Modeling Petri Net-Based Multi-Agent Applications

Abstract

For the construction of software systems, it is essential for the developers to have a profound understanding of the nature of the system. Modeling is the essential means for the understanding of complex systems. This is true for the construction as well as for the comprehension. The understanding of a system is a collective process, in which the whole development team participates. In order to integrate the models into this process, the models have to be made explicit: i.e. explicit representations (e.g. diagrams), which are the ground for communication, have to be provided. Petri net-based Agent-Oriented Software Engineering (Paose) is the systematic approach for the development of multi-agent systems on the basis of the Mulan reference model developed in the Theoretical Foundations Group (TGI) at the University of Hamburg. In the context of this approach, I present a set of modeling techniques that are able to support developers during design, construction and debugging of multi-agent applications built with the Mulan/Capa framework. For the organization of the development team, I provide the multi-agent system of developers as suitable guiding metaphor. I also present a tool set that provides the support for the developers to employ the presented techniques and I present a second tool set that helps the developers to analyze the systems at runtime and in their code base. The modeling techniques for the constructive modeling span all aspects of the framework and constitute a central part of the Paose approach. They facilitate the modeling of the system’s overview in coarse (Coarse Design Diagrams, CDD), the application-specific agent ontology (Concept Diagrams, CD), the organizational structures in multi-agent applications (Dependency Diagrams, DD and R/D Diagrams), the agent interactions (Agent Interaction Protocol Diagrams, AIP) and the agent-internal processes as decision components (as reference nets). The set of supporting tools – one tool for each technique – is integrated in the development environment Renew as plugins. These tools provide the modeling facilities and additionally allow to generate design artifacts from the produced models. These generated artifacts are the system’s initial project code base (from CDD), Java classes for the ontology (CD), the initial knowledge bases (DD and R/D) and the protocol net skeletons (AIP). For the agent-internal processes, Java classes are generated from abstract interface descriptions. The set of techniques and tools for the analysis are able to provide explicit models for the examination of the multi-agent applications. Some of these explicit models are diagrams and some of them make use of the original design artifacts. Finally, I describe and evaluate the AOSE projects, in which the techniques and tools have been applied and in which context they have been developed. All techniques and tools are integrated into the Paose approach through the multi-agent system metaphor. Within the approach, they further the integration and awareness of concurrency and distribution in the developed system as well as in the development system. By providing modeling techniques and supporting tools, I substantially improve the development of multi-agent applications with the Paose approach on a conceptual as well as on a technical level. On the conceptual level, improvements include support for the systematic development, structuring of models and means for the comprehension of the systems. On the technical level, they include the improvement of quality in the development and the observability through explicit representations.

Bei der Konstruktion von Softwaresystemen ist es essenziell, dass die Entwickler zu einem gemeinsamen, tiefgreifenden Verständnis des Systems gelangen. Modellieren ist das grundlegende Mittel, um komplexe Systeme zu verstehen. Dieses gilt genauso für das Erstellen sowie für das Verständnis dieser Systeme. Um die Modelle für den Verstehensprozess des Entwicklerteams nutzbar machen zu können, müssen diese explizit gemacht werden. Das heißt, es müssen die – für die Kommunikation erforderlichen – expliziten Repräsentationen der Modelle (Diagramme) bereitgestellt werden. Die petrinetzbasierte Agentenorientierte Softwareentwicklung (Paose) ist der systematische Ansatz, der von der Arbeitsgruppe Theoretische Grundlagen der Informatik (TGI) an der Universität Hamburg für die Konstruktion von Multiagentenanwendungen entwickelt wird. Im Kontext dieses Ansatzes stelle ich Modellierungstechniken vor, die die systematische Konstruktion von Multiagentenanwendungen, auf der Grundlage des Mulan/Capa Rahmenwerks ermöglichen. Für die Organisation des Entwicklerteams stelle ich ein geeignetes Leitbild zur Verfügung. Weiterhin präsentiere ich einen Werkzeugsatz, der den Einsatz der Techniken ermöglicht und einen weiteren, der die Entwickler darin unterstützt, die Systeme sowohl im laufenden Betrieb als auch im Quelltext zu analysieren. Die vorgestellten Modellierungstechniken berücksichtigen alle Aspekte des Rahmenwerks und stellen eine Kernkomponente des Paose-Ansatzes dar. Sie ermöglichen das Modellieren des groben Systemüberblicks (Grobentwurf, CDD), der anwendungsspezifischen Ontologie (Konzeptdiagramme, CD), der organisatorischen Struktur der Systeme (Abhängigkeitsdiagramme, DD und Rollen/Abhängigkeitsdiagramme, R/D), der Agenteninteraktionen (Agenteninteraktionsdiagramme, AID) und der internen Prozesse der Agenten (mit Referenznetzen). Die bereitgestellten Werkzeuge zu den Techniken sind in das Entwicklungssystem Renew als Plugins integriert. Sie ermöglichen den werkzeugbasierten Einsatz der Modellierungstechniken und ermöglichen das Erstellen von entwicklungsspezifischen Artefakten aus den erstellten Modellen. Die generierten Artefakte umfassen die initiale Quelltextbasis (aus den CDD), Java Klassen der Ontologie (CD), initiale Wissensbasen (DD und R/D) und Protokollnetzskelette (AIP). Für die internen Prozesse können Java Klassen aus abstrakten Schnittstellenbeschreibungen generiert werden. Die Techniken und Werkzeuge für die Analyse sind in der Lage, die beobachteten Systeme durch explizite Modelle darzustellen. Dabei benutzen diese zum Teil die vorgestellten Techniken oder sie integrieren Designartefakte für ihre Zwecke. Schließlich beschreibe und evaluiere ich die AOSE Projekte, in denen die Werkzeuge und Techniken eingesetzt wurden und in deren Kontext diese entwickelt wurden. Alle Techniken und Werkzeuge sind durch die Metapher des Multiagentensystems der Entwickler in den Paose-Ansatz, den Entwicklungsprozess und die Teamorganisation eingebettet. Sie fördern die Integration von Nebenläufigkeit und Dezentralisierung in das entwickelte System und das Entwicklersystem. Durch die Bereitstellung der Modellierungstechniken und Werkzeuge verbessere ich substantiell die Entwicklung von Multiagentenanwendungen auf der Basis von Paose und dies sowohl auf der konzeptionellen, wie auch auf der technischen Ebene. Verbesserungen auf der konzeptionellen Ebene beinhalten die Unterstützung einer systematischen Herangehensweise, besser strukturierte Modelle und die Unterstützung für das Systemverständnis. Auf der technischen Ebene liegen die Vorteile insbesondere in der Qualitätsverbesserung der Entwicklung und der Beobachtbarkeit der Systeme durch explizite Repräsentationen.