Luận án Nghiên cứu và xây dựng mô hình đa tác tử đa mức giám sát hệ thống phức tạp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐINH THỊ HỒNG HUYÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐA TÁC TỬ ĐA MỨC GIÁM SÁT HỆ THỐNG PHỨC TẠP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, tháng 05 năm 2024 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐINH THỊ HỒNG HUYÊN NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐA TÁC TỬ ĐA MỨC GIÁM SÁT HỆ THỐNG PHỨC TẠP Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 9480101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Michel Occello 2. TS. Hoàng Thị Thanh Hà Đà Nẵng, tháng 05 năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực và không sao chép từ bất kỳ luận án hay nghiên cứu nào khác. Một số nhiệm vụ nghiên cứu là thành quả tập thể và đã được các đồng tác giả đồng ý cho sử dụng. Mọi trích dẫn đều có ghi nguồn gốc xuất xứ rõ ràng và đầy đủ. Tác giả ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể giáo viên hướng dẫn đã đồng hành cùng tôi từ khi bắt đầu nghiên cứu đến khi hoàn thành luận án. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy/ cô đã trực tiếp giảng dạy các chuyên đề nghiên cứu sinh, các thầy/ cô tham gia các hội đồng đánh giá các chuyên đề giúp tôi hoàn thiện hơn các nội dung nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Nhà trường, phòng Đào Tạo – Trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo và tập thể giảng viên khoa Công Nghệ Thông Tin – Trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo môi trường học tập tích cực và thân thiện. Tôi xin chân thành cảm ơn đến Nhà trường, Ban lãnh đạo và tập thể giảng viên khoa Công Nghệ Thông Tin – Trường đại học Quy Nhơn đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu. Xin cảm ơn các đồng tác giả đã đồng ý cho tôi sử dụng các kết quả nghiên cứu chung cho luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình và bạn bè, những người luôn dành cho tôi tình yêu thương và niềm tin để tôi được vững tâm trên hành trình nhiều thách thức này. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Ý nghĩa AAMAS International conference on autonomous agents and multi- agent systems Hội nghị quốc tế về tác tử tự trị và hệ thống đa tác tử ABM Agent-based Model Mô hình dựa vào tác tử AEIO Agent, Environment, Interaction, Organization Tác tử, môi trường, tương tác và tổ chức AGR Agent, Group, Role Tác tử, nhóm, vai trò CA Cellular Automata Automat tế bào DAI Distributed Artificial Intelligence Trí tuệ nhân tạo phân tán GEAMAS Generic Architecture for Multi- Agent Simulations Kiến trúc chung cho mô phỏng đa tác tử HOMASCOW Holonic MultiAgent System for assistance with Cooperative Work Hệ thống đa tác tử Holonic hỗ trợ công việc hợp tác ICAART International Conference on Agents and Artificial Intelligence. Hội nghị quốc tế về tác tử và trí tuệ nhân tạo. LLM Large Language Model Mô hình ngôn ngữ lớn MAS Multi-agent System Hệ thống đa tác tử MAS-GiG Multi-agent System – Group in Group Hệ thống đa tác tử - Nhóm trong nhóm (Một mô hình đa tác tử đa mức) MASH MultiAgent Software/Hardware Trình mô phỏng phần mềm phần cứng đa tác tử MAS-R Multi-Agent System Recursive Hệ thống đa tác tử đệ quy MLSC Multiscale methods and Large- scale Scientific Computing Phương pháp đa quy mô và tính toán khoa học quy mô lớn iv MMASS Multi-MAS system Hệ thống đa MAS MMM Multiscale Mechanochemistry and Mechanobiology Cơ hóa học và cơ sinh học đa cấp MMSPD Multiscale Modeling and Simulation based on Physics and Data Mô hình hóa và mô phỏng đa quy mô dựa trên vật lý và dữ liệu MPCM Multiscale Phenomena in Condensed Matter Hiện tượng đa tầng trong vật chất ngưng tụ OSI Open Systems Interconnection Reference Mode Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở PAAMS International Conference on Practical Applications of Agents and Multi-Agent Systems Hội nghị quốc tế về ứng dụng thực tế của tác tử và hệ thống đa tác tử SCALES Multiscale Modeling of Complex Systems Mô hình hóa đa quy mô của các hệ thống phức tạp v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... iii MỤC LỤC ....................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...................................................................................ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... x MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐA TÁC TỬ VÀ ỨNG DỤNG ............... 8 1.1. Hệ thống phức tạp ..................................................................................................... 8 1.1.1. Tổng quan về hệ thống phức tạp ....................................................................... 8 1.1.2. Hệ thống phức tạp đa quy mô ......................................................................... 10 1.1.3. Đám đông - Một ví dụ về hệ thống phức tạp .................................................. 12 1.2. Hệ thống đa tác tử (MAS) ...................................................................................... 13 1.2.1. Tác tử ............................................................................................................... 14 1.2.2. Các khái niệm về hệ thống đa tác tử ............................................................... 16 1.2.3. Cấu trúc AEIO ................................................................................................. 17 1.3. Nghiên cứu và ứng dụng của MAS ........................................................................ 18 1.3.1. Các lĩnh vực nghiên cứu của MAS ................................................................. 18 1.3.2. Mô hình đa tác tử mô hình hóa hệ thống phức tạp ......................................... 19 1.3.2.1. Mô hình Tác tử - Nhóm – Vai trò (AGR) ................................................ 19 1.3.2.2. Mô hình Swarm ....................................................................................... 20 1.3.2.3. Mô hình MMASS .................................................................................... 20 1.3.2.4. Mô hình GEAMAS .................................................................................. 21 1.3.2.5. Mô hình HOMASCOW ........................................................................... 22 1.3.2.6. Mô hình MAS-R ...................................................................................... 23 1.3.2.7. Mô hình nhóm đa tác tử ........................................................................... 24 vi 1.3.3. Mô hình đa tác tử mô hình hóa đám đông ...................................................... 26 1.3.3.1. Mô hình hóa hành vi đám đông ............................................................... 26 1.3.2.2. Các mô hình đám đông ............................................................................ 28 1.4. Kết chương ............................................................................................................. 32 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐA TÁC TỬ ĐA MỨC ...................................... 33 2.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 33 2.2. Phân tích đặc trưng của MAS đa mức .................................................................... 34 2.2.1. Kiến trúc tác tử ................................................................................................ 34 2.2.2. Đa mức động ................................................................................................... 34 2.2.3. Loại tương tác ................................................................................................. 34 2.2.4. Bản chất kiểm soát .......................................................................................... 35 2.2.5. Cấu trúc của MAS ........................................................................................... 35 2.3. Mô hình đa tác tử đa mức MAS-GiG ..................................................................... 36 2.3.1. Mô hình MAS-GiG theo cấu trúc AEIO ......................................................... 37 2.3.2. Cấu trúc đa mức của mô hình MAS-GiG........................................................ 41 2.4. Mô hình MAS-GiG mô hình hóa đám đông ........................................................... 45 2.4.1. Mô tả các thành phần theo cấu trúc AEIO ...................................................... 45 2.4.1.1. Tác tử ....................................................................................................... 45 2.4.1.2. Môi trường ............................................................................................... 47 2.4.1.3. Tương tác ................................................................................................. 48 2.4.1.4. Tổ chức .................................................................................................... 49 2.4.2. Thuộc tính cấu trúc AEIO đa mức .................................................................. 49 2.5. Kết chương ............................................................................................................. 50 Chương 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MAS-GiG GIÁM SÁT VÀ LẬP KẾ HOẠCH SƠ TÁN ĐÁM ĐÔNG KHI CÓ CHÁY ............................................................................. 52 3.1. Giám sát di chuyển ................................................................................................. 52 3.1.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 52 3.1.2. Lập kế hoạch sơ tán ......................................................................................... 53 vii 3.1.3. Các luật di chuyển ........................................................................................... 55 3.1.4. Lan truyền thông tin cháy ............................................................................... 56 3.2. Lập kế hoạch sơ tán hành khách khi có cháy ......................................................... 57 3.2.1. Mô tả bài toán .................................................................................................. 57 3.2.2. Mô tả bài toán ứng dụng dưới dạng bài toán tối ưu ........................................ 59 3.2.3. Ứng dụng mô hình MAS-GiG để giám sát và lập kế hoạch sơ tán ................. 61 3.2.3.1. Đề xuất phương pháp giải quyết bài toán ứng dụng ................................ 62 3.2.3.2. Áp dụng mô hình MAS-GiG cho bài toán ứng dụng............................... 64 3.2.3.3. Bốn bài toán hỗ trợ trong giám sát và lập kế hoạch sơ tán ...................... 65 3.3. Minh họa lập kế hoạch sơ tán hành khách tại sảnh khởi hành bay ........................ 73 3.3.1. Minh họa tiến trình thực hiện kế hoạch sơ tán ................................................ 74 3.3.2. Minh họa các bước lập kế hoạch sơ tán .......................................................... 75 3.4. Kết chương ............................................................................................................. 77 Chương 4. THIẾT KẾ, XÂY DỰNG VÀ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH MAS-GiG TRÊN NỀN TẢNG MASH ........................................................................................... 78 4.1. Nền tảng mô phỏng MASH .................................................................................... 78 4.1.1. Tổng quan về nền tảng mô phỏng MASH ...................................................... 78 4.1.2. Cấu trúc dữ liệu của tác tử trong MASH ........................................................ 80 4.1.3. Tương tác trong MASH .................................................................................. 81 4.2. Xây dựng framework cho ứng dụng ....................................................................... 81 4.2.1. Thiết kế framework cho ứng dụng .................................................................. 81 4.2.2. Thiết kế chi tiết ................................................................................................ 84 4.2.2.1. Thiết kế các đối tượng thuộc môi trường ................................................ 84 4.2.2.2. Thiết kế tác tử .......................................................................................... 86 4.3. Thực nghiệm ứng dụng ........................................................................................... 90 4.3.1. Xây dựng dữ liệu cho thực nghiệm ................................................................. 91 4.3.1.1. Dữ liệu hành khách .................................................................................. 91 4.3.1.2. Các thông số môi trường.......................................................................... 93 4.3.2. Thực nghiệm phương pháp đề xuất ................................................................. 94 viii 4.3.2.1. Thực nghiệm trong phạm vi một phòng chờ ........................................... 94 4.3.2.2. Thực nghiệm trong phạm vi hai phòng chờ ............................................. 97 4.3.2.3. Thực nghiệm trong phạm vi sảnh khởi hành ......................................... 101 4.4. Đánh giá mô hình và phương pháp đề xuất .......................................................... 103 4.4.1. Đánh giá về khía cạnh lý thuyết .................................................................... 103 4.4.2. Đánh giá về kỹ thuật lập mô hình ................................................................ 105 4.4.2.1. Phương pháp sơ tán tự động .................................................................. 106 4.4.2.2. Phương pháp sơ tán dựa vào lưới các tuyến đường ............................... 107 4.4.2.3. Phương pháp sơ tán kết hợp .................................................................. 108 4.4.3. Đánh giá bằng thực nghiệm .......................................................................... 109 4.4.3.1. Phạm vi một phòng chờ ......................................................................... 109 4.4.3.2. Phạm vi bốn phòng chờ (sảnh khởi hành) ............................................. 110 4.5. Kết chương ........................................................................................................... 111 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ ........................ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 118 ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các mô hình đa tác tử đa mức ....................................................................... 25 Bảng 4.1. Dữ liệu phân bố hành khách vào phòng chờ bay .......................................... 93 Bảng 4.2. Tổng thời gian sơ tán tại phòng chờ số 5 ...................................................... 97 Bảng 4.3. Tổng thời gian sơ tán tại phòng chờ số 5 và số 6........................................ 101 Bảng 4.4. Tổng thời gian sơ tán tại sảnh khởi hành .................................................... 103 Bảng 4.5. Tổng thời gian sơ tán ba kịch bản cho ba phương pháp trong phạm vi một phòng chờ .................................................................................................................... 109 Bảng 4.6. Tổng thời gian sơ tán ba kịch bản cho ba phương pháp trong phạm vi sảnh khởi hành ..................................................................................................................... 111 x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu trúc mô hình MMASS của Fernandes .................................................... 21 Hình 1.2. Xã hội của những tác tử được mô tả bởi Drogoul 2008 [61] ........................ 31 Hình 2.1. Kiến trúc của một tác tử ................................................................................ 38 Hình 2.2. Giao thức tương tác trong MASH ................................................................. 40 Hình 2.3. Kiến trúc tổng quát của mô hình MAS-GiG ................................................. 42 Hình 2.4. Minh họa cấu trúc đa mức của mô hình MAS-GiG ...................................... 44 Hình 3.1. Mô tả sự lan truyền thông tin cháy ................................................................ 57 Hình 3.2. Phương pháp giải quyết bài toán ứng dụng ................................................... 63 Hình 3.3. Các mức của hai mô hình MAS-GiG cho ứng dụng ..................................... 64 Hình 3.4. Sơ đồ lớp của Road và RoadSegment ........................................................... 66 Hình 3.5. Sơ đồ lớp RoadGraph .................................................................................... 66 Hình 3.6. Minh họa đồ thị G= được tạo từ không gian phòng chờ ................... 67 Hình 3.7. Minh họa cách phân chia không gian mô phỏng ........................................... 71 Hình 3.8. Một phần của sơ đồ trình tự thực hiện kế hoạch sơ tán ................................. 74 Hình 3.9. Minh họa thực hiện kế hoạch sơ tán tại phòng chờ số 5 ............................... 77 Hình 4.1. Kiến trúc của nền tảng mô phỏng MASH ..................................................... 79 Hình 4.2. Lớp tác tử chung trong MASH ...................................................................... 80 Hình 4.3. Tạo và gửi thông điệp trong MASH .............................................................. 81 Hình 4.4. Ba giai đoạn mô phỏng kịch bản ................................................................... 82 Hình 4.5. Framework cho ứng dụng .............................................................................. 83 Hình 4.6. Sơ đồ lớp các đối tượng môi trường .............................................................. 85 Hình 4.7. Sơ đồ lớp của mô-đun AirportMap ............................................................... 85 Hình 4.8. Sơ đồ lớp các tác tử trong hệ thống ............................................................... 87 Hình 4.9. Sơ đồ lớp AgentManager ............................................................................... 89 xi Hình 4.10. Sơ đồ lớp CenterModel ............................................................................... 90 Hình 4.11. Bản đồ sảnh khởi hành, tầng 1, sân bay quốc tế Đà Nẵng .......................... 91 Hình 4.12. Phân bố hành khách vào phòng chờ bay (Nguồn IATA 1989) ................... 92 Hình 4.13. Bản đồ 2D cho phòng chờ số 5 ................................................................... 94 Hình 4.14. Giao diện mô phỏng cho ba kịch bản tại ba vị trí cháy F1, F2, F3 ............. 96 Hình 4.15. Bản đồ 2D cho 2 phòng chờ 5 và 6 ............................................................. 98 Hình 4.16. Giao diện mô phỏng cho kịch bản 1 ............................................................ 99 Hình 4.17. Giao diện mô phỏng cho kịch bản 2 .......................................................... 100 Hình 4.18. Giao diện mô phỏng cho kịch bản 3 ..........................................