Algorithms and ordering heuristics for distributed constraint satisfaction problems

par Mohamed Wahbi

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Christian Bessière et de El-Houssine Bouyakhf.

Soutenue le 03-07-2012

à Montpellier 2 en cotutelle avec l'Université Mohammed V-Agdal (Rabat, Maroc) , dans le cadre de Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014) , en partenariat avec LIRMM - Laboratoire d'Informatique, Robotique et Micro-électronique de Montpellier (laboratoire) .

Le président du jury était Awatef Sayah.

Le jury était composé de Christian Bessière, El-Houssine Bouyakhf, Awatef Sayah, Pedro Meseguer, Mustapha Belaissaoui, Rémi Coletta.

Les rapporteurs étaient Pedro Meseguer, Mustapha Belaissaoui.

  • Titre traduit

    Algorithmes de résolution et heuristiques d'ordonnancement pour les problèmes de satisfaction de contraintes distribués


  • Résumé

    Les problèmes de satisfaction de contraintes distribués (DisCSP) permettent de formaliser divers problèmes qui se situent dans l'intelligence artificielle distribuée. Ces problèmes consistent à trouver une combinaison cohérente des actions de plusieurs agents. Durant cette thèse nous avons apporté plusieurs contributions dans le cadre des DisCSPs. Premièrement, nous avons proposé le Nogood-Based Asynchronous Forward-Checking (AFC-ng). Dans AFC-ng, les agents utilisent les nogoods pour justifier chaque suppression d'une valeur du domaine de chaque variable. Outre l'utilisation des nogoods, plusieurs backtracks simultanés venant de différents agents vers différentes destinations sont autorisés. En deuxième lieu, nous exploitons les caractéristiques intrinsèques du réseau de contraintes pour exécuter plusieurs processus de recherche AFC-ng d'une manière asynchrone à travers chaque branche du pseudo-arborescence obtenu à partir du graphe de contraintes dans l'algorithme Asynchronous Forward-Checking Tree (AFC-tree). Puis, nous proposons deux nouveaux algorithmes de recherche synchrones basés sur le même mécanisme que notre AFC-ng. Cependant, au lieu de maintenir le forward checking sur les agents non encore instanciés, nous proposons de maintenir la consistance d'arc. Ensuite, nous proposons Agile Asynchronous Backtracking (Agile-ABT), un algorithme de changement d'ordre asynchrone qui s'affranchit des restrictions habituelles des algorithmes de backtracking asynchrone. Puis, nous avons proposé une nouvelle méthode correcte pour comparer les ordres dans ABT_DO-Retro. Cette méthode détermine l'ordre le plus pertinent en comparant les indices des agents dès que les compteurs d'une position donnée dans le timestamp sont égaux. Finalement, nous présentons une nouvelle version entièrement restructurée de la plateforme DisChoco pour résoudre les problèmes de satisfaction et d'optimisation de contraintes distribués.


  • Résumé

    Distributed Constraint Satisfaction Problems (DisCSP) is a general framework for solving distributed problems. DisCSP have a wide range of applications in multi-agent coordination. In this thesis, we extend the state of the art in solving the DisCSPs by proposing several algorithms. Firstly, we propose the Nogood-Based Asynchronous Forward Checking (AFC-ng), an algorithm based on Asynchronous Forward Checking (AFC). However, instead of using the shortest inconsistent partial assignments, AFC-ng uses nogoods as justifications of value removals. Unlike AFC, AFC-ng allows concurrent backtracks to be performed at the same time coming from different agents having an empty domain to different destinations. Then, we propose the Asynchronous Forward-Checking Tree (AFC- tree). In AFC-tree, agents are prioritized according to a pseudo-tree arrangement of the constraint graph. Using this priority ordering, AFC-tree performs multiple AFC-ng processes on the paths from the root to the leaves of the pseudo-tree. Next, we propose to maintain arc consistency asynchronously on the future agents instead of only maintaining forward checking. Two new synchronous search algorithms that maintain arc consistency asynchronously (MACA) are presented. After that, we developed the Agile Asynchronous Backtracking (Agile-ABT), an asynchronous dynamic ordering algorithm that does not follow the standard restrictions in asynchronous backtracking algorithms. The order of agents appearing before the agent receiving a backtrack message can be changed with a great freedom while ensuring polynomial space complexity. Next, we present a corrigendum of the protocol designed for establishing the priority between orders in the asynchronous backtracking algorithm with dynamic ordering using retroactive heuristics (ABT_DO-Retro). Finally, the new version of the DisChoco open-source platform for solving distributed constraint reasoning problems is described. The new version is a complete redesign of the DisChoco platform. DisChoco 2.0 is an open source Java library which aims at implementing distributed constraint reasoning algorithms.


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