Formal methods for analysing, coordinating, and controlling decisions in multi-agent systems

Bulling, Nils GND

Multiagentensysteme sind verteilte (Computer)Systeme, die sich aus autonomen interagierenden Systemkomponenten, bezeichnet als Agenten, zusammensetzen. Sie bieten ein flexibles Framework zur Modellierung und Analyse von interaktiven Systemen, in denen Kooperation, Eigeninteresse und Autonomie eine entscheidende Rolle spielen. Dies ist zum Beispiel der Fall in Smart Grids. Eine Herausforderung in solchen Systemen ist die Kontrolle und die Koordination von Systemausführungen. Agenten handeln autonom und lassen sich daher oftmals nicht direkt kontrollieren, sondern bestenfalls beeinflussen. Aufgrund der Autonomie und des Selbstinteresses, ist es schwierig, angemessene Kontrollmechanismen zu finden. Die vorliegende Arbeit behandelt formale Grundlagen zu den Themen Entscheidungsfindung, Koordination und Kontrolle in Multiagentensystemen. Insbesondere werden in diesem Zusammenhang Logiken zur Analyse und Spezifikation von strategischen Fähigkeiten von Agenten, unter diversen Restriktionen, untersucht. Es werden formale Ansätze zur Beeinflussung und Überwachung von Systemausführungen eingeführt. In einem weiteren Teil der Arbeit wird mittels spieltheoretischer Verfahren analysiert, wie rationale Agenten interagieren und Entscheidungen treffen. Es wird argumentiert, dass formale Methoden und Werkzeuge zur Analyse und Kontrolle von autonomen Systemen entscheidend für deren verlässliche Entwicklung sind.

Multi-agent systems (MASs) are distributed (computer) systems composed of autonomously (inter-)acting system components referred to as agents. MASs offer a flexible framework to model and analyse many real world settings in which cooperation, self-interest, and autonomy are crucial elements. A key challenge in such settings is the control and coordination of behavior. However, due to the agents' autonomy behavior can often not be controlled, but at best be influenced in some way or another. For example, agents can be given incentives in order to affect their decision-making in such a way that the emergent behavior of all actors is desirable from the system's perspective. The properties of self-interest and autonomy make it challenging to find appropriate control mechanisms. Existing coordination and control approaches from the distributed system literature are often not applicable due to the lack of direct control on the system components of MASs. New methods and tools are needed. In this thesis formal foundations related to the subjects of decision making, coordination and control in MASs are studied. In particular, we investigate (extensions of) temporal and strategic logics which capture specific capabilities of agents that influence their decision making. We also propose formal approaches to control, coordinate and monitor the emergent behavior in MASs. In the last part of the thesis we analyse how rational agents interact and make decisions using game theoretical methods. We argue that such formal approaches and tools to analyse and control autonomous systems are crucial for the development of reliable and flexible systems and will become even more crucial in the near future.

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Bulling, Nils: Formal methods for analysing, coordinating, and controlling decisions in multi-agent systems. 2015.

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