Les Systèmes Multi-Agents, vers une intelligence collective - Lirmm

513 Pages·2007·7.31 MB·French

ii
Les Syst`emes Multi Agents: vers une intelligence
collective
Jacques Ferber
1995
ii
Contents
Pr´eface xiii
Avant-propos 1
1 Principes des syst`emes multi-agents 5
1.1 Pour une intelligence collective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 De la machine pensante... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 ... `a l’organisation artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Agent et soci´et´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.1 Quelques d´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2 Niveaux d’organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.3 Social ou biologique? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.4 Architecture et comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.5 Langages, communications et repr´esentations . . . . . . . . . . 25
1.3 Un peu d’histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.1 Les premiers ˆages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.2 L’ˆage classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.3 L’influence de la vie artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3.4 Les temps modernes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4 Domaines d’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.1 La r´esolution de probl`emes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.2 La simulation multi-agent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4.3 La construction de mondes synth´etiques . . . . . . . . . . . . 43
1.4.4 La robotique distribu´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.4.5 La conception k´en´etique de programmes . . . . . . . . . . . . 52
1.5 Les grands th`emes de la k´en´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.5.1 La probl´ematique de l’action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.5.2 L’individu et sa relation au monde . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.5.3 L’interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.5.4 L’adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.5.5 La r´ealisation et l’impl´ementation des SMA . . . . . . . . . . 56
1.6 Domaines voisins des syst`emes multi-agents . . . . . . . . . . . . . . 56
1.6.1 L’intelligence artificielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.6.2 La syst´emique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.6.3 Les syst`emes distribu´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
v
vi CONTENTS
1.6.4 La robotique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
1.6.5 Ce qui ne rel`eve pas de la k´en´etique . . . . . . . . . . . . . . . 60
2 Interactions et coop´eration 63
2.1 Situations d’interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.2 Composantes des interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2.1 Buts compatibles et incompatibles . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2.2 Relations aux ressources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2.3 Capacit´es des agents par rapport aux tˆaches . . . . . . . . . . 68
2.3 Types d’interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.3.1 Ind´ependance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.2 Collaboration simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.3 Encombrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.4 Collaboration coordonn´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.3.5 Comp´etition individuelle pure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.6 Comp´etition collective pure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.7 Conflit individuel pour des ressources . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.8 Conflits collectifs pour des ressources . . . . . . . . . . . . . . 71
2.3.9 Niveau d’analyse des situations d’interaction . . . . . . . . . . 72
2.4 Formes de coop´eration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.4.1 La coop´eration comme attitude intentionnelle . . . . . . . . . 74
2.4.2 La coop´eration du point de vue de l’observateur . . . . . . . . 75
2.4.3 L’am´elioration de la survie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.4.4 L’accroissement des performances . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.4.5 La r´esolution de conflit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.5 Les m´ethodes de coop´eration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.5.1 Le regroupement et la multiplication . . . . . . . . . . . . . . 82
2.5.2 La communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.5.3 La sp´ecialisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.5.4 La collaboration par partage de tˆaches et de ressources . . . . 84
2.5.5 La coordination d’actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.5.6 La r´esolution de conflit par arbitrage et n´egociation . . . . . . 85
2.6 Organisations et coop´eration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.6.1 Le syst`eme des activit´es de coop´eration . . . . . . . . . . . . . 86
2.6.2 Avantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.6.3 Contraintes sociales et ´emergences de structures . . . . . . . . 89
3 Organisations multi-agents 91
3.1 Qu’est-ce qu’une organisation? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.1.1 Structures organisationnelles et organisations concr`etes . . . . 92
3.1.2 Les niveaux d’organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1.3 Comment ´etudier une organisation? . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2 L’analyse fonctionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.1 Les fonctions d’une organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.2 Les dimensions d’analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
CONTENTS vii
3.2.3 Analyse dimensionnelle d’une organisation . . . . . . . . . . . 100
3.2.4 Grille d’analyse fonctionnelle des organisations . . . . . . . . . 106
3.3 L’analyse structurale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3.1 Agents et tˆaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3.2 Relations abstraites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3.3 Les modes de couplage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.3.4 Structures de subordination et prises de d´ecision . . . . . . . . 117
3.3.5 Types de constitution des structures organisationnelles . . . . 118
3.4 Les param`etres de concr´etisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.5 Analyse d’une organisation concr`ete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.5.1 L’exemple des robots explorateurs . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.5.2 Organisations `a structure fixe-hi´erarchique-pr´ed´efinie . . . . . 125
3.5.3 Organisations `a structure variable-´egalitaire-´emergente . . . . 126
3.5.4 Organisations `a structure variable-´egalitaire-pr´ed´efinie . . . . 127
3.5.5 Organisations `a structure ´evolutive . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.5.6 Autres travaux sur les organisations . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.6 Organisations individuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.6.1 Tableau des principales architectures . . . . . . . . . . . . . . 130
3.6.2 Architecture modulaire horizontale . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.6.3 Les architectures `a base de tableaux noirs . . . . . . . . . . . 132
3.6.4 L’architecture de subsomption . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.6.5 Les tˆaches comp´etitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.6.6 Les syst`emes de production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.6.7 Les syst`emes `a base de classifieurs . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.6.8 Les architectures connexionistes . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
3.6.9 Les architectures `a base de syst`eme dynamique . . . . . . . . 142
3.6.10 Architectures multi-agents et acteurs . . . . . . . . . . . . . . 144
4 Action et comportement 147
4.1 La mod´elisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1.1 Des mod`eles... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1.2 ... et de leur utilit´e pour les SMA . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.1.3 Que mod´eliser? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.1.4 Agents et actions: des notions faussement ´el´ementaires . . . . 149
4.1.5 Mod´eliser l’action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2 L’action comme transformation d’un ´etat global . . . . . . . . . . . . 152
4.2.1 Une repr´esentation fonctionnelle de l’action . . . . . . . . . . 152
4.2.2 Les op´erateurs de type STRIPS . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.2.3 Planifier avec des op´erateurs de type STRIPS . . . . . . . . . 155
4.2.4 Quelques cat´egories de plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.2.5 Limites des planificateurs de type STRIPS . . . . . . . . . . . 160
4.2.6 Limites des repr´esentations classiques de l’action . . . . . . . . 161
4.3 L’action comme r´eponse `a des influences . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3.1 Pr´esentation g´en´erale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3.2 Les ´etats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
viii CONTENTS
4.3.3 Actions et r´eactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.3.4 Int´erˆet du mod`ele influences/r´eactions pour les SMA . . . . . 168
4.4 L’action comme processus informatique . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.4.1 Repr´esentation de processus par automates `a ´etats finis . . . . 171
4.4.2 Automates `a registres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.4.3 Repr´esentation de processus par r´eseaux de Petri . . . . . . . 176
4.4.4 Autres mod`eles ´ev´enementiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.5 L’action comme d´eplacement physique . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.5.1 D´eplacements dans un champ de potentiel . . . . . . . . . . . 184
4.5.2 Int´erˆet de cette conception de l’action . . . . . . . . . . . . . . 186
4.6 L’action comme modification locale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
4.6.1 Les automates cellulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
4.6.2 Repr´esentation d’un automate cellulaire . . . . . . . . . . . . 189
4.6.3 Automates cellulaires et syst`emes multi-agents . . . . . . . . . 190
4.7 L’action comme commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.8 Agents tropiques et hyst´er´etiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
4.9 Agents tropiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.9.1 Approche formelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.9.2 Un syst`eme multi-agent tropique . . . . . . . . . . . . . . . . 194
4.9.3 Agents tropiques et actions situ´ees . . . . . . . . . . . . . . . 195
4.9.4 Souplesse des actions situ´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
4.9.5 Les buts sont dans l’environnement . . . . . . . . . . . . . . . 202
4.10 Agents hyst´er´etiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
4.10.1 Approche formelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
4.10.2 Un syst`eme multi-agent hyst´er´etique . . . . . . . . . . . . . . 207
4.10.3 Mod´elisation d’agents hyst´er´etiques par automates . . . . . . 207
4.11 Mod´elisation de SMA en BRIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
4.11.1 D´ecrire des SMA `a l’aide de composants . . . . . . . . . . . . 209
4.11.2 Mod´elisation de SMA purement communicants . . . . . . . . . 211
4.11.3 Mod´elisation des environnements . . . . . . . . . . . . . . . . 212
4.11.4 Mod´elisation d’un SMA situ´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
4.11.5 Mod´elisation d’un SMA complet . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4.11.6 Un exemple: les agents transporteurs . . . . . . . . . . . . . . 221
5 L’agent dans tous ses ´etats 225
5.1 Etats mentaux et intentionnalit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
5.1.2 La notion de cogniton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
5.1.3 Une nomenclature des cognitons . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
5.2 Le syst`eme interactionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
5.3 Le syst`eme repr´esentationnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.3.1 Qu’est-ce que la connaissance? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
5.3.2 Repr´esenter les connaissances et les croyances . . . . . . . . . 240
5.3.3 Logiques des savoirs et des croyances . . . . . . . . . . . . . . 246
5.3.4 Ad´equation et r´evision des croyances . . . . . . . . . . . . . . 255
CONTENTS ix
5.4 Que croire? Les contenus des repr´esentations . . . . . . . . . . . . . . 263
5.4.1 Croyances environnementales (χ) . . . . . . . . . . . . . . . . 264
5.4.2 Croyances sociales (σ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
5.4.3 Croyances relationnelles (α) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
5.4.4 Croyances personnelles (ω) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
5.5 Le syst`eme conatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
5.5.1 Rationalit´e et survie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
5.5.2 Un mod`ele du syst`eme conatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
5.6 Les motivations: les sources de l’action . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
5.6.1 Les motivations personnelles: plaisir et contraintes . . . . . . . 274
5.6.2 Les motivations environnementales: le d´esir de l’objet . . . . . 275
5.6.3 Les motivation sociales: le poids de la soci´et´e . . . . . . . . . . 276
5.6.4 Les motivations relationnelles: la raison c’est les autres . . . . 278
5.6.5 Les engagements: des motivations et contraintes relationnelles
et sociales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
5.7 Le passage `a l’acte r´eactif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
5.7.1 Actes consommatoires et comportements app´etitifs . . . . . . 285
5.7.2 Modes de s´election et de contrˆole des actions . . . . . . . . . . 286
5.7.3 S´election d’action ou combinaison dynamique . . . . . . . . . 294
5.8 Passages `a l’acte intentionnels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.8.1 Th´eories logiques de l’intention . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.8.2 La th´eorie de l’action rationnelle de Cohen et Levesque . . . . 301
6 Communications 309
6.1 Aspects de la communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
6.1.1 Signes, indices et signaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
6.1.2 D´efinition et mod`eles de communication . . . . . . . . . . . . 310
6.1.3 Cat´egories de communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.1.4 A quoi sert la communication? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
6.2 Les actes de langage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.2.1 Dire, c’est faire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.2.2 Actes locutoires, illocutoires et perlocutoires . . . . . . . . . . 322
6.2.3 Succ`es et satisfaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
6.2.4 Composantes des actes illocutoires . . . . . . . . . . . . . . . 325
6.3 Les conversations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
6.3.1 Conversations et automates `a ´etats finis . . . . . . . . . . . . 328
6.3.2 Conversations et r´eseaux de Petri . . . . . . . . . . . . . . . . 329
6.3.3 Une classification des actes de langage pour des structures
conversationnelles multi-agents . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
6.4 KQML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
7 Collaboration et r´epartition des tˆaches 343
7.1 Modes d’allocation des tˆaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
7.1.1 Crit`eres de d´ecomposition des tˆaches . . . . . . . . . . . . . . 344
7.1.2 Rˆoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
x CONTENTS
7.1.3 Formes d’allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
7.2 Allocation centralis´ee des tˆaches par m´ediateur . . . . . . . . . . . . . 346
7.3 Allocation distribu´ee des tˆaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
7.3.1 Allocation par r´eseau d’accointances . . . . . . . . . . . . . . 350
7.3.2 Allocation par appel d’offre: le r´eseau contractuel . . . . . . . 361
7.3.3 Variantes et allocations hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
7.3.4 Contrats et engagements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
7.4 Int´egrer les tˆaches et les ´etats mentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
7.4.1 Le syst`eme SAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
7.4.2 La hi´erarchie des architectures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
7.4.3 Les r´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
7.4.4 L’impl´ementation des architectures . . . . . . . . . . . . . . . 383
7.4.5 Le niveau 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
7.4.6 Le niveau 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
7.4.7 Le niveau 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
7.5 Allocation ´emergente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
7.6 Un exemple: le syst`eme Manta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
7.6.1 Description g´en´erale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
7.6.2 L’architecture du syst`eme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
7.6.3 Les exp´erimentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
7.6.4 Des fourmis aux robots fourmis . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
8 Coordination d’actions 399
8.1 Qu’est-ce que la coordination d’actions? . . . . . . . . . . . . . . . . 399
8.1.1 D´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
8.1.2 La coordination comme r´esolution de probl`eme . . . . . . . . 402
8.1.3 Caract´eristiques des syst`emes de coordination . . . . . . . . . 405
8.1.4 Formes de coordination d’action . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
8.2 Synchronisation d’actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
8.2.1 Synchronisation de mouvements . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
8.2.2 Synchronisation d’acc`es `a une ressource . . . . . . . . . . . . . 411
8.3 Coordination d’actions par planification . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
8.3.1 Planification multi-agent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
8.3.2 Planification centralis´ee pour agents multiples . . . . . . . . . 419
8.3.3 Coordination centralis´ee pour plans partiels . . . . . . . . . . 421
8.3.4 Coordination distribu´ee pour plans partiels . . . . . . . . . . . 427
8.4 Coordination r´eactive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
8.4.1 Coordination par actions situ´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
8.4.2 Du comportement de meute aux syst`emes anti-collisions . . . 433
8.4.3 Marquage de l’environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
8.4.4 Actions de coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
8.5 R´esolution par coordination : l’´eco-r´esolution . . . . . . . . . . . . . . 446
8.5.1 Principes de l’´eco-r´esolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
8.5.2 Les ´eco-agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
8.5.3 Exemples simples d’´eco-probl`emes . . . . . . . . . . . . . . . . 450