Interdependent task allocation via coalition formation for cooperative multi-agent systems
Allocation de tâches interdépendantes via la formation de coalitions pour les systèmes multi-agents coopératifs
Résumé
Task allocation among multiple autonomous agents that must accomplish complex tasks has been one of the focusing areas of recent research in multi-agent systems. In many applications, the agents are cooperative and have to perform tasks that each requires a combination of different capabilities that a subset of agents can have. In this case, we can use coalition formation as a paradigm to assign coalitions of agents to tasks. For robotic systems, in particular, solutions to this task allocation problem have several and increasingly important real-world applications in defense, space, disaster management, underwater exploration, logistics, product manufacturing, and support in healthcare facilities support. Multiple coalition formation and task allocation mechanisms were introduced in the prior art, seldom accounting for interdependent tasks. However, it is recurrent to find tasks whose quality cannot be evaluated without considering the other tasks in real-world applications. These tasks are called interdependent in contrast to independent tasks that can be individually assessed, resulting in a global evaluation of the tasks' allocation that sums all the tasks' evaluations. Research in the past has led to many task allocation algorithms that address the case of independent tasks from different angles and under different paradigms. Other works solve the case of the interdependent tasks, but they do it either centrally with very high complexity or only for the case of precedence dependencies. However, many forms of interdependence may exist between tasks in real-world applications. In addition, these applications need task allocation mechanisms to be decentralised and available at anytime to allow them to return a solution at any time and to improve it if there is time left, to respond to their time-sensitivity and robustness issues. In this dissertation, we consider cooperative multi-agent environments where tasks are multi-agent and interdependent, and task allocation methods have to be decentralized and available at anytime. In this regard, we propose a problem formalisation that considers the agents' and the tasks' qualitative and quantitative attributes and captures the tasks' dependencies on the requirements level and the allocation evaluation level. We introduce a novel approach with a token-passing anytime decentralised coalition formation mechanism. The approach enables agents with complementary capabilities to form, autonomously and dynamically, feasible coalition structures that accomplish a global, composite task. It is based on forming a feasible coalition structure that allows the agents to decide which coalition to join and thus which task to do so that all the tasks can be feasible. Then, the formed structures are incrementally improved via agent replacements to optimise the global evaluation. The purpose is to accomplish the tasks with the best possible performance. The analysis of our algorithms' complexity shows that although the general problem is NP-complete, our mechanism provides a solution within an acceptable time. Simulated application scenarios are used to demonstrate the added value of our approach.
L'allocation des tâches à plusieurs agents autonomes devant accomplir des tâches complexes a été l'un des domaines de recherche récents sur les systèmes multi-agents. Dans de nombreuses applications, les agents sont coopératifs et doivent effectuer des tâches qui nécessitent chacune une combinaison de différentes capacités dont peut se doter un sous-ensemble d'agents. Dans ce cas, nous pouvons utiliser la formation de coalitions comme paradigme pour affecter des coalitions d'agents à des tâches. Les solutions à ce problème d'allocation de tâches, pour les systèmes robotiques en particulier, trouvent plusieurs applications dans le monde réel et prennent de plus en plus de l'importance dans les domaines de la défense, de l'espace, de la gestion des catastrophes, de l'exploration sous-marine, de la logistique, de la fabrication de produits et de l'assistance dans les services de santé. De multiples mécanismes de formation de coalitions et d'allocation de tâches ont été introduits dans l'état de l'art, tenant rarement compte des tâches interdépendantes. Cependant, il est récurrent de trouver des tâches dont la qualité ne peut être évaluée sans considérer les autres tâches dans des applications réelles. Ces tâches sont appelées interdépendantes par opposition aux tâches indépendantes qui, elles, peuvent être évaluées individuellement, ce qui entraîne une évaluation globale de l'allocation des tâches qui additionne simplement toutes les évaluations des tâches. La recherche dans le passé a conduit à de nombreuses méthodes d'allocation de tâches qui traitent le cas des tâches indépendantes sous différents angles et sous différents paradigmes. D'autres travaux résolvent le cas des tâches interdépendantes, mais ils le font soit de manière centralisée avec une complexité très élevée, soit uniquement pour le cas des dépendances de précédence. Cependant, de nombreuses formes d'interdépendance peuvent exister entre les tâches dans les applications du monde réel. Ces applications nécessitent que les mécanismes d'allocation des tâches soient décentralisés et anytime, pouvant renvoyer une solution à tout moment quitte à l'améliorer s'il reste du temps, pour répondre à des problèmes de sensibilité au temps et de robustesse. Dans cette thèse, nous considérons des environnements multi-agents coopératifs où les tâches sont multi-agents et interdépendantes, et les méthodes d'allocation des tâches doivent être décentralisées et anytime. À cet égard, nous proposons une formalisation du problème qui considère les attributs qualitatifs et quantitatifs des agents et des tâches, et qui capture les dépendances des tâches que ça soit au niveau des exigences ou au niveau de l'évaluation des allocations. Nous introduisons une nouvelle approche avec un mécanisme de formation de coalition décentralisé anytime qui permet aux agents dotés de capacités complémentaires de former, de manière autonome et dynamique, des structures de coalitions faisables qui accomplissent une tâche globale et composite. Cette approche est basée sur la formation d'une structure de coalition faisable permettant aux agents de décider quelle coalition rejoindre et donc quelle tâche accomplir afin que toutes les tâches soient faisables. Ensuite, les structures formées sont progressivement améliorées via des remplacements d'agents pour optimiser l'évaluation globale de l'allocation, le but étant d'accomplir les tâches avec les meilleures performances possibles. Nous analysons la complexité de nos algorithmes et montrons que, bien que le problème général soit NP-complet, notre mécanisme fournit une solution dans un temps acceptable. Des scénarios d'application simulés sont utilisés pour démontrer la valeur ajoutée de notre approche.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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