Multiagentensysteme und Mobiles Crowdsensing

Technologien, Architekturen, Plattformen

Prof. Dr. Stefan Bosse

Universität Koblenz - FB Informatik - Praktische Informatik

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick ::

Überblick

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Schwerpunkte in diesem Kurs

Schwerpunkte in diesem Kurs

  • Modelle und Architekturen von Agenten

  • Grundlagen von autonomen Agenten und selbstorganisierenden Systemen

  • Konzepte der Programmierung von Agenten: Eher praktisch?

  • Praktische Relevanz und Anwendung von agentenbasierten Systemen

  • Plattformen und Technologien

  • Simulation

  • Mobiles Crowdsensing in etwas Theorie und viel Praxis

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Schwerpunkte in diesem Kurs

Begleitet von integrierten Übungen um obige Techniken konkret anzuwenden

Vorlesung
2 SWS mit Grundlagen und Live Programming (Baukastenprinzip!)
Übung
2 SWS mit Programmierung und angewandter Vertiefung (integriert)
Voraussetzungen
Grundlegende Programmierfähigkeiten (keine spez. Programmiersprache)
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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Materialien

Materialien

  1. Die Vorlesungsinhalte (Skript, Folien) werden auf http://edu-9.de unter der Rubrik Lehre zusammengestellt und angeboten (Kurs mas4k)

  2. Weitere Materialien (Tutorials, Übungen, Software) werden ebenfalls auf http://edu-9.de bereitgestellt

  3. Videos sind über http://edu-9.de verlinkt.

  4. Interkation der Teilnehmer kann über einen Wiki stattfinden. (dokuwiki). Dieser ist über http://ag-0.de erreichbar und in den jeweiligen Veranstaltungsseiten auf http://edu-9.de verlinkt.

  5. Am Ende der Vorlesungszeit gibt es ein Skript im EPUB Format,

  6. Alle weiteren Hinweise und Einführungen (z.B. in Software) nur noch auf dem Wiki!!!

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Methoden und Verfahren mit Agenten

Methoden und Verfahren mit Agenten

Die drei großen AB*

ABM
Agentenbasiertes Modellieren →
Verhalten und Wechselwirkung von natürlichen oder technischen Systeme werden mit Agenten modelliert
ABC
Agentbasiertes Berechnen (Computing) →
Agenten sind (mobile) Software und Datenverarbeitung →
Programmier- und digitales Kommunikationsmodell
ABS
Agentenbasierte Simulation →
Simulation von komplexen Systemen mit Agentenmodellen (ABM) oder Simulation von Agenten (ABC)
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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Leistungen

Leistungen

Folgende Möglichkeiten einer Prüfungsleistung stehen zur Auswahl:

  1. Mündliche Prüfung

  2. Schriftliche Ausarbeitung zu einer Fragestellung zu dem Thema (Review/Survey)

  3. Die Bearbeitung einer experimentellen oder simulativen Arbeit (JAM)

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Methoden und Verfahren mit Agenten

Methoden und Verfahren mit Agenten

Variationen und Kombinationen

ABMS
Kombination und Schnittmenge aus ABM und ABS als eigene Disziplin
ABX
Kombination aus ABM, ABS, und ABC! →
Erweiterte Simulation und Modellierung mit Daten aus Crowd Sensing

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Methoden und Verfahren mit Agenten

Methoden und Verfahren mit Agenten

Einsatzgebiete von Agenten

  1. ABM und ABS werden in folgenden Disziplinen eingesetzt:

    • Soziologie
    • Biologie
    • Physik, Materialwissenschaften (Zelluläre Automaten!)
    • Ökonomie/Wirtschaftswissenschaften

  2. ABC und ABS werden eingesetzt in:

    • Verteilte und parallele Datenverarbeitung, Informatik
    • Agentenbasiertes Planen, Produktionstechnik
    • Künstliche Intelligenz, agentenbasiertes Lernen und Schwärme (Robotik)
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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Literatur

Literatur

Vorlesungsfolien ABM,ABS,ABC
Die Inhalte der Vorlesung werden sukzessive bereitgestellt
Vorlesungsskript ABM,ABS,ABC
Die Inhalte der Vorlesung werden sukzessive als ebook (epub) bereitgestellt
Crowdsourcing and Simulation with Mobile Agents and the JavaScript Agent MachineABM,ABS,ABC
S. Bosse, 2022, ISBN 978-1471078132

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Literatur

Literatur

MultiAgent Systems ABC
Michael Wooldridge, John Wiley & Sons, 2002




Multiagent Systems - A Modern Approach to Distributed Artificial IntelligenceABC
Gerhard Weiss (Ed.), The MIT Press, 2000


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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Literatur

Literatur

An Introduction to Agent-Based Modeling ABM,ABS
Uri Wilensky, William Rand, William, MIT Press, 2015


The JavaScript and nodejs Handbooks ABC
Flavio Copes, 2018, https://flaviocopes.com


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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Literatur

Literatur

Mobile Crowdsensing ABC
C. Borcea, M. Talasila, and R. Curtmola, CRC Press, 2017


Adaptive Mobile ComputingABC
M. Migliardi, A. Merlo, and S. A.-H. Baddar, Eds., Elsevier, 2017


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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Literatur

Literatur

Semantics in Mobile Sensing. ABC
Z. Yan and D. Chakraborty, Morgan & Claypool, 2014


Confidentiality and Integrity in Crowdsourcing SystemsABC
A. Bar, M. Maheswaran, Eds., Springer, 2013


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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Literatur

Literatur

Data mining for the social sciences, an introduction.
P. Attewell and D. B. Monaghan, University of California Press, 2015.

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Software

Software

Verwendete Software (Vorlesung und Übung)

JAM ABC edu-9.de

  • JAM: JavaScript Agent Machine
  • Vollständig in JavaScript programmiert (+Agenten: AgentJS)
  • Einsatz auf verschiedenen Hostplattformen: PC, Smartphone, Embedded PC, Server, ..



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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Software

Software

Verwendete Software (Vorlesung und Übung)

SEJAM2 ABC,ABX edu-9.de

  • SEJAM: Simulation Environment for JAM
  • Simulationsumgebung und Entwicklungs IDE
  • Bottom-up Modellierung, lokales Modell
  • GUI und Visualisierung aufgesetzt auf JAM
  • Virtuelle JAM Netzwerke und Welten
  • Zusätzlich NetLogo-like API



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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Software

Software

Verwendete Software (Vorlesung und Übung)

JAM Laboratory ABC edu-9.de

  • Vollständige JAM Plattform
  • IDE mit Interpreter Shell, Editor, und Nachrichtenfenstern
  • Kann in jedem Web Browser ausgeführt werden
  • Internetanbindung an andere JAM Plattformen

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Software

Software

JAM Laboratory ABC

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Fragestellungen

Fragestellungen

  1. Wie kann man komplexe dynamische Systeme mit Agenten modellieren und simulieren, die
    • aus einzelnen einfach Einheiten bestehen, und
    • die Einheiten miteinander wechselwirken?
  2. Wie kann man das globale Verhalten → also Systemverhalten → einer Menge von Agenten studieren?
  3. Wie kann robuste Datenverarbeitung in heterogenen Umgebungen (Netzwerken) mit Agenten stattfinden?

Crooks et al., 2018

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Fragestellungen

Fragestellungen

  1. Wie kann in ABM/ABS die reale Welt auf künstliche Welten für Agenten abgebildet und repräsentiert werden?

Crooks et al., 2018

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Ziele

Ziele

Die Studenten erwerben/gewinnen/lernen

  1. Grundverständnis von Agenten und deren Verhaltensmodelle
  2. Grundlagen verteilter perzeptiver und reaktiver Systeme und Fähigkeit der Programmierung: Wie können komplexe verteilte Systeme mit einfachen Methoden entworfen werden?
  3. Grundverständnis und Anwendung der Kommunikation, Kooperation, und Kollaboration zwischen Agenten
  4. Fähigkeit der praktischen Anwendung und Abbildung der Agentenmodelle mit Programmierung in einfachen Einsatzszenarien unter Verwendung von JavaScript
  5. Verständnis und Anwendung an Beispielen von selbstorganisierenden Systemen und deren Adaptivität
  6. Grundlagen des Mobilen Crowdsensings verstehen
  7. Praktische Umsetzung einfacher MAS mit der JAM Plattform, JavaScript (AgentJS), und dem SEJAM Simulator
  8. Einblicke in die technologische Umsetzung von Multiagentensystemen und Agentenplattformen mittels der Anwendung Mobiles Crowdsensing erhalten.
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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Inhalte

Inhalte

  1. Einführung in Agenten und Agentensysteme
  2. Mobiles Crowdsensing, Anwendungen
  3. Agentenmodellierung und Agentenmodelle mit einfachen Architekturen
  4. Entwurf von Agenten mit Programmierung
  5. Praktische Agentenbasierte Modellierung mit NetLogo
  6. Agentenkommunikation: Koordination und Kooperation
  7. Agentenplattformen
  8. Mobile Agenten als mobile Prozesse
  9. Praktischer Einsatz von Agenten mit der JAM Plattform
  10. Simulation von Agentensystemen (u.A. mit SEJAM)
  11. Labor: Praktische Implementierung von Mobilen Crowdsensing mit Smartphones
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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Programmierung

Programmierung

Abstrakt (deklarativ)

Jason (BDI)

+!leave(home) 
  : not raining & not ~raining
  <- !location(window); 
    ?curtain_type(Curtains); 
    open(Curtains); 
    .. 
+!leave(home) 
  : not raining & not ~raining 
  <- .send(mum,askIf,raining); 
  ..
@shopping(1)[chance_of_success(0.7),
  usual_payoff(0.9), 
  source(ag1), expires(autumn)] 
+need(Something) 
  : can_afford(Something) 
  <- !buy(Something).
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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Programmierung

Programmierung

Praktisch (prozedural, funktional, obj.bas.)

AgentJS (JAM)

function AgentShopper (charge) {
  this.bank=charge;  this.money=0;
  this.act = {
    init: function () {..},
    percept: function () {..},
    buy:  function () {..},
    gohome: function () {..}
  }
  this.on = {
    'error': function (e) {..},
    'PRICE':  function (val) {..}, 
  }
  this.trans = {
    init: percept,
    percept: function () {return this.money?buy:gohome},
    buy: percept
  };
  this.next=init;
}
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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Pressestimmen

Pressestimmen

Was sagen andere?

Dr. Wander Jager, Universität Groningen

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Crowdsesning

Crowdsesning

  • Im Vordergrund steht eine

    • heterogene verteilte Anwendung mit
    • Nutzerinteraktion (HMI), das
    • Agentenmodell ist hier nur ein Werkzeug und dient als "Elementarzelle" eines selbstorganisierenden Systems, und
    • Datenanalyse (z.B. mittels R)

  • Es erfolgt eine Einführung in die

    • Erhebung von Nutzerdaten (Umfragen),
    • Grundlagen des mobilen Crowdsensing, der
    • Probleme (wie motiviere ich Nutzer teilzunehmen usw.), der
    • Sicherheit und Umgang mit privaten Daten, und der
    • Aggregation und Analyse der Daten.
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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Mobiles Crowd Sensing mit Agenten

Mobiles Crowd Sensing mit Agenten

(Links) Datenerheber (Mitte) Vermittlung (Rechts) Nutzer und Datenquellen

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Konzepte des Crowdsensings

Konzepte des Crowdsensings

Befragung (Umfrage, Survey)

"Befragung, eine häufig verwandte und universell ein- setzbare Erhebungsmethode, bei der Fragende und Befragte über unterschiedliche Medien in Austausch treten, um durch Fragen oder Aufforderung zu Stellungnahmen bzw. Erzählungen Informationen über den Befragten oder über andere Sachverhalte zu gewinnen." Methoden-Lexikon für die Sozialwissenschaften

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Konzepte des Crowdsensings

Welche Themen sind dabei relevant?

  • Befangenheit → Neutralität
  • Methodik:
    • Standardisierte und
    • offene (nicht-standardisierte, qualitative) Befragungen
  • Konstellationen von Fragenden und Befragten
  • Soziale und interaktive Beziehungen zwischen Fragenden und Befragten
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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Konzepte des Crowdsensings

Konzepte des Crowdsensings

  • Erhebungsprobleme (jeglicher Art)
  • Entwicklung von Befragungen (dynamisch vs. statisch)
  • Theoretische Grundlagen der und Modelle als Grundlage für die Befragung

Ablauf von Umfragen - die blau markierten Ebenen werden hier behandelt [Bethlehem, 2009]

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Konzepte des Crowdsensings

Konzepte des Crowdsensings

Mobiles Crowd Sensing

Nutzer sind sowohl Quellen von Daten als auch Konsumenten der Daten bzw. daraus extrahierter Informationen!

Smart City -- Blau: Datenquelle, Rot: Datensenke [Borcea, 2017]

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Konzepte des Crowdsensings

Konzepte des Crowdsensings

Herausforderungen und Fragestellungen

  1. Architektur der Datenerhebung mit Mobilen Crowd Sensing → Zuverlässigkeit, Erreichbarkeit, Datensicherheit, Sicherheit bei der Datenverwendung, Ressourcenbedarf, Skalierbarkeit ...
  2. Gestaltung von mobilen Umfragen und Repräsentanz → Verzerrung und Bias:

Die Populationsverteilung einer mit einer mobilen App (McSense) durchgeführten Feldstudie [Borcea, 2017]

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MAS/CWS - Modul 0 Überblick :: Konzepte des Crowdsensings

Konzepte des Crowdsensings

  1. Qualität der Daten und Fusion von menschlichen mit technischen Daten (z.B. Smartphone Position)
  2. Betrug und Verfälschung
  3. Motivation an der Umfrage und Erhebung teilzunehmen!
  4. Unter- und Überabdeckung bei Umfragen (Samplingframe)

Samplingframe: Problem der Unter- und Überabdeckung bei einer Umfrage [Bethlehem, 2009]

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