Konference HoloMAS 2005 – holonické a multiagentní systémy

Ve dnech 22. až 24. srpna 2005 se bude v dánské Kodani konat konference Holomas 2005 – druhá mezinárodní konference o průmyslových aplikacích holonických a multiagentních systémů. Konferenci pořádá ve spolupráci s EU Network of Excellence I*PROMS a evropskou koordinační skupinou AgentLink pražská Gerstnerova laboratoř ČVUT FEL. Spolupředsedají jí prof. Vladimír Mařík a dr. Michal Pěchouček z ČVUT v Praze a prof. Robert W. Brennan z Univerzity v Calgary (Kanada).

Není obvyklé, aby česká laboratoř pořádala mezinárodní konferenci v zahraničí, a proto jsem se rozhodl zeptat se jednoho ze spolupředsedů konference, prof. Maříka, proč tuto konferenci pořádá právě ČVUT a o čem se bude na konferenci jednat. Z původně zamýšlené krátké informace nakonec vznikl rozsáhlý rozhovor nejen o konferenci Holomas, ale o holonických a multiagentních systémech obecně a o přínosu českých techniků tomuto oboru.

Semináře a konference Holomas

Pane profesore, jaká je historie seminářů a konferencí Holomas?

Konference Holomas je konference o aplikacích holonických a multiagentních systémů. Koncem devadesátých let minulého století začaly vedle sebe působit dvě silné komunity – jedna, která se zabývala multiagentními systémy (MAS), a druhá, zaměřená na holonické systémy. Holonické systémy jsou ovšem v podstatě také agentové systémy, ale jsou spojeny s fyzickými zařízeními – s provozními přístroji, regulátory, manipulátory nebo stroji. Začalo se ukazovat, že komunita, která se zabývá holonickými systémy, si již nevystačí s řešeními na nejnižší úrovni řízení v reálném čase, které jsou pro ně typická, ale potřebuje inteligentnější autonomní rozhodovací jednotky. MAS zase neměly nástroje pro řízení v reálném čase. Obě komunity začaly konvergovat a první platformou pro jejich vzájemnou spolupráci byl workshop Holomas, který se konal v roce 2000 v Londýně. Sešli se tu lidé, jejichž oborem byly vyloženě multiagentní systémy, bez jakéhokoliv spojení s reálným řízením, s lidmi, kteří dělali vysoce distribuované holonické řízení na nejnižší úrovni automatizované výroby – tj. s lidmi zvyklými pracovat v „žebříčkovém kódu„ – jazyce kontaktních schémat. Tito lidé se začali spojovat do nových pracovních týmů.

Zejména workshop v roce 2001 v Mnichově byl silně ovlivněn spoluprací s konsorciem HMS (Holonic Manufacturing Systems), působícím v rámci mezinárodní iniciativy IMS (Intelligent Manufacturing Systems). Od té doby HMS aktivně podporuje další semináře a konference Holomas, včetně té letošní, protože je považuje za vítanou příležitost pro výměnu názorů a zkušeností lidí působících v této oblasti.

Prof. Ing. Vladimír Mařík, DrSc., spolupředsedající konference HoloMAS 2005

V roce 2002 se konal již třetí workshop v Aix en Provence a v roce 2003 byla první mezinárodní konference v Praze. Letos, v roce 2005, tedy bude v pořadí druhá konference v Kodani.

Důležité je, že o multiagentní a holonické systémy mají zájem velké průmyslové firmy, které této konferenci poskytují podporu a zázemí. Jmenovat lze např. Schneider Electric, Siemens nebo Rockwell Automation. Tyto firmy aktivně hledají cesty, jak holonické a multiagentní systémy využít v praxi.

Rozumím tomu správně, že konference Holomas není jen vědecká konference o holonických a multiagentních systémech, ale své místo zde mají i aplikace z praxe?

Holomas se dokonce zabývá především aplikacemi v praxi: plný oficiální název zní Holomas – mezinárodní konference o průmyslových aplikacích holonických a multiagentních systémů. Nejde tu tedy také o aplikace, ale o aplikace v první řadě.

Důležitou otázkou, kterou se konference Holomas zabývají, je společný vývoj standardů a norem, protože standardy jsou zvláště pro průmyslovou praxi velmi důležité. Organizací, která je v oblasti standardizace multiagentních a holonických systémů velmi aktivní, je FIPA (Foundation for Intelligent Physical Agents). V rámci FIPA existuje pracovní skupina zaměřená na standardy pro řídicí techniku (Control Devices) a na standardizaci agentové komunikace v řídicích systémech.

Holonické a multiagentní systémy

Jak se vlastně v zásadě liší holonické a multiagentní systémy?

Holonické systémy jsou systémy bezprostředně spojené s fyzickým zařízením. Agenty jsou vyloženě softwarové. Je tu ale ještě jeden rozdíl: holony u holonických systémů lze uspořádat do tzv. holarchie, tj. vzájemně je spojovat do celků po dvou a více holonech a násobit tak jejich kapacitu. To u klasických MAS nejde.

Zjednodušeně řečeno, holony v holonických systémech jsou agenty spojené s fyzickým světem. Holony jsou jediné agenty, které jsou schopny realizovat řízení v reálném čase, řádově v desítkách milisekund, zatímco pro klasické agenty čas nehraje příliš významnou roli. Naproti tomu agenty bývají inteligentnější než holony – úkolem holonu je jen vykonat svěřený úkol co nejrychleji a bez dlouhého přemýšlení. Holony proto bývají reaktivní, mají předem naprogramované reakce na několik situací, které jsou schopny rozpoznat.

Ovšem rozdíl mezi holonem a agentem se smazává. V současné době bývá v programovatelných automatech možnost programovat v C nebo C++ a začíná se u nich používat i Java. Programy v těchto jazycích si mohou s řídicími programy bez problémů vyměňovat data např. prostřednictvím datových tabulek.

Odtud tedy pochází termín holonický agent?

Holonický agent je v podstatě softwarový agent, který je rozšířen tak, aby dokázal zasahovat do reálného světa. Ale k termínu lze přistoupit i opačně: může to být holon pracující v reálném světě s inteligentní nadstavbou. Takový holon potom reaguje v reálném čase, ale také dokáže uvažovat o tom, zda jednal správně. Je to rozšíření agentu směrem dolů nebo holonu směrem nahoru.

Takže holonický agent reaguje podobně jako člověk: první signální soustava zareaguje na podnět okamžitě a teprve potom následuje úvaha, zda byla reakce správná.

A samozřejmě i zde může v některých případech pokyn z nadstavby působit proti reaktivnímu jednání: jako člověk, který si sáhne na horký předmět a neucukne, protože ví, že musí vykonat nějakou činnost nutnou k tomu, aby zabránil nehodě nebo katastrofě.

Řídicí část holonického agentu může být vytvořena např. pomocí kontaktních schémat, agentová nadstavba ve vyšším programovacím jazyce. Obě části si musejí vyměňovat informace. K tomu je nutné vhodné rozhraní. Nám se jeví jako nejlepší a nejrychlejší řešení pro přenos dat zdola nahoru i naopak datová tabulka.

Co přinášejí holonické a multiagentní systémy?

Říkal jste, že vývoj holonických a multiagentních systémů podporují mnohé velké firmy. Proč to vlastně dělají? Co od holonických a multiagentních systémů očekávají? Co přinášejí holonické systémy a proč nezůstat u klasického řízení?

Dnešní automatické řízení je vesměs centralizované a přísně hierarchické. Tak jsou dnes budovány celé rozsáhlé průmyslové sítě, na něž jsou „navěšeny„ programovatelné automaty, které také fungují v centralizovaném režimu.

Nicméně řada aplikací vyžaduje velmi distribuované řízení. To jsou aplikace např. v chemickém průmyslu nebo při distribuci elektřiny, plynu či vody, kde je nutné mít autonomní jednotky, jež vykonávají mnohé zásahy do řízené technologie samostatně, bez komunikace s centrem. To je jeden argument pro multiagentní a holonické systémy. Za druhé, v pružných výrobních úsecích je občas nutné za provozu vyměnit, přidat nebo ubrat některá zařízení, a to nejen z důvodu poruchy nebo údržby, ale také při změně plánu výroby. Je důležité, aby se při každé takové změně co nejrychleji našla nová výrobní cesta. MAS jsou pro to vhodným řešením.

Příkladem může být dopravníkový systém, kde se u jednoho dopravníku vyskytne porucha. V klasickém uspořádání je nutné zastavit výrobu, přeprogramovat linku a znovu ji spustit. S agentovým řízením to funguje jinak: jakmile zařízení zjistí, že má poruchu, oznámí to všem ostatním zařízením, která to zajímá. Ta se okamžitě začnou dohadovat na náhradním řešení a výrobky posílají jinou cestou. Když je dopravník opraven, rozešle zprávu, že je připraven k činnosti, a dohodne se s okolními zařízeními, co je pro ně schopen udělat. Nic se nemuselo zastavit, nic se nemuselo přeprogramovat, vše funguje zcela automaticky.

Stejné to je, když se do linky přidá nový stroj. Stroj se sám ohlásí okolním zařízením: jsem tady a umím tyto činnosti, můžete se mnou počítat.

Multiagentní a holonické systémy jsou tedy mnohem pružnější a robustnější než klasické centralizované řízení, umožňují automaticky měnit konfiguraci výrobního systému a měnit plány výroby.

Znamená to, že výrobek si sám hledá cestu výrobním systémem?

To asi narážíte na nejnovější trend, který je zatím ve stadiu experimentů. Je to koncepce, kde výrobek, resp. polotovar, může být holonem a je schopen diskutovat s výrobním zařízením, co od něj potřebuje. Může mu říci: „Já potřebuji tuto operaci a ty se mi nehodíš„, nebo „Ty se mi hodíš„, ale zařízení mu odpoví: „Sem nemůžeš, nemám volnou kapacitu„ a polotovar si musí hledat jinou cestu. Výrobek a výrobní linka tedy spolu mohou komunikovat. Technika, která to umožňuje, je např. RFID (Radio Frequency Identification). Nejnovější štítky RFID umožňují nejen čtení, ale i zápis, a mohou tak s výrobním zařízením komunikovat obousměrně.

Také bych zdůraznil, že MAS umožňují nejen do řízeného systému něco přidat, ale v diagnostickém režimu též odebrat části, které jsou dočasně nebo nenávratně ztraceny. Příkladem z praxe, nikoliv výrobní, je chlazení součástí a subsystémů lodi. Může se stát, že část lodi je poškozena a z přerušeného potrubí uniká chladicí kapalina. Systém musí být schopen situaci vyhodnotit a říci si: „Dobře, tohle potrubí jsem ztratil, musím zavřít tyto ventily, aby mi nevytekla všechna chladicí kapalina, tyhle ventily naopak otevřu a tato čerpadla spustím, aby chladicí médium proudilo jinudy.„ Rozhodnutí je přitom nutné udělat ve zlomcích sekundy. Agenty v MAS jsou schopny se dohodnout a velmi přesně zjistit, co se vlastně stalo, poškozený segment odpojit a zajistit chlazení ve všech částech, kde je to možné. Vyvinout MAS pro tento účel je zadání, na němž pracujeme na naší katedře ve spolupráci s Výzkumným střediskem Rockwell Automation Praha.

Ještě jedna poznámka k MAS ve výrobě: multiagentní přístup, který se používá při řízení výroby, lze použít i pro plánování a rozvrhování. Je tu tedy přímá vazba mezi plánováním, rozvrhováním a vlastním řízením, a tyto systémy spolu mohou bez problémů komunikovat. Například systém, který řídí výrobu, zjistí poruchu nebo detekuje nové zařízení a předá plánovacímu systému informaci, že se změnila kapacita výrobní linky. Plánovací sytém podle toho může přeplánovat výrobu. Celek přitom tvoří jediný multiagentní systém. To, že plánování a rozvrhování mohou být přímo svázána s provozním řízením, je jedna z největších výhod MAS.

Spolehlivost multiagentních systémů

Je nějak zaručeno, že se agenty nebo holony nedohodnou na řešení, které není optimální nebo je dokonce z hlediska aplikace nevyhovující? U aplikací s velkými požadavky na bezpečnost to může být klíčová otázka.

To je jeden z velkých problémů holonických systémů. V podstatě máte skupinu jednotek, které jsou autonomní, navzájem se dohadují podle stanovených pravidel, ale protože chybí centrální dohled, nikde není zaručeno, že nedojde k neočekávanému emergentnímu (pozn. red. náhle se objevivšímu) chování, které může vést k nestabilitě. Zatím existují dvě cesty, jak to řešit. Jedna je simulace. K tomu je třeba vhodný simulační nástroj, jenž dokáže nasimulovat všechny možné stavy systému. Výsledkem je několik vzorků nežádoucího emergentního chování. Systematickým simulováním lze takové chování odhalit a hledat proti němu ochranu. Druhý způsob využívá tzv. metaagenty. To jsou agenty, které sledují činnost systému a v případě, že zjistí chování, které je za hranicemi očekávaného, systém odstaví. U systému se tak zaručuje jeho provozní spolehlivost – anglickým termínem označovaná jako dependability. Zajištění provozní spolehlivosti pomocí metaagentů bývá často zadavatelem požadováno, nicméně se zdá, že správná cesta vede přes simulaci. Proto je simulaci MAS věnována mimořádná pozornost. Ukazuje se, že simulovat MAS lze zase jen pomocí MAS. Tady nepomůže Matlab ani Arena, musí to být systém na agentovém principu, jinak není schopen simulovat emergentní chování systému bez centrální jednotky. To je na jednu stranu omezení, ale na druhou stranu je možné to, co se naprogramuje pro simulaci, přímo použít v reálném agentu. Takže uživatel v jazyce Java naprogramuje simulátor, vyzkouší jej, a když je s ním spokojen, přímo jej přenese na reálný agent např. v PLC. Navíc je možné výrobní linku uvádět do provozu krok po kroku: část může být fyzicky v činnosti a část teprve simulována. Tak je možné simulovat chování např. tehdy, když chci do systému přidat další programovatelné automaty s agentovou nadstavbou. Speciálně u javových agentů je to velmi výhodné. Například multiagentní simulační systém MAST, vyvinutý firmou Rockwell Automation ve Výzkumném centru v Praze, umožňuje kód ze simulace rovnou přenést na PLC Logix a tam jej spustit.

Aplikace v praxi

Jak se v současné době v praxi využívají holonické a multiagentní systémy?

Klasický příklad je Modelárna LIAZ, s. r. o., kde je MAS využíván na úrovni plánování a rozvrhování. Podobných systémů je v současné době už více a začínají pronikat do běžné praxe. Podstatně méně je ovšem systémů, u nichž se holony uplatňují při řízení v reálném čase. Existuje jen několik firem, které se odvážily vykročit tímto směrem. V jejich čele je Rockwell Automation, ale velmi dobrou pozici má i Schneider Electric. Z menších firem lze jmenovat např. rakouskou společnost Profactor, která se specializuje na agentové řízení strojů, např. svařovacích robotů, číslicově řízených obráběcích strojů apod. Ukazuje se, že je docela zajímavé, když se některé komponenty takových strojů chovají jako agenty. Je to výhodné zvláště u složitějších strojů, které jsou složeny z modulů, z nichž každý se může chovat jako samostatný agent. Umožňuje to v případě potřeby dokoupit ke stroji nový modul, např. větší zásobník nástrojů, nebo podle potřeby vyměňovat moduly mezi stroji podobné konstrukce. Použití agentů výrazně zkrátí dobu potřebnou k uvedení modifikovaného stroje do provozu.

Zatím největší aplikací holonického řízení je výrobní linka na výrobu motorů v automobilce DaimlerChrysler v závodě nedaleko Stuttgartu v SRN. Zde bylo ověřeno, že pomocí holonického řízení lze dosáhnout takové flexibility, která značně překračuje vše, co by bylo možné očekávat od linky s centralizovaným řízením. Problém ovšem je, že za takové možnosti je nutné také něco zaplatit: investice do holonického systému je výrazně větší než do klasické výrobní linky s centralizovaným řízením.

Z dalších aplikací je možné se zmínit o ocelářské lince ve společnosti BHP Billiton v Austrálii, vybavené technikou Rockwell Automation. Významná testovací linka s šesti roboty a dopravníkovým systémem je na univerzitě v Cambridgi (Velká Británie) u profesora Duncana McFarlaneho. Tato testovací linka vznikla za podpory společností jako Unilever nebo Gilette, které zde testují nové metody řízení výroby. I Rockwell Automation zde ověřuje některé řídicí algoritmy.

Holonické systémy tedy nejsou doma jen v oboru kontinuální výroby...

V současnosti dokonce převažuje strojní výroba, nicméně zájem z oboru kontinuální (procesní) výroby také roste a mnoho firem i z tohoto oboru začíná o uplatnění MAS uvažovat.

Co je největší bariérou uplatnění MAS v praxi?

Z technického hlediska je důležité, aby spolu dokázala komunikovat zařízení často od různých výrobců. To znamená, že je nutná důsledná standardizace rozhraní.

Druhý problém je, že všechny současné programovatelné automaty počítají se synchronním řízením, pravidelně skenují podřízená zařízení a vysílají synchronní signály. MAS představují asynchronní přístup k řízení a předpokládají asynchronní přenos zpráv. Chybí jim centrální jednotka, která by systém synchronizovala. To je koncepce, na kterou nejsou připraveny ani systémy, ale především ani lidé. Dosavadní inženýři se nedovedou smířit s tím, že si ve výrobě budou jednotlivé moduly povídat a samy se dohadovat a nebude nad nimi žádná nadřízená jednotka. To je obrovská psychologická bariéra. Při přechodu od synchronního řízení k asynchronnímu je tedy třeba řešit i otázku výchovy odborníků.

Zajímavé je, že koncepce rozesílání zpráv podle událostí nebo na základě požadavků se začíná používat i uvnitř klasických PLC. Zcela konkrétně, pro PLC Logix (Rockwell Automation) je vyvíjeno asynchronní rozesílání diagnostických zpráv uvnitř časově synchronního systému. Programátor si může objednat, aby mu PLC dalo vědět, až nastane určitá změna. Nemusí tuto událost kontrolovat v každém cyklu automatu a spoléhá na to, že se automat sám ozve až se událost stane. Takováto asynchronnost, typická pro agentové řízení, se tedy objevuje i u klasických programovatelných automatů, aniž si to uživatel přímo uvědomuje, a zjednodušuje především jejich diagnostiku.

To znamená, že asynchronní a synchronní řízení se mohou v jediném řídicím modulu kombinovat – tam, kde je nezbytné signály skenovat v pevném cyklu, využívat tuto metodu, a v ostatních případech komunikovat asynchronně?

Do budoucna se počítá s tím, že tyto koncepce vzájemně prorostou. Synchronní komunikace se bude dál využívat tehdy, je-li třeba znát informace v pravidelném cyklu, asynchronní v ostatních případech. Obě metody mají své výhody a nevýhody a budou se používat paralelně.

Další vývoj multiagentních a holonických systémů

Jaké jsou další směry vývoje multiagentních a holonických systémů?

V podstatě už jsme tu o nich mluvili. Za prvé, klasické programovatelné automaty se budou modifikovat tak, aby byla možná jejich symbióza s agentovým světem. Tomu se věnuje značné úsilí a je zde třeba překonat ještě mnoho problémů spojených např. s bezpečností a s prevencí předcházení neočekávanému chování.

Za druhé, softwarové agenty budou zakomponovány a dodávány přímo se zařízením. Například čerpadlo bude mít vlastní procesorovou jednotku a paměť a bude se umět domluvit se svým okolím jako agent. Stejně tak bude mít svoji procesorovou jednotku třeba pásový dopravník a další komponenty. Tento trend je už nyní patrný zvláště u velkých výrobců.

Za třetí, bude se propojovat provozní řízení s plánováním a rozvrhováním. Již jsme hovořili o tom, že MAS jsou k tomu výborným nástrojem. Bude se propojovat řízení založené na provozních komunikačních sběrnicích, jako jsou např. DeviceNet nebo Profibus, s ethernetovými sítěmi podnikového informačního systému.

Za čtvrté, výrobky a polotovary se budou samy chovat jako agenty. Zde je ještě nutné dořešit některé problémy: např. skládá-li se výrobek z pěti komponent, z nichž každý bude mít svůj vlastní štítek RFID, čtecí zařízení přečte pět informací. Žádoucí ale je, aby si těch pět agentů zvolilo jeden, který je bude reprezentovat. Smontovaný výrobek se potom bude chovat jako jeden agent, ale žádné informace z původních agentů se při tom nesmějí ztratit. Například motor tedy bude vystupovat navenek jako jeden celek, ale bude-li to třeba, musí být možné dohledat výrobní historii nebo tolerance např. válců nebo bloku. Vývoj MAS zde postupuje společně s technikou RFID.

Tohle je výhled na nejbližší dva až tři roky. Co pohled do vzdálenější budoucnosti? Jak vidíte např. uplatnění evolučních nebo samooptimalizujících se algoritmů u holonických systémů?

Některé z nastíněných problémů nemusí být vyřešeny za dva až tři roky, ale spíše za pět nebo i deset let. Naproti tomu, samooptimalizující se MAS nejsou zase až tak vzdálenou budoucností. Například pro MAS vyvíjený pro chladicí soustavu vojenských lodí, o němž se tu už mluvilo, byly vyvinuty agenty označované sniffers (čmuchalové). To jsou agenty, jejichž úlohou je sbírat informace o komunikaci a varovat před nebezpečím, začne-li se některý agent chovat „podivně“; ale zejména se učit, aby mohly radit dalším agentům, jak by se měly chovat v dané situaci. Koncepce agentů sniffer mimochodem vznikla na našem pracovišti.

Agenty sniffer mají velký význam pro zjišťování falešných zpráv a detekci průniku do systému. Průmyslová bezpečnost a bezpečnost řídicích systémů je ožehavý bod a MAS zde mohou hrát velkou roli. Obrana proti průniku zvenčí nabývá na významu především s přechodem na bezdrátové komunikace.

V současné době se to často řeší tak, že se zkrátka řekne, že v kritických aplikacích se bezdrátové komunikace nesmějí používat. Ale v budoucnu to tak jistě nepůjde.

Především to je úplně proti podstatě RFID – zařízení s RFID musejí komunikovat bezdrátově. A je mnoho dalších aplikací, kde komunikace po kabelech není možná nebo se bezdrátová komunikace používá jako záložní, redundantní kanál – a to právě v bezpečnostně kritických aplikacích.

Pozvání na konferenci

Abych se vrátil zpět ke konferenci Holomas – jak to, že mezinárodní konferenci v Kodani organizují Češi? Jaká je pozice českých vědců ve výzkumu holonických systémů a MAS?

Gerstnerova laboratoř FEL ČVUT a Výzkumné centrum Rockwell Automation v Praze stály u zrodu této konference. Praha je jedním z významných center výzkumu holonických a multiagentních systémů a čeští výzkumníci jsou na mezinárodním fóru velmi respektováni. Samozřejmě je možné jmenovat i další pracoviště: Univerzitu v Cambridgi, Univerzitu v Calgary, Kanadské národní výzkumné středisko (NRC), vývojová centra některých japonských firem, např. firem Toshiba a Yaskawa. Ale pozice českých pracovišť je velmi silná, a proto světová komunita respektuje, že se Praha ujala organizace těchto konferencí.

Důkazem uznání pražských výzkumných pracovníků je mimochodem i to, že se dr. Pěchouček aktivně podílí na práci evropské koordinační skupiny AgentLink a je koordinátorem významné sekce aplikací agentového řízení v průmyslu.

Komu je konference Holomas určena?

Konference je určena pro výměnu zkušeností mezi odborníky. Vítány jsou jakékoliv příspěvky o aplikacích agentového a holonického řízení, třeba i jen zamýšlených, které mohou být něčím zajímavé i pro ostatní účastníky. Konference není uzavřena ani těm, kteří se v oboru teprve začínají orientovat. Setkají se zde s mnoha klíčovými lidmi a – zvláště v rámci vyzvaných přednášek – vyslechnou referáty o tom, co se v oboru aktuálně děje. Také sborník pro ně může být velmi užitečným přehledem současného stavu rozvoje holonických a multiagentních systémů.

Děkuji vám za rozhovor.

Další informace o konferenci Holomas 2005 zájemci najdou na webové adrese http://gerstner.felk.cvut.cz/HoloMAS/2005/

Rozhovor vedl Petr Bartošík