Luận án tiến sĩ: Phân bổ tài nguyên tích hợp trong môi trường stochastic đa tác nhân

Luận án tiến sĩ về phân bổ tài nguyên và lập kế hoạch trong môi trường đa tác nhân ngẫu nhiên. Nghiên cứu thuật toán tối ưu hóa và quy trình quyết định Markov.

Trường ĐH

The University of Michigan

Chuyên ngành

Computer Science and Engineering

Tác giả

Luan An

Thể loại

luận án

Năm xuất bản

Số trang

250

Thời gian đọc

38 phút

Lượt xem

1

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tóm tắt nội dung

I. Phân Bổ Tài Nguyên Trong Hệ Thống Đa Tác Nhân

Phân bổ tài nguyên trong môi trường đa tác nhân là thách thức quan trọng trong khoa học máy tính hiện đại. Hệ thống đa tác nhân yêu cầu cơ chế phân phối tài nguyên hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất tổng thể. Quá trình phân bổ động phải xem xét nhiều yếu tố: tính không chắc chắn, ràng buộc về nguồn lực, và mục tiêu khác nhau của các tác nhân.

Việc quản lý ràng buộc trở nên phức tạp khi số lượng tác nhân tăng lên. Mỗi tác nhân có nhu cầu riêng và khả năng sử dụng tài nguyên khác nhau. Điều phối tác nhân đòi hỏi giao thức đàm phán rõ ràng và cơ chế đấu giá công bằng.

Tối ưu hóa tài nguyên không chỉ là vấn đề kỹ thuật mà còn là thách thức về mặt chiến lược. Lập kế hoạch phân tán giúp các tác nhân đưa ra quyết định tốt hơn trong môi trường ngẫu nhiên. Lập lịch tác vụ phải cân nhắc cả hiệu quả ngắn hạn và lợi ích dài hạn.

1.1. Mô Hình Tác Nhân Đơn Với Ràng Buộc

Mô hình tác nhân đơn sử dụng Markov Decision Process (MDP) làm nền tảng. MDP với ràng buộc tài nguyên mở rộng mô hình cổ điển bằng cách thêm giới hạn về chi phí và công suất. Tác nhân phải tối ưu hóa phần thưởng trong khi tuân thủ các ràng buộc về tài nguyên không tiêu hao được. Quá trình này đòi hỏi cân bằng giữa việc tối đa hóa lợi ích và giảm thiểu sử dụng tài nguyên. Mô hình này tạo nền tảng cho các hệ thống phức tạp hơn.

1.2. Đặc Tính Của MDP Có Ràng Buộc

MDP có ràng buộc thể hiện các đặc tính toán học đặc biệt. Chính sách tối ưu không nhất thiết phải là chính sách xác định bất biến. Tài nguyên nhị phân đơn giản hóa bài toán nhưng vẫn giữ độ phức tạp tính toán. Việc xác định chính sách tối ưu yêu cầu xem xét không gian trạng thái mở rộng. Các thuật toán phải xử lý cả mục tiêu tối ưu hóa và ràng buộc cứng.

1.3. Chi Phí Tài Nguyên Nhị Phân

Tài nguyên nhị phân đại diện cho trường hợp đặc biệt quan trọng trong phân bổ tài nguyên. Mỗi hành động hoặc sử dụng tài nguyên hoặc không sử dụng. Mô hình này áp dụng cho nhiều tình huống thực tế như phân bổ máy chủ, quản lý băng thông mạng. Độ phức tạp tính toán giảm đáng kể so với mô hình chi phí liên tục. Giải pháp cho bài toán nhị phân cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc bài toán tổng quát hơn.

II. Phân Phối Tài Nguyên Trong Môi Trường Đa Tác Nhân

Phân phối tài nguyên đa tác nhân mở rộng bài toán đơn tác nhân sang môi trường phức tạp hơn. Nhiều tác nhân cạnh tranh cho tài nguyên hạn chế đòi hỏi cơ chế phân bổ công bằng và hiệu quả. Giao thức đàm phán cho phép các tác nhân thương lượng về phân chia tài nguyên.

Cơ chế đấu giá là công cụ mạnh mẽ cho phân bổ tài nguyên trong hệ thống đa tác nhân. Đấu giá kết hợp (combinatorial auction) xử lý tình huống các tác nhân cần nhiều tài nguyên bổ sung cho nhau. Bài toán xác định người chiến thắng là NP-khó, đòi hỏi thuật toán xấp xỉ hiệu quả.

Lập kế hoạch phân tán giúp tránh tắc nghẽn và xung đột tài nguyên. Mỗi tác nhân lập kế hoạch độc lập nhưng phải điều phối với các tác nhân khác. Quản lý ràng buộc toàn cục đảm bảo tính khả thi của giải pháp tổng thể. Tối ưu hóa tài nguyên tập trung vào việc tối đa hóa phúc lợi xã hội hoặc hiệu quả cá nhân.

2.1. Tránh Liệt Kê Gói Tài Nguyên

Liệt kê tất cả các gói tài nguyên có thể là không khả thi về mặt tính toán. Số lượng gói tăng theo cấp số nhân với số tài nguyên. Các phương pháp thông minh sử dụng cấu trúc của bài toán để tránh liệt kê đầy đủ. Kỹ thuật tạo giá thầu (bid generation) tạo ra chỉ các gói hứa hẹn. Điều này giảm đáng kể không gian tìm kiếm và thời gian tính toán.

2.2. Phân Tán Bài Toán Xác Định Người Chiến Thắng

Bài toán xác định người chiến thắng trong đấu giá kết hợp là thách thức tính toán lớn. Phương pháp phân tán chia bài toán thành các bài toán con nhỏ hơn. Mỗi tác nhân giải quyết bài toán con của mình độc lập. Các giải pháp cục bộ sau đó được kết hợp để tạo giải pháp toàn cục. Phương pháp này cải thiện khả năng mở rộng và giảm độ phức tạp tính toán.

2.3. Bảo Vệ Quyền Riêng Tư Thông Tin

Quyền riêng tư thông tin là mối quan tâm quan trọng trong hệ thống đa tác nhân. Các tác nhân không muốn tiết lộ hoàn toàn sở thích và chiến lược của mình. Giao thức đàm phán phải cân bằng giữa hiệu quả và quyền riêng tư. Cơ chế đấu giá có thể được thiết kế để giảm thiểu việc tiết lộ thông tin. Phương pháp mã hóa và tính toán an toàn bảo vệ dữ liệu nhạy cảm.

III. MDP Có Ràng Buộc Với Nhiều Hệ Số Chiết Khấu

MDP với nhiều hệ số chiết khấu mở rộng mô hình cổ điển để xử lý nhiều mục tiêu với ưu tiên thời gian khác nhau. Mỗi mục tiêu có hệ số chiết khấu riêng phản ánh tầm quan trọng tương đối của phần thưởng tương lai. Mô hình này cho phép biểu diễn chính xác hơn các tình huống thực tế phức tạp.

Chính sách xác định bất biến (stationary deterministic policy) đóng vai trò quan trọng trong việc giải MDP có ràng buộc. Trong nhiều trường hợp, chính sách tối ưu có thể được tìm thấy trong lớp chính sách này. Tuy nhiên, với nhiều hệ số chiết khấu, tính chất này không còn đảm bảo.

Việc biện minh cho chi phí và nhiều hệ số chiết khấu xuất phát từ nhu cầu thực tế. Các tổ chức thường có nhiều mục tiêu với khung thời gian khác nhau. Tối ưu hóa tài nguyên phải cân nhắc cả lợi ích ngắn hạn và dài hạn. Lập lịch tác vụ trở nên phức tạp hơn nhưng cũng chính xác hơn với mô hình này.

3.1. Biện Minh Cho Chi Phí Và Chiết Khấu

Chi phí tài nguyên phản ánh giá trị thực của việc sử dụng tài nguyên khan hiếm. Nhiều hệ số chiết khấu cho phép mô hình hóa sở thích thời gian khác nhau. Ví dụ, chi phí vận hành có thể có chiết khấu cao hơn chi phí đầu tư. Mô hình này phù hợp với lý thuyết kinh tế và tài chính. Nó cung cấp sự linh hoạt cần thiết cho các ứng dụng thực tế.

3.2. Chính Sách Xác Định Cho MDP Có Ràng Buộc

Chính sách xác định bất biến đơn giản hóa việc tính toán và triển khai. Với ràng buộc đơn giản, chính sách tối ưu thường nằm trong lớp này. Việc chứng minh sự tồn tại của chính sách tối ưu xác định đòi hỏi phân tích toán học kỹ lưỡng. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng cho thiết kế thuật toán. Nó cho phép tìm kiếm trong không gian chính sách nhỏ hơn.

3.3. Tổng Quát Hóa Và Thảo Luận

Việc tổng quát hóa kết quả từ MDP đơn giản sang mô hình phức tạp hơn đòi hỏi cẩn thận. Không phải tất cả tính chất đều được bảo toàn khi thêm nhiều hệ số chiết khấu. Phân tích độ phức tạp tính toán cho thấy sự gia tăng đáng kể. Tuy nhiên, các phương pháp xấp xỉ vẫn có thể cho kết quả tốt. Cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả tính toán là chìa khóa.

IV. Lập Kế Hoạch Với Ràng Buộc Tài Nguyên Tiêu Hao

Tài nguyên tiêu hao (consumable resources) khác biệt cơ bản so với tài nguyên không tiêu hao. Mỗi lần sử dụng làm giảm lượng tài nguyên có sẵn vĩnh viễn. Lập kế hoạch phải xem xét ngân sách tài nguyên hữu hạn trong suốt chu kỳ hoạt động.

Ràng buộc về chi phí tài nguyên kỳ vọng đơn giản hóa bài toán so với ràng buộc xác suất. Tuy nhiên, chúng không đảm bảo rằng chi phí thực tế sẽ không vượt quá giới hạn. Ràng buộc xác suất cung cấp đảm bảo mạnh hơn nhưng phức tạp hơn về mặt tính toán.

Phương pháp xấp xỉ tuyến tính cung cấp giải pháp hiệu quả cho ràng buộc xác suất. Xấp xỉ đa thức cải thiện độ chính xác với chi phí tính toán cao hơn. Quản lý ràng buộc đòi hỏi tính toán xác suất vượt quá giới hạn chi phí. Việc tính toán các moment của phân phối chi phí là bước quan trọng trong quá trình này.

4.1. Công Thức Bài Toán Đơn Tác Nhân

Bài toán đơn tác nhân với tài nguyên tiêu hao được mô hình hóa như MDP mở rộng. Trạng thái bao gồm cả trạng thái môi trường và lượng tài nguyên còn lại. Hành động tiêu thụ tài nguyên với chi phí ngẫu nhiên. Mục tiêu là tối đa hóa phần thưởng trong khi đảm bảo tài nguyên đủ dùng. Ràng buộc có thể là cứng (hard) hoặc mềm (soft) tùy ứng dụng.

4.2. Độ Phức Tạp Và Tính Chất Bài Toán

Độ phức tạp của bài toán phụ thuộc vào loại ràng buộc được sử dụng. Ràng buộc kỳ vọng có độ phức tạp tương đương với MDP cổ điển. Ràng buộc xác suất tăng độ phức tạp đáng kể do cần tính toán phân phối. Không gian trạng thái mở rộng làm tăng yêu cầu bộ nhớ. Các tính chất cấu trúc của bài toán có thể được khai thác để tối ưu hóa.

4.3. Giải Pháp Với Ràng Buộc Chi Phí Kỳ Vọng

Ràng buộc chi phí kỳ vọng có thể được xử lý bằng lập trình động cải tiến. Giá trị Lagrange được sử dụng để kết hợp ràng buộc vào hàm mục tiêu. Thuật toán lặp điều chỉnh các nhân tử Lagrange để đáp ứng ràng buộc. Phương pháp này đảm bảo hội tụ đến chính sách tối ưu. Chi phí tính toán tăng tuyến tính với số lượng ràng buộc.

V. Ràng Buộc Xác Suất Trong Lập Kế Hoạch

Ràng buộc xác suất đảm bảo rằng chi phí tài nguyên không vượt quá giới hạn với xác suất cao. Điều này quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy cao. Tính toán xác suất vượt quá giới hạn chi phí là thách thức kỹ thuật chính.

Phương pháp xấp xỉ tuyến tính sử dụng bất đẳng thức Markov hoặc Chebyshev. Các bất đẳng thức này cung cấp giới hạn trên cho xác suất vượt quá. Xấp xỉ đa thức sử dụng thông tin về các moment bậc cao hơn của phân phối chi phí. Độ chính xác tăng lên với số lượng moment được sử dụng.

Việc tính toán các moment của phân phối chi phí đòi hỏi phân tích cẩn thận. Moment bậc nhất là chi phí kỳ vọng, dễ tính toán. Moment bậc cao hơn phức tạp hơn nhưng cung cấp thông tin chi tiết hơn. Hạn chế chính sách xác định bất biến đơn giản hóa tính toán moment đáng kể.

5.1. Xấp Xỉ Tuyến Tính Cho Ràng Buộc Xác Suất

Xấp xỉ tuyến tính dựa trên các bất đẳng thức xác suất cổ điển. Bất đẳng thức Markov chỉ yêu cầu moment bậc nhất nhưng cho giới hạn lỏng. Bất đẳng thức Chebyshev sử dụng moment bậc hai và cho giới hạn chặt hơn. Phương pháp này hiệu quả về mặt tính toán và dễ triển khai. Tuy nhiên, độ chính xác có thể không đủ cho một số ứng dụng.

5.2. Xấp Xỉ Đa Thức Chính Xác Hơn

Xấp xỉ đa thức sử dụng nhiều moment để cải thiện độ chính xác. Phương pháp này dựa trên khai triển Edgeworth hoặc Cornish-Fisher. Độ chính xác tăng với số moment nhưng chi phí tính toán cũng tăng. Cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả là quan trọng. Phương pháp này phù hợp khi yêu cầu độ tin cậy cao.

5.3. Tính Toán Xác Suất Vượt Quá Giới Hạn

Tính toán xác suất vượt quá giới hạn chi phí là bước quan trọng nhất. Với chính sách cho trước, chi phí tích lũy là biến ngẫu nhiên. Phân phối của biến này phụ thuộc vào cấu trúc MDP và chính sách. Phương pháp Monte Carlo có thể được sử dụng nhưng tốn kém. Các phương pháp phân tích dựa trên moment hiệu quả hơn.

VI. MDP Đồ Thị Đa Tác Nhân Với Phụ Thuộc Cục Bộ

MDP đồ thị đa tác nhân mô hình hóa các hệ thống với phụ thuộc cục bộ và bất đối xứng giữa các tác nhân. Mỗi tác nhân chỉ tương tác trực tiếp với một tập hợp con các tác nhân khác. Cấu trúc đồ thị phản ánh các mối quan hệ phụ thuộc này.

Điều phối tác nhân được đơn giản hóa nhờ tính cục bộ của phụ thuộc. Mỗi tác nhân chỉ cần điều phối với các láng giềng trong đồ thị. Điều này giảm đáng kể chi phí giao tiếp và tính toán. Lập kế hoạch phân tán trở nên khả thi hơn trong các hệ thống lớn.

Tối đa hóa phúc lợi xã hội là mục tiêu trong các hệ thống hợp tác. Tối đa hóa phúc lợi cá nhân phù hợp hơn cho các tác nhân ích kỷ. Cấu trúc đồ thị phụ thuộc ảnh hưởng đến độ phức tạp của cả hai bài toán. Đồ thị không chu trình đơn giản hơn đồ thị có chu trình đáng kể.

6.1. Mô Hình MDP Đồ Thị Đa Tác Nhân

MDP đồ thị biểu diễn hệ thống đa tác nhân như một đồ thị phụ thuộc. Mỗi nút đại diện cho một tác nhân với MDP cục bộ của nó. Cạnh nối các tác nhân có phụ thuộc trực tiếp. Hàm chuyển trạng thái và phần thưởng phản ánh các phụ thuộc này. Mô hình này nắm bắt cấu trúc của nhiều ứng dụng thực tế.

6.2. Tính Chất Của MDP Đồ Thị

Tính chất của MDP đồ thị phụ thuộc vào cấu trúc đồ thị phụ thuộc. Đồ thị thưa cho phép phân tách hiệu quả. Độ rộng cây (tree-width) là thước đo quan trọng của độ phức tạp. Đồ thị với độ rộng cây nhỏ có thể được giải hiệu quả. Các thuật toán khai thác cấu trúc này để cải thiện hiệu suất.

6.3. Tối Đa Hóa Phúc Lợi Xã Hội

Tối đa hóa phúc lợi xã hội tổng hợp lợi ích của tất cả các tác nhân. Bài toán này yêu cầu điều phối toàn cục giữa các tác nhân. Phương pháp phân tách dựa trên cấu trúc đồ thị giảm độ phức tạp. Thuật toán lan truyền tin nhắn (message passing) hiệu quả cho đồ thị không chu trình. Đồ thị có chu trình đòi hỏi các phương pháp xấp xỉ như loopy belief propagation.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ: Integrated resource allocation and planning in stochastic multiagent environments

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (250 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

INTEGRATED RESOURCE ALLOCATION AND PLANNING IN STOCHASTIC MULTIAGENT ENVIRONMENTS by Dmitri A. Dolgov A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy (Computer Science and Engineering) in The University of Michigan 2006 Doctoral Committee: Professor Edmund H. Durfee, Chair Professor Kang G. Shin Professor Demosthenis Teneketzis Professor Michael P.

Wellman Associate Professor Satinder Singh Baveja UMI Number: 3224868 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion.

® UMI UMI Microform 3224868 Copyright 2006 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 © Dmitri A. Dolgov All rights reserved 2006 To my parents and Anya. ii ACKNOWLEDGEMENTS First and foremost, I owe a lot of gratitude to my advisor, Ed Durfee. Without his support, patience, academic guidance, and technical advice, this dissertation would not have been possible.

I especially want to thank Ed for giving me the freedom to explore and supporting me when I got excited about problems, even at times when he didn’t quite share my enthusiasm. I truly believe Ed’s top work priority is the growth of his students, and for that I offer my deepest thanks! I’m very grateful to the members of my committee, Kang Shin, Satinder Singh, Demos Teneketsis, and Michael Wellman for their valuable advice and insightful comments on my work. Michael Wellman deserves special credit for doing a very thorough job reviewing my thesis. I’m very thankful to my teachers at the University of Michigan, especially professors Martha Pollack and Kevin Compton.

The administrators of the Michigan AI Lab deserve many thanks for their help in navigating various financial and administrative jungles. The support of Kelly Cormier, Colleen Neilson, and Wendy Anderson was truly indispensable. My friends in the AI Lab contributed significantly to making my life there fun, productive, and sometimes both. Thanks to all of you, and especially Jeff C.! Among my non-AI friends, I thank Tami & Mike U., and Lisa & Derek C.

for making my life in Ann Arbor much more enjoyable. ABC deserves a mention for continued and consistent support. Also, to all the people with whom I played soccer and went skiing, thanks. I would have long withered without those games and trips! To my parents I owe so much more than can be expressed on paper or in words.

Mom, Dad, thanks for everything! Finally, I thank my fiance, friend, colleague, and editor, Anya, for her love and encouragement. iv TABLE OF CONTENTS DEDICATION. và va ii ACKNOWLEDGEMENTS .0000 pee eee iii LIST OF FIGURES. ee viii ABSTRACT ©.ga và va xi CHAPTER 1.1 Resource Allocation and Stochastic Planning .3 Overview of the Thesis.

Non-Consumable Resources: Single-Agent Model .1 Planning Under Uncertainty: Markov Decision Processes.2 Agent Model: MDPs with Resources and Capacity Constraints 19 2.3 Properties of the Single-Agent Constrained MDP .5 Binary Resource Costs. Allocation of Non-Consumable Resources .1 Multiagent Resource Allocation.2 Avoiding Bundle Enumeration .3 Distributing the Winner-Determination Problem .4 Preserving Information Privacy. cv gà và và và 72 4. Constrained MDPs with Multiple Discount Factors.1 Justification for Costs and Multiple Discounts.

75 4,2 Stationary Deterministic Policies for Constrained MDPs .3 Stationary Deterministic Policies for MDPs with Multiple Discounts 2. ng ng kg kg kia 84 43.5 Discussion and Generalization.1 Single-Agent Problem Formulation .2 Problem Properties and Complexity .3 Solution for MDPs with Constraints on the Expected Resource CostS oe 110 5.4 Probabilistic Constraints: Linear Approximation .5 Probabilistic Constraints: Polynomial Approximation.1 Calculating the Probability of Exceeding Cost Bounds125 5.2 Computing the Moments .4 Restricting to Stationary Deterministic Policies.6 Multiagent Resource Allocation. cv KT va 147 6. Multiagent MDPs with Local and Asymmetric Dependencies 150 6.1 Graphical Multiagent MDPs .2 Properties of Graphical Multiagent MDPs.3 Maximizing Social Welfare .4 Maximizing Own Welfare .1 Acyclic Dependency Graphs .2 Cyclic Dependency Graphs.00 ee eee ee ee 173 6.

Approximate Planning and Resource Allocation with Fac- tored MDP.1 Factored MDPs and Approximate Linear Programming .2 Approximation of the DualLP.2 Resource Allocation with Factored MDPs .4 Discussion: Folding Resources into MDPs .1 Summary of Contributions .2 Open Questions and Future Directions. Quà kg v kk sa 223 vii LIST OF FIGURES Figure 1. Q vn ng va 5 2.1 Unconstrained MDP example, delivery domain.2 Mapping general utility functions to constrained MDPs.3 Reduction for NP-completeness proof of constrained MDP.1 Preserving information privacy example.2 Running time for a MDP-based WDP MILP for different constraint levels, 2 .3 Comparison of the running time of MDP-based and flat combinato- rial auetÏlONS. c Q Q LH HQ ng nu gà gà xa ko 67 3.4 Scaling the MDP-based winner-determination MILP to more agents.5 Scaling of the MDP-based winner-determination MILP with the number of resource typeéS.6 Complexity of MDP-based winner-determination MILP as a function of complexity of actions’ resource requirements.7 Complexity of MDP-based winner-determination MILP when re- source requirements scale with the number of resource types.1 Example: MDP with constraint on expected cost.2 Example: MDP with two discount factors.3 Value of deterministic and randomized policies for constrained MDPs.4 Complexity profile for constrained MDPs as a function of constraint level.

20 cu gà kg NV k va 4.5 Performance profile for finding optimal deterministic policies for constrained MDPs.6 Solution time for MDP with two discount factors.1 Optimal policies for problems with constraints on consumable resources require randomization and are not uniformly optimal.2 Reduction of HC to MDP with consumable resources and probabilis- tic constraints. HQ ky và va 5.3 MDPs with probabilistic constraints are non-linear and non-convex.4 Sub-optimality of linear Markov approximation for the delivery example.9 Iterative Markov approximation for the delivery example.6 Probability of exceeding cost bounds for the linear Markov approx- imationnN ©. nà à v kg kg KV v V k Ka 5.7 Quality of single-shot Markov approximation.8 Effect of iteratively adjusting the Markov bound.9 Distribution of total cost, comparison to normal.10 Simple problem with two states and two actions.11 Quality of third-degree Legendre approximation of acdf.12 Polynomial approximation of a pdf for several policies.13 Scaling with the number of agents: consumable and non-consumable YESOUICES.14 Scaling with the number of resource types: consumable and non- consumable reSOUTC@S.15 Scaling with the number of resource types and action resource requirements. ix Agent dependency graph.

QC 153 Illustration for Theorem 6. so 164 Assembly line example. eee ee 166 Additive rewards. Two-agent problems.

175 Multiagent problems, additive rewards: existence of equilibrium strategies. ng hà k v kg k kg kia 179 Example of a simple cluster graph that forms a junction tree. 196 Efficiency of resource allocation with factored MDPs. 202 Comparison of ALP methods.

209 ABSTRACT Resource allocation is a ubiquitous problem that arises whenever scarce resources have to be distributed among multiple autonomous entities (e., people, companies, robots). Stochastic planning is also a very common problem that focuses on developing models and algorithms for behaving optimally in uncertain environments. The motivation for this dissertation is that the problems of resource allocation and stochastic planning are often very strongly intertwined: the utility for acquiring some resources is commonly determined by what goals can be achieved using these resources, while devising the best course of action for achieving these goals can involve solving a complex stochastic planning problem. An integrated approach to modeling and solving the problems of resource allocation and stochastic planning allows us to exploit problem structure that would otherwise be lost if the problems were considered separately.

The overarching goal of this dissertation is to develop computationally efficient mechanisms for allocating consumable and non-consumable resources among agents whose preferences for these resources are induced by stochastic planning problems. Towards this end, we develop new models of planning problems, based on the framework of Markov decision processes (MDPs), where the action sets are explicitly parameterized by the available resources. Given these models, we design algorithms based on linear and integer programming that simultaneously solve for optimal allocations of resources and strategies for acting in the stochastic environments. These algorithms then form the core of our mechanisms for allocating resources xi in cooperative as well as competitive multiagent settings.

We show analytically and empirically that the integrated approach leads to drastic (in many cases, exponential) improvements in computational efficiency over methods that consider the problems separately. To complement the above, we develop mechanisms that, in addition to exploiting structure in agents’ preferences arising from regularities in the underlying planning problems, also exploit structure within the agents’ MDPs. By utilizing and extending techniques based on approximate linear programming, we adapt our resource- allocation mechanisms to well-structured planning problems, represented as factored MDPs. This leads to algorithms that scale up to even larger resource-allocation problems, where the agents’ preferences are induced by MDPs with extremely large state spaces.

xI CHAPTER 1 Introduction The problem of resource allocation among multiple autonomous entities (agents) is ubiquitous in the modern world. A business manager has to distribute a limited budget among the departments of the company. A computing center faces the problem of allocating its limited resources among computational tasks. A government is in charge of distributing the scarce resources of its country (e., wireless spectrum) among its people and businesses.

Making the right allocation decisions in these and other similar scenarios can be of critical importance. However, what does it mean to allocate the resources in the “right” way? A good manager wants to maximize the long-term profitability of her business. A process that allocates resources to tasks in a computing environment should aim to get as much useful work done as possible. The goal of a professionally run and honest government is to do what is best for its people.

In all the above, the goal of the resource-allocation process is to maximize a measure of global utility that can be obtained by the agents in the system by using these resources. This, in turn, raises the question of what determines the value of a particular set of resources to an agent. Resources are used by the agents to pursue their goals and to obtain rewards on achieving the latter. However, in order to be able to achieve those goals, the agents often need to solve a nontrivial planning problem.

For example, when making decisions regarding budget allocation, a manager needs to consider how the money will be used and what will be accomplished as a result. Ina computing center, it is important to understand what sequence of steps is required to complete a task before resources can be allocated to it. Similarly, before a government can make an informed decision about how to allocate the wireless spectrum in the best possible way, someone has to evaluate the possible uses of the frequencies and the resulting benefits. Further, in any realistic domain, such a planning process is complicated by the fact that an agent faces multiple interdependent objectives, whose achievement requires executing sequences of actions whose outcomes are uncertain.

For instance, profitability of a business is subject to many external factors (demand, competition, legislation) that can seldom be predicted with certainty. The focus of this dissertation is on the interconnected problems of resource allocation and sequential decision making under uncertainty about the dynamics of the environments the agents operate in. When viewed primarily from the resource allocation perspective, this work can be characterized as a study of algorithms for resource allocation where the values of the resources to the agents are defined by the agents’ stochastic planning problems.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Phân bổ tài nguyên và lập kế hoạch trong môi trường đa tác nhân" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tiến sĩ về phân bổ tài nguyên và lập kế hoạch trong môi trường đa tác nhân ngẫu nhiên. Nghiên cứu thuật toán tối ưu hóa và quy trình quyết định Markov.

Luận án "Phân bổ tài nguyên và lập kế hoạch trong môi trường đa tác nhân" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại The University of Michigan. Năm bảo vệ: 2006.

Luận án "Phân bổ tài nguyên và lập kế hoạch trong môi trường đa tác nhân" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Phân bổ tài nguyên và lập kế hoạch trong môi trường đa tác nhân" thuộc chuyên ngành Computer Science and Engineering. Danh mục: Trí Tuệ Nhân Tạo.

Luận án "Phân bổ tài nguyên và lập kế hoạch trong môi trường đa tác nhân" có bao nhiêu trang?

Luận án "Phân bổ tài nguyên và lập kế hoạch trong môi trường đa tác nhân" có 250 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Phân bổ tài nguyên và lập kế hoạch trong môi trường đa tác nhân" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter