Skalierung von nebenläufigen und verteilten Simulationssystemen für interagierende Agenten

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Integration von dynamischer Skalierbarkeit, dynamischer Anpassung und modellbasierten Simulationssystemen. Diese Simulationssysteme sind dabei auf die nebenläufige Simulation von auf Plattformen interagierenden Agenten ausgelegt. Das zentrale Ergebnis hierbei ist die im Rahmen der Arbeit eingeführte »Mushu-Architektur«. Diese beschreibt in diesem Kontext ein Agentensystem, in welchem Agenten, heterogene Plattformen und das Management von Plattformen in einer integrierten Architektur bestehen. Dabei sind Agenten durch das Design der Architektur explizit in der Lage dynamischen Einfluss auf die Form ihrer Plattformen und deren Anzahl zu nehmen.

In der realen Welt treten Entitäten wie Systeme und insbesondere Menschen stets in einem bestimmten Raum oder Rahmen miteinander in Interaktion. Die Mushu-Architektur beabsichtigt die Möglichkeit dieser Entitäten spontan Räume für die Kommunikation und Interaktion zu schaffen konzeptuell abzubilden. Die agentenorientierte Softwareentwicklung bietet hierfür eine solide Grundlage und interpretiert die genannten Entitäten als Agenten. Die Simulation großer Systeme ist jedoch ab einer gewissen Größe auf einzelnen Maschinen nicht mehr möglich oder kosteneffizient. Daher wurde die Mushu-Architektur unter der Maßgabe entworfen, dass in einer Realisierung die Gesamtarchitektur ein verteiltes System beschreibt und die Plattformen die größten lokalen Einheiten darstellen. Es wird hergeleitet, dass die dynamische Erzeugung von Plattformen durch Agenten als Skalierungsoperation auf der technischen Ebene beschrieben werden kann. Auf technischer Ebene beschreibt die Mushu-Architektur gleichermaßen Anteile von Softwarekomponente bis Deploymentlandschaft.

Als letzter verbleibender Punkt wird die Abbildung von Realweltsituationen auf derartige Modelle adressiert. Eine geeignete Methodik dafür besteht im Kontext der Szenenanalyse, bei welcher aus (Bild)daten und Wissen Hypothesen über beobachtete Situationen abgeleitet werden, passend zum generellen agentenorientierten Ansatz. Da eine umfassende Betrachtung dieses Ablaufs den Umfang mehrerer eigener Arbeiten hätte, motiviert diese Arbeit lediglich diesen Weg. Dabei wird dargelegt, dass es gerade bei umfangreichen Berechnungen vorteilhaft ist, eine solche Abbildung schneller durchführen zu können. Um hierbei einen Beitrag zu leisten, wird eine Heuristik eingeführt, welche grundlegend für die Beschleunigung einer Klasse an Mustererkennungsalgorithmen eingesetzt werden kann.

Die Arbeit verfolgt einen dreistufigen Ansatz von Konzeptualisierung, Realisierungskonzept und Beschreibung von Prototypen. In der Konzeptualisierung wird die abstrakte Architektur beschrieben, im Realisierungskonzept die Abbildung auf bestehende (oder zu konstruierende) Technologieformen und schlussendlich in den Prototypen die Abbildung des Realisierungskonzepts auf konkrete Technologien, Frameworks, etc. sowie erfolgte Implementationen.

This thesis addresses the integration of dynamic scalability, dynamic adaptation and model-based simulation systems, which are designed for the concurrent simulation of agents interacting on platforms. The main result is the newly introduced “Mushu architecture”. It describes an agent system, in which agents, heterogeneous platforms and the management of platforms exist in an integrated architecture, where agents are explicitly able to dynamically influence their platforms themselves as well as the platform quantity through the design of the architecture.

Based on the real-world observation that entities, such as systems and especially humans, interact with each other in certain spaces or contexts, the Mushu architecture intends to cover the possibility of these entities to spontaneously create spaces for communication and interaction on a conceptual level. Agent-oriented software development provides a solid foundation for this and interprets the entities mentioned as agents. However, the simulation of large systems is no longer possible or cost-efficient for single machines above a certain extent. Therefore, the Mushu architecture was designed with the idea in mind that within a realisation, the overall architecture describes a distributed system and the platforms are the largest local entities. It is then deduced that the dynamic generation of platforms by agents can be described as scaling operations from a technical point of view. On the technical level, the Mushu architecture thus describes different parts ranging from software components to the deployment landscape.

The last remaining aspect is the mapping of real-world situations to such models. A viable methodology for this exists in the context of scene analysis, in which hypotheses about observed situations are derived from (image) data and contextual knowledge, in line with the general agent-oriented approach. Since a comprehensive consideration of this process would take up the scope of several separate theses, this thesis only discusses the approach. In doing so, it is explained that a mapping for large-scale calculations should nevertheless be quick to compute. In order to make a generalised contribution to this aspect, a heuristic is introduced which is fundamental for the acceleration of a class of pattern recognition algorithms.

The thesis follows a three-step approach of a conceptualisation, the creation of a realisation concept and the description of prototypes. In the conceptualisation the abstract architecture is described, the creation of a realisation concept addresses the mapping to existing (or to be constructed) kinds of technology, and finally prototypes apply the realisation concepts to concrete technologies, frameworks, etc., and also describe the implementations that have taken place within the context of the thesis.