make things happen, or prevent them from happening.We distinguish between the system’s environment and an agent’s environment. An agent’s environment is characterized by the components (hardware or software) that the agent does not control. However, the system may control some of the agent’s environment components. Consequently, some of the agent’s environment components may not be a part of the system’s environment. The development of a fault-tolerant MAS (FTMAS) requires the use of a methodology to design FTMAS and of a reorganization technique that will allow the MAS designer to identify and control, if possible, different sources of system failure. However, current MAS design methodologies do not integrate such a technique. FATMAS provides four models used to design and implement the target system and a reorganization technique to assist the designer in identifying and controlling different sources of system’s failures. FATMAS also provides a macro process which covers the entire life cycle of the system development as well as several micro processes that guide the designer when developing each model. The macro-process is based on an iterative approach based on a cost/benefit evaluation to help the designer to decide whether to go from one iteration to another. The methodology has three phases : analysis, design, and implementation. The analysis phase develops the task-environment model. This model identifies the different tasks the agents will perform, their resources, and their preconditions. It identifies several possible sources of system failures. The design phase develops the agent model and the agent interaction model. The agent model describes the agents and their resources. Each agent performs several tasks identified in the task-environment model. The agent interaction model describes the messages exchange between agents. The implementation phase develops the implementation model, and allows an automatic code generation of Java agents. The implementation model describes the infrastructure upon which the MAS will operate and the development environment to be used when developing the MAS. The reorganization technique includes three techniques required to design a fault-tolerant system : a fault-prevention technique, a fault-recovery technique, and a fault-tolerance technique. The fault-prevention technique assists the designer in delimiting the system’s boundary. The fault-recovery technique proposes a MAS architecture allowing it to detect failures. The fault-tolerance technique is based on agent and task redundancy. Contrary to existing fault-tolerance techniques, this technique replicates tasks and agents and not only agents. Thus, it minimizes the system complexity by minimizing the number of agents operating in the system. Furthermore, FATMAS helps the designer to deal with possible physical component failures, on which the MAS will operate. It proposes a way to either control these components or to distribute the agents on these components in such a way that if a component is in failure, then the MAS could continue operating properly. The FATMAS methodology presented in this dissertation assists a designer, in its development process, to build fault-tolerant systems. It has the following main contributions : 1. it allows to identify different sources of system failure ; 2. it proposes to introduce new tasks in a MAS to control the identified sources of failures ; 3. it proposes a mechanism which automatically determines which tasks (agents) should be replicated and in which other agents ; 4. it reduces the system complexity by minimizing the replication of agents ; Abstract vii 5. it proposes a MAS reorganization technique which is embedded within the designed MAS and assists the designer to determine the system’s boundary. It proposes a MAS architecture to detect and recover from failures originating from the system boundary. Moreover, it proposes a way to distribute agents on the physical components so that the MAS could continue operating properly in case of a component failure. This could make the MAS more robust to fault prone environments. FATMAS alows to determine different sources of failures of a MAS. The MAS controls the sources of failures situated in its boundary. It does not control the sources of failures situated in its environments. Consequently, the reorganization technique proposed in this dissertation will be proven valid only in the case where the sources of failures are controlled by the MAS. However, it cannot be proven that the future system is fault-tolerant since faults originating from the environment or from coding are not dealt with

ECONOMIC INVESTIGATION OF PEER PRODUCED SERVICES

The main focus of Web 2.0 is on contents and services. In this paper, we propose a game theoretical model to study the business model of peer production based services from the viewpoint of peer participants. As the potential users of the services are free to join, the concern of a typical participant is to evaluate if the benefit from provisioning a variety of resources is worthy. Both self-organized (decentralized) and firm-based (centralized) configurations are investigated. The profit, network size and demand are also discussed. To ensure the efficiency, an incentive mechanism is proposed. We found that both market configurations are not socially optimal, and would face the recondite trouble of over provisioning or under provisioning. From the view of profit-seeking participants, they would prefer the self-organized market structure

Simulating social relations in multi-agent systems

Open distributed systems are comprised of a large number of heterogeneous nodes with disparate requirements and objectives, a number of which may not conform to the system specification. This thesis argues that activity in such systems can be regulated by using distributed mechanisms inspired by social science theories regarding similarity /kinship, trust, reputation, recommendation and economics. This makes it possible to create scalable and robust agent societies which can adapt to overcome structural impediments and provide inherent defence against malicious and incompetent action, without detriment to system functionality and performance. In particular this thesis describes: • an agent based simulation and animation platform (PreSage), which offers the agent developer and society designer a suite of powerful tools for creating, simulating and visualising agent societies from both a local and global perspective. • a social information dissemination system (SID) based on principles of self organisation which personalises recommendation and directs information dissemination. • a computational socio-cognitive and economic framework (CScEF) which integrates and extends socio-cognitive theories of trust, reputation and recommendation with basic economic theory. • results from two simulation studies investigating the performance of SID and the CScEF. The results show the production of a generic, reusable and scalable platform for developing and animating agent societies, and its contribution to the community as an open source tool. Secondly specific results, regarding the application of SID and CScEF, show that revealing outcomes of using socio-technical mechanisms to condition agent interactions can be demonstrated and identified by using Presage.Open Acces