Μεταπτυχιακό Πρόγραµµα Σπουδών Αειφορική ιαχείριση Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων. Κατεύθυνση Α : Αειφορική ιαχείριση Ορεινών Υδρολεκανών µε Ευφυή Συστήµατα και Γεωγραφικά Συστήµατα Πληροφοριών. Μεταπτυχιακή Εργασία Πληροφοριακό σύστηµα δικτύου ευφυών πρακτόρων που υιοθετεί υβριδικές τεχνικές µε σκοπό την αξιολόγηση περιβαλλοντικών προβληµάτων και την παροχή υποστήριξης προς την κατεύθυνση της αντιµετώπισης τους. Περίπτωση ατµοσφαιρικής ρύπανσης σε αστικά κέντρα. Παπαλεωνίδας Αντώνιος Επιβλέπων: Λάζαρος Ηλιάδης, Αναπλ. Καθηγητής. Ορεστιάδα, Ιούνιος 2009
Στόχοι της εργασίας Στόχος της παρούσας διατριβής είναι ο σχεδιασµός και η ανάπτυξη ενός καινοτόµου, ανοιχτού, ευφυούς και κατανεµηµένου πληροφοριακού συστήµατος το οποίο µπορεί σε πραγµατικό χρόνο να αντιλαµβάνεται και να αξιολογεί την κατάσταση του περιβάλλοντος, να επιλέγει δράσεις για την προστασία του πληθυσµού και να προτείνει επεµβάσεις για την τροποποίηση του περιβάλλοντος µε σκοπό την επιστροφή των µετρήσεων σε τιµές εντός ορίων. Πρόκειται για ένα δίκτυο ευφυών πρακτόρων το οποίο µπορεί να τροφοδοτείται από πολλαπλές πηγές δεδοµένων (αισθητήρες) και έχει την δυνατότητα να ενηµερώσει και να προτείνει δράσεις, ανάλογα µε την περίπτωση την οποία εξετάζει, σε πολλούς φορείς όπως η πολιτική προστασία, νοσοκοµεία, νοµαρχίες, διευθύνσεις τροχαίας. Έτσι, τίθεται σε λειτουργία µια ατέρµονη διαδικασία όπου το ευφυές δίκτυο πρακτόρων προτείνει δράσεις οι οποίες τροποποιούν το περιβάλλον και αυτή η επίδραση στο περιβάλλον µε την σειρά της προκαλεί την τροποποίηση των αποφάσεων του συστήµατος σε πραγµατικό χρόνο.
Ατµοσφαιρική ρύπανση στην περιοχή µελέτης Περιοχή µελέτης µας αποτελεί το κέντρο της Αθήνας και συγκεκριµένα ο σταθµός ατµοσφαιρικής ρύπανσης επί της οδού Πατησιών. Ο σταθµός αυτός είναι τοποθετηµένος σχεδόν στο γεωγραφικό κέντρο της πόλης και αποτελεί έναν από τους παλιότερους σταθµούς µέτρησης ατµοσφαιρικής ρύπανσης στο πολεοδοµικό συγκρότηµα της Αθήνας. Βρίσκεται σε κοµβικό κυκλοφοριακό σηµείο και οι µετρήσεις του είναι αντιπροσωπευτικές για την ευρύτερη περιοχή του κέντρου. Η νοητή του εµβέλεια καλύπτει όλη την έκταση του κυκλοφοριακού δακτυλίου της Αθήνας ο οποίος αποτελεί ένα κλειστό πολύγονο που περικλείετε από τους εξής δρόµους: Λ. Αλεξάνδρας Ζαχάρωφ Μεσογείων - Φειδιππίδου Μιχαλακοπούλου Σπ. Μερκούρη Βρυάξιδος Υµηττού Ηλ. Ηλιού Α. Φραντζή Λ. Συγγρού Χαµοστέρνας Πειραιώς Ιερά Οδός Κωνσταντινουπόλεως Αχιλλέως Πλ. Καραϊσκάκη Καρόλου Μάρνη 28ης Οκτωβρίου (Πατησίων) Λ. Αλεξάνδρας.
Ατµοσφαιρική ρύπανση στην περιοχή µελέτης Η µέτρηση των ρύπων γίνεται σε συνεχή βάση καθ όλη τη διάρκεια του 24ώρου ενώ οι διαθέσιµες µετρήσεις αφορούν τις µέσες ωριαίες τιµές των ωρών µε ηλιοφάνεια (περίπου 07:00 µε 19:00 ανάλογα µε την ηµεροµηνία) των καλοκαιρινών µηνών για τα έτη 2000 έως 2004. Οι κύριοι ρύποι οι οποίοι ελέγχονται και οι τιµές αυτών όπος διατέθηκαν από την αρµόδια υπηρεσία για την περιοχή µελέτης και λαµβάνονται υπ όψιν ως τιµές εισόδου στο σύστηµα που αναπτύχθηκε είναι µη χρονοσηµασµένες σειριακές ωριαίες τιµές για το µονοξείδιο του άνθρακα (CO), το µονοξείδιο του αζώτου (NO), το διοξείδιο του αζώτου (NO 2 ), το όζων (O 3 ),τα αιωρούµενα σωµατίδια PM 10 και οι µετεωρολογικοί παράγοντες της θερµοκρασίας αέρα, της σχετικής υγρασίας, της ηλιακής ακτινοβολίας, της ατµοσφαιρικής πίεσης στην επιφάνια της θάλασσας, της µέσης ταχύτητας του ανέµου καθώς και οι ενδείξεις έντασης ανέµου ως προς την Βορειοδυτική Νοτιοανατολική (u') και Νοτιοδυτική Βορειοανατολική (v') κατεύθυνση.
Μετεωρολογικοί παράγοντες και ατµοσφαιρική ρύπανση Στο φαινόµενο της ατµοσφαιρικής ρύπανσης εκτός από τους ρύπους και τις πηγές τους, συνεισφέρουν σε µεγάλο βαθµό και µετεωρολογικές παράµετροι όπως η ηλιοφάνεια, η ταχύτητα και κατεύθυνση του ανέµου και η ευστάθεια της ατµόσφαιρας. ευτερεύουσας, έµµεσης, σηµασίας παράγοντες είναι η βροχόπτωση, η σχετική υγρασία και ηθερµοκρασία. Η ηλιοφάνεια συντελεί ως καταλύτης στον µετασχηµατισµό των πρωτογενών ρύπων σε δευτερογενείς. Η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ανέµου επηρεάζουν την διασπορά και την µεταφορά των ρύπων. Η ευστάθεια της ατµόσφαιρας λόγω διέγερσης της βαροβαθµίδας και θερµοβαθµίδας της ατµόσφαιρας επηρεάζει επίσης την µεταφορά και τη διασπορά των ρύπων. Η βροχή µεταφέρει και εναποθέτει τους ρύπους στο έδαφος. Η υγρασία δηµιουργεί το φαινόµενο των ατµοσφαιρικών υδρατµών. Ο συνδυασµός θερµοκρασίας και υγρασίας ( είκτης υσφορίας) επιδεινώνει τις συνέπειες και τα προβλήµατα υγείας που προκαλούν πολλοί ατµοσφαιρικοί ρύποι σε άτοµα µε αναπνευστικά ή καρδιολογικά προβλήµατα.
Πολυπρακτορικά ευφυή συστήµατα Έναπολυπρακτορικόσύστηµα (Multi Agent System MAS) είναιένα σύστηµα το οποίο αποτελείται από πολλούς ανεξάρτητους ευφυείς πράκτορες οι οποίοι αλληλεπιδρούν µεταξύ τους µε σκοπό την επίλυση ενός σύνθετου προβλήµατος. Ένας πράκτορας είναι ένα ιδιαίτερο αντικείµενο, αυτόνοµο, µε ατοµική λογική και προσωπική αντίληψη του περιβάλλοντος του, µε χαρακτηριστικά «ατοµικής» συµπεριφοράς η οποία έχει ως σκοπό την επίλυση ενός προβλήµατος µε βάση την ατοµική οπτική του πράκτορα. Είναι δηλαδή µια οποιαδήποτε οντότητα η οποία µπορεί να αντιληφθεί το περιβάλλον της και να δράσει αυτόνοµα µε σκοπό την αλλαγή του. Ένας πράκτορας µπορεί να είναι µια µονάδα λογισµικού (πρόγραµµα), ένα µηχανικό σύνολο που λειτουργεί αυτόνοµα (υλικό) ή να συνδυάζει υλικό και λογισµικό σε µία οντότητα.
Πολυπρακτορικά ευφυή συστήµατα Ένας πράκτορας ονοµάζεται ευφυής όταν ενσωµατώνει χαρακτηριστικά ευφυών υπολογιστικών συστηµάτων, δηλαδή συστηµάτων που επιδεικνύουν χαρακτηριστικά που σχετίζονται µε την ανθρώπινη νοηµοσύνη ή µηχανισµούς έτσι ώστε να διαθέτει ικανότητες όπως: Η εξαγωγή συµπερασµάτων µέσα από αντιφατικά ή ασαφή µηνύµατα. Η επιτυχηµένη ανταπόκριση σε νέες καταστάσεις. Η ικανότητα εφαρµογής της γνώσης για την αλλαγή του περιβάλλοντος. Η ικανότητα αναγνώρισης της σχετικής σηµαντικότητας διαφόρων στοιχείων σε µια κατάσταση. Ένας πράκτορας µπορεί να διαθέτει µια στατική βάση γνώσης και κανόνων και στηριζόµενος σε αυτή να λαµβάνει τις όποιες αποφάσεις (Πράκτορας απλού ανακλαστικού) ή να διαθέτει ενσωµατωµένες τεχνικές µάθησης και να εµπλουτίζει τους µηχανισµούς λήψης αποφάσεων που διαθέτει (Πράκτορας αυτόµατης µάθησης).
Πολυπρακτορικά ευφυή συστήµατα Τα τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να διαθέτει ένας πράκτορας είναι: Αυτονοµία. Ένας πράκτορας λειτουργεί χωρίς την άµεση καθοδήγηση κάποιου χειριστή. Έχει τους δικούς του σκοπούς, λογική και αντίληψη. Αλληλεπίδραση. Ένας πράκτορα αντιλαµβάνεται το περιβάλλον και προσπαθεί να το αλλάξει έτσι ώστε το νέο περιβάλλον να συµφωνεί µ αυτό που ο πράκτορας θεωρεί σωστό και ιδανικό. Κοινωνικότητα. Ο κάθε πράκτορας πρέπει να επικοινωνεί και να συνεργάζεται, αν χρειάζεται, και µε ανθρώπους ή µε άλλους πράκτορες που δρουν στο ίδιο µ αυτόν περιβάλλον. οµηµένη δράση. Οι δράσεις των πρακτόρων δεν αποτελούν αποτέλεσµα απλών δοµών επιλογής. Αντίθετα ο πράκτορας λειτουργεί οδηγούµενος από τους στόχους του και παίρνοντας πρωτοβουλίες για να τους επιτύχει. Επιπλέον χαρακτηριστικά όπως φορητότητα, ικανότητα κατανεµηµένης λειτουργίας, γραφικού περιβάλλοντος και επιλεκτικής λειτουργίας, συναντώνται συχνά σε ευφυείς πράκτορες αλλά η υποστήριξη τους δεν είναι υποχρεωτική.
Οντολογία διαχείρισης πρακτόρων Οι λειτουργίες διαχείριση πρακτόρων έχουν ορισθεί από την FIPA (Foundation for Intelligent Physical Agents) στις αρχές του 2000. Με την έννοια «διαχείριση πρακτόρων» αναφερόµαστε στην µεθοδολογία και στους κανόνες που πρέπει να πληροί και να υποστηρίζει ένας πράκτορας και ένα πολυπρακτορικό σύστηµα προκειµένου να επιτευχθεί η µέγιστη συµβατότητα µεταξύ συστηµάτων. Οντολογία διαχείρισης πρακτόρων
Επικοινωνία µεταξύ πρακτόρων Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να διαθέτει ένα πολυπρακτορικό σύστηµα είναι ένα τυποποιηµένο πρωτόκολλο επικοινωνίας τους. Σε ένα πολυπρακτορικό σύστηµα οι πράκτορες πρέπει να ανταλλάζουν µηνύµατα έτσι ώστε αν κρίνεται απαραίτητο να µπορεί ο ένας να καταλάβει την κατάσταση, θέση ή λειτουργία του άλλου. Η επικοινωνία αυτή πρέπει να γίνεται µε τυποποιηµένο - συντονισµένο τρόπο και προκαθορισµένη γλώσσα. Οι γλώσσες επικοινωνίας πρακτόρων (Agent Communication Languages ACL) δεν αναφέρονται στο περιεχόµενο του µηνύµατος που ανταλλάσσεται µεταξύ τους αλλά µόνο στους κανόνες ανταλλαγής µηνυµάτων. Ορίζουν την επικεφαλίδα του µηνύµατος, τον τρόπο αποστολής και λήψης και το σύστηµα στο οποίο απευθύνονται. Κάθε σύστηµα µπορεί να διαθέτει την δική του γλώσσα επικοινωνίας αρκεί αυτή να ορίζει ότι χρειάζεται για την σωστή ανταλλαγή µηνυµάτων. Προκειµένου όµως να είναι δυνατή η ανάπτυξη ανοικτών και συµβατών συστηµάτων δηµιουργήθηκαν κάποια πρωτόκολλα επικοινωνίας τα οποία φροντίζουν για την οµαλή επικοινωνία των πρακτόρων ανεξάρτητα µε την πλατφόρµα στην οποία αυτοί κατασκευάστηκαν ή εκτελούνται.
Java Agent Development Framework - JADE Για την ανάπτυξη του συστήµατος παρακολούθησης και επέµβασης στο πρόβληµα της ατµοσφαιρικής ρύπανσης µε το οποίο ασχοληθήκαµε στην παρούσα διατριβή χρησιµοποιήθηκε η πλατφόρµα JADE. Παρουσιάστηκε το 1998 από την Telecom Italia µε σκοπό τον έλεγχο και τη δοκιµή των πρώτων προδιαγραφών της FIPA για τα πολυπρακτορικά συστήµατα. Είναι πλήρως συµβατή µε όλες τις προδιαγραφές της FIPA και µπορεί να συνυπάρξει και να λειτουργήσει µαζί µε άλλα συµβατά συστήµατα. ιαθέτει έτοιµες λειτουργίες ευρετηρίου (DF), διαχείρισης πρακτόρων (AMS), µετάδοσης µηνυµάτων (MTS), δηµόσιας περιγραφής πράκτορα, και περιγραφής λειτουργιών πράκτορα. Έχει γραφικό περιβάλλον και επιτρέπει την ανάπτυξη πρακτόρων οι οποίοι θα ενσωµατώνουν όλες τις δυνατότητες της γλώσσας Java χωρίς να περιορίζει τις λειτουργίες τους σε κάποιο υποσύνολο εντολών αυτής. Υποστηρίζει εκδόσεις της Java όπως οι Java 2 Micro Edition, PersonalJava και MIDP οπότε οι επιµέρους πράκτορες, µπορούν να εκτελούνται και σε συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα, προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί (PDA) και palmtops ανεξάρτητα από τον τρόπο και τον τύπο της µεταξύ τους δικτύωσης.
Συµπεριφορές των πρακτόρων σε JADE Είδαµε ότι ο κάθε πράκτορας έχει ως σκοπό την τροποποίηση του περιβάλλοντος του έτσι ώστε αυτό να ικανοποιεί τούς στόχους του. Η όλη αυτή διαδικασία στο JADE γίνεται µε την υιοθέτηση της λογικής των συµπεριφορών (behaviour). Κάθε πράκτορας ενσωµατώνει ένα αριθµό από συµπεριφορές οι οποίες προσπαθούν να εκτελέσουν κάποιες λειτουργίες. Οι λειτουργίες µε την σειρά τους είναι φτιαγµένες έτσι ώστε εκτελώντας τις κατάλληλες εντολές να επιφέρουν το επιθυµητό αποτέλεσµα. Οι συµπεριφορές που ενσωµατώνει ο κάθε πράκτορας είναι ανεξάρτητες και η µεταξύ τους επικοινωνία ή η σειρά και ο τρόπος εκτέλεσης είναι επιλογή του προγραµµατιστή του πράκτορα. Οι συµπεριφορές χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες. Στις Συµπεριφορές Απλής Εκτέλεσης (One shot behaviour), στις Κυκλικές Συµπεριφορές (cyclic behaviour) και στις Συµπεριφορές Γενικού Τύπου (generic behaviour). Η πλατφόρµα JADE διαθέτει τις απαραίτητες βιβλιοθήκες µε αντικείµενα τα οποία χειρίζονται τις βασικές λειτουργίες και χαρακτηριστικά των συµπεριφορών και κάθε συµπεριφορά πράκτορα αποτελεί επέκταση των αντικειµένων αυτών.
Ασαφή Άλγεβρα Ένα από τα µεγαλύτερα προβλήµατα που αντιµετωπίζουν τα συστήµατα λήψης αποφάσεων ή υποστήριξης και εκτίµησης κινδύνου είναι ο ακριβής καθορισµός των ορίων µε βάση τα οποία θα διαχωρίσουν καταστάσεις. H ΕΕ έχει θεσπίσει όριο επιφυλακής σχετικά µε την συγκέντρωση διοξειδίου του αζώτου τα 200µg/m3. Το άµεσο ερώτηµα που τίθεται βλέποντας αυτή τη τιµή είναι ο χαρακτηρισµός της συγκέντρωσης των 199µg/m3. Είναι δυνατόν µια τόσο µικρή διαφοροποίηση στη συγκέντρωση να οδηγεί µονοσήµαντα σε διαφορετικό χαρακτηρισµό της κατάταξης; Το παραπάνω πρόβληµα µπορεί να επιλυθεί µέσω της αναπαράστασης των εννοιών του πραγµατικού κόσµου µε χρήση εννοιών ασαφούς λογικής. Η ασαφής λογική (fuzzy logic) είναι µια επέκταση της κλασσικής αριστοτέλειας λογικής. Μια πρόταση µπορεί να είναι αληθής "µε κάποιο βαθµό αληθείας", και όχι απλά αληθής ή ψευδής. Με απλά λόγια, η ασαφής λογική λέει ότι τα πράγµατα συχνά δεν είναι «άσπρο-µαύρο» αλλά «αποχρώσεις του γκρι». Η ιδέα αυτή απετέλεσε επανάσταση στη θεωρία της λογικής, γιατί ξέφυγε από το µοντέλο που κυριαρχούσε εδώ και 2500 χρόνια, δηλαδή το µοντέλο του, «αληθές-ψευδές».
Ασαφή Άλγεβρα Η ασαφής λογική προτάθηκε από τον Zadeh το 1969 για να ξεπεραστεί πλέον η άποψη πως οτιδήποτε λέγεται σχετικά µε κάτι είναι απόλυτα αληθές ή απόλυτα ψευδές. O Zadeh ισχυρίστηκε ότι µπορούµε να αντιληφθούµε µια δήλωση σαν 0.70 αληθή ή αλλιώς «αληθής µε βαθµό µέλους 0.7». Αν προσπαθήσουµε να µοντελοποιήσουµε και να απεικονίσουµε την κλίµακα θερµοκρασίας από -10oC έως 30oC στα τέσσερα ασαφή σύνολα «κρύο», «ψυχρό», «θερµό» και «ζεστό» µε χρήση τριγωνικής συνάρτησης η γραφική παράσταση των συνόλων θα είναι η εξής:
Πρότυπο λήψης αποφάσεων και Ασαφή Άλγεβρα Το δίκτυο ευφυών πρακτόρων που αναπτύχθηκε υιοθετεί ένα ευφυές, καινοτόµο πρότυπο σε επίπεδο πρακτόρων αξιολόγησης του περιβάλλοντος και πρακτόρων λήψης αποφάσεων το οποίο θα περιγραφεί παρακάτω. Για την εκτίµηση του κινδύνου εξαιτίας των παραγόντων που εξετάζουµε υιοθετήσαµε την λογική των τριών ασαφών συνόλων, Normal, High και Critical. Για κάθε παράγοντα το ασαφές σύνολο Normal αφορά τιµές από την ελάχιστη δυνατή µέχρι την τιµή για την οποία δεν απαιτείται η λήψη κάποιων µέτρων. Το ασαφές σύνολο High αναπαριστά τις τιµές για τις οποίες το σύστηµα πρέπει να επέµβει εξετάζοντας και άλλους παράγοντες ή να προτείνει κάποια προληπτικά µέτρα, αλλά δεν βρίσκονται στα όρια συναγερµού. Τέλος, το ασαφές σύνολο Critical αφορά τιµές των παραγόντων για τις οποίες αρχίζει να εµφανίζεται άµεσος κίνδυνος για την υγεία ή το περιβάλλον και το σύστηµα πρέπει να προτείνει, σε συνδυασµό µε τους συνδεδεµένους παράγοντες, άµεσα µέτρα και προτάσεις για την προστασία του πληθυσµού καθώς και τον περιορισµό και άµβλυνση του φαινοµένου.
Πρότυπο λήψης αποφάσεων και Ασαφή Άλγεβρα Οι βαθµοί µέλους στα ασαφή σύνολα Normal και Critical υπολογίζονται µε χρήση Ηµίτραπεζοειδών συναρτήσεων βαθµού µέλους ενώ το ασαφές σύνολο High υπολογίζεται µε χρήση τριγωνικής συνάρτησης. Η δοµή και η σχέση των τριών ασαφών συνόλων είναι η εξής.
Πρότυπο λήψης αποφάσεων και Ασαφή Άλγεβρα Τα όρια των συναρτήσεων ανά ρύπο ή µετεωρολογικό παράγοντα είναι τα: Παράγοντας a b c d e f g Μονάδα Temperature 20 30 20 30 38 30 38 o C CO 1 2.5 1 2.5 4 2.5 4 mgr -3 NO 18 83 18 83 148 83 148 µgr -3 NO2 50 130 50 130 200 130 250 µgr -3 O3 80 120 80 120 210 120 280 µgr -3 pm10 30 67 30 67 79 67 90 µgr -3 Air Pressure 950 1025 950 1025 1200 1026 1200 hpa R. Humidity 30 50 30 50 70 50 70 % Solar radiat. 250 530 250 530 810 530 810 Wm -2 Wind Speed 1.8 3.6 1.8 3.6 5.4 3.6 5.4 ms -1 Wind u 20 28 20 28 36 28 36 ms -1 Wind v 20 28 20 28 36 28 36 ms -1
Απαιτήσεις πληροφοριακού συστήµατος ευφυών πρακτόρων Το υπό ανάπτυξη σύστηµα εκτός από την ανάγκη να είναι συµβατό µε τις προδιαγραφές ενός σύγχρονου πολυπρακτορικού συστήµατος πρέπει λόγω της πολυπλοκότητας του προβλήµατος που προσεγγίζει να πληροί και κάποιες ακόµα προϋποθέσεις. Οι βασικότερες από αυτές είναι οι παρακάτω. Τα δοµικά του συστατικά και οι πράκτορες του συστήµατος θα εκτελούνται σε αποµακρυσµένους σταθµούς ενός κατανεµηµένου δικτύου υπολογιστών µιας και οι είσοδοι του συστήµατος (σταθµοί µέτρησης ρύπων), το κέντρο λήψης και ελέγχου αποφάσεων (Πολιτική Προστασία) και τα σηµεία εφαρµογής τον αποφάσεων (Τροχαία, Νοσοκοµεία) βρίσκονται σε διαφορετικούς χώρους. Χρήση όσο το δυνατόν µικρότερων και µη οµαδοποιηµένων λειτουργικών µονάδων έτσι ώστε εκτός από την καλύτερη κατανεµηµένη λειτουργία και φορητότητα του συστήµατος να µπορούµε να αποφύγουµε την πολλαπλή εµφάνιση πρακτόρων ως τµήµατα διαφορετικών µονάδων λήψης αποφάσεων.
Απαιτήσεις πληροφοριακού συστήµατος ευφυών πρακτόρων Τµήµατα του συστήµατος θα πρέπει να µπορούν να εκτελεστούν σε φορητές συσκευές µειωµένων δυνατοτήτων όπως κινητά τηλέφωνα και προσωπικοί ψηφιακοί βοηθοί µε σκοπό την λήψη αποφάσεων ή/και άµεση ενηµέρωση στα σηµεία µετρήσεων ή εφαρµογής των αποφάσεων. Παρόλη την κατανεµηµένη δοµή και λειτουργία του συστήµατος θα πρέπει να υπάρχει κεντρικός εποπτικός έλεγχος λειτουργίας και διαθεσιµότητας δεδοµένων. Ανεξάρτητα από τη πλατφόρµα και την περιοχή εκτέλεσης κάθε τµήµατος του συστήµατος όλα τα δεδοµένα του θα πρέπει να βρίσκονται και κεντρικά αποθηκευµένα ώστε να υπάρχουν διαθέσιµα σε πρώτη ζήτηση. Το σύστηµα θα πρέπει να λειτουργεί ταυτόχρονα µε ασαφή και αλγεβρική λογική έτσι ώστε αφενός να µπορεί να πάρει αποφάσεις βασιζόµενο σε κανόνες ασαφούς λογικής και αφετέρου να µπορεί να επεξεργαστεί και να χρησιµοποιήσει τις πραγµατικές τιµές των δεδοµένων όταν αυτές πρέπει να εισαχθούν σαν µεταβλητές σε συναρτήσεις.
Απλό σύστηµα επεξεργασίας περιβαλλοντικών δεδοµένων Σύµφωνα µε την βασική λογική των πρακτόρων και την δοµή ενός Πράκτορας απλού ανακλαστικού το πολυπρακτορικό σύστηµα το οποίο είναι σε θέση να µελετά περιβαλλοντικά δεδοµένα µε σκοπό να πάρει αποφάσεις και να επιδράσει στο περιβάλλον θα έχει την εξής δοµή:
Απλό σύστηµα επεξεργασίας περιβαλλοντικών δεδοµένων Το παραπάνω γενικό πρότυπο δεν ικανοποιούσε τις ανάγκες µας για τους εξής κύριους λόγους. Οι πράκτορες ενσωµατώνουν όλες τις λειτουργίες τους σε µία οντότητα και είναι πολύ µεγάλοι και σύνθετοι µε αποτέλεσµα να µην µπορούν να εκτελεστούν σε συστήµατα περιορισµένων δυνατοτήτων όπως φορητές συσκευές κτλ. Πολλά από τα τµήµατα που ενσωµατώνει ένας πράκτορας πρέπει να επαναλαµβάνονται όταν είναι απαραίτητα ή χρήσιµα και σε άλλους πράκτορες. Στην παρούσα υλοποίηση πρέπει να υπάρχουν πολλοί αισθητήρες για την χρήση ενός από κάθε πράκτορα µιας και αυτός αποτελεί τµήµα του πράκτορα. εν υπάρχει µια συνολική έκφραση του περιβάλλοντος παρά µόνο αν υπάρχει ένας πράκτορας ο οποίος θα ενσωµάτωνε τις πηγές πληροφορίας όλων των επιµέρους πρακτόρων µε αποτέλεσµα να έχει τεράστιο µέγεθος. Τα σηµεία λήψης µετρήσεων διαφέρουν από τα κέντρα λήψης αποφάσεων ή τροποποίησης του περιβάλλοντος µε αποτέλεσµα την απαραίτητη χρήση ενός κατανεµηµένου συστήµατος αντί ενός συγκεντρωτικού.
Κατανεµηµένο πολυπρακτορικό σύστηµα Με στόχο την ικανοποίηση των απαιτήσεων µας και λαµβάνοντας υπ όψιν τα προβλήµατα του απλού συστήµατος, σχεδιάσαµε το παρακάτω κατανεµηµένο πολύπρακτορικό σύστηµα:
Κατανεµηµένο πολυπρακτορικό σύστηµα Το νέο σύστηµα διατηρεί όλα τα λειτουργικά τµήµατα του απλού συστήµατος επεξεργασίας περιβαλλοντικών δεδοµένων αλλά αυτά πλέον αυτονοµούνται µε σκοπό την καλύτερη και πιο ολοκληρωµένη συνεργασία µεταξύ τους. Τα συστατικά και οι πράκτορες του συστήµατος µπορούν να εκτελούνται σε αποµακρυσµένους σταθµούς ενός δικτύου. Η διάσπαση των πρακτόρων σε τους δίνει τη δυνατότητα να εκτελεστούν σε φορητές συσκευές µειωµένων δυνατοτήτων. Επιτυγχάνεται χρήση όσο το δυνατόν µικρότερων και µη οµαδοποιηµένων λειτουργικών µονάδων ούτως ώστε να αποφύγουµε την πολλαπλή εµφάνιση πρακτόρων ως τµήµατα διαφορετικών µονάδων λήψης αποφάσεων. Παρόλη την κατανεµηµένη δοµή και λειτουργία του συστήµατος επιτυγχάνεται κεντρικός εποπτικός έλεγχος λειτουργίας και διαθεσιµότητας δεδοµένων. Το σύστηµα µπορεί να λειτουργεί ταυτόχρονα µε ασαφή και µε αλγεβρική λογική µιας και κάθε πράκτορας είναι ανεξάρτητος και αντιλαµβάνεται το περιβάλλον του µε διαφορετικό τρόπο.
Πράκτορες αντίληψης περιβάλλοντος Πρώτο επίπεδο πρακτόρων είναι οι Πράκτορες Αντίληψης Περιβάλλοντος. Οι πράκτορες αυτοί διαβάζουν τις τιµές των παραµέτρων και να τις κάνουν διαθέσιµες στο σύστηµα. Η δοµή και τα συστατικά στοιχεία τους φαίνονται παρακάτω:
Πράκτορες Αξιολόγησης µετρήσεων Το επόµενο επίπεδο πρακτόρων είναι οι Πράκτορες Αξιολόγησης Μετρήσεων οι οποίοι φροντίζουν για την ανάγνωση των µετρήσεων από τους ΠΑΠ, την επεξεργασία τους µε βάση την λογική τους και την αποστολή στο σύστηµα της fuzzy εικόνας του περιβάλλοντος που αυτοί αντιλαµβάνονται.
Πράκτορας διαχείρισης συστήµατος Στο επόµενο επίπεδο συναντάµε τον Πράκτορα ιαχείρισης Συστήµατος ο οποίος φροντίζει για τον σωστό συγχρονισµό των επιµέρους πρακτόρων, για την αποθήκευση και διάθεση των µεταβλητών του περιβάλλοντος, καθώς και για την συνολική αναπαράσταση της κατάστασης του περιβάλλοντος.
Πράκτορας ελέγχου δείκτη δυσφορίας Η δοµή και οι λειτουργίες του πράκτορας λήψης αποφάσεων (ΠΛΑ) που εξετάζει και προτείνει δράσεις σχετικά µε τον είκτη υσφορίας φαίνονται παρακάτω.
Πράκτοραςελέγχουσυγκέντρωσης NO 2 Η δοµή και οι λειτουργίες του ΠΛΑ που εξετάζει το ΝΟ 2 και προτείνει δράσεις σχετικά περιορισµό της κυκλοφορίας των οχηµάτων φαίνονται παρακάτω.
ΠΕΥΑ ελέγχου κυκλοφοριακού δακτυλίου Αθήνας Η δοµή και οι λειτουργίες του ΠΕΥΑ που ελέγχει τους ΠΛΑ και εφαρµόζει τις δράσεις σχετικά περιορισµό της κυκλοφορίας των οχηµάτων φαίνονται παρακάτω.
Γραφικό περιβάλλον αλληλεπίδρασης Όλοι οι πράκτορες που αναπτύχθηκαν για την υλοποίηση του συγκεκριµένου πληροφοριακού συστήµατος διαθέτουν σύγχρονο και φιλικό γραφικό περιβάλλον αλληλεπίδρασης και επικοινωνίας µε τον χρήστη (GUI) το οποίο έχει σκοπό την παροχή πληροφοριών για την κατάσταση του περιβάλλοντος, την λειτουργική κατάσταση του συστήµατος και τις αποφάσεις που λαµβάνονται. Τα µηνύµατα που ανταλλάσσει κάθε πράκτορας, οι µετασχηµατισµοί που κάνει στα δεδοµένα καθώς και οι αποφάσεις που παίρνει, εµφανίζονται και στο παράθυρο εντολών (command prompt) το οποίο ενεργοποιείται αυτόµατα για κάθε πράκτορα. Οι πράκτορες αισθητήρες και οι πράκτορες αξιολόγησης του περιβάλλοντος είναι δυνατόν να ενεργοποιηθούν χωρίς το γραφικό τους περιβάλλον και η επικοινωνία µε τον χρήστη να γίνεται µόνο µέσω της γραµµής εντολών. Η δυνατότητα αυτή δεν παρέχεται στον κεντρικό πράκτορα του συστήµατος, στους πράκτορες λήψης αποφάσεων και στους πράκτορες υλοποίησης και εφαρµογής αποφάσεων µιας και η λειτουργία τους βασίζονται στον εποπτικό έλεγχο και την αλληλεπίδραση.
Εκτέλεση και λειτουργία του συστήµατος Η εκτέλεση, η λειτουργία και η επίδειξη του συστήµατος ακολουθεί.
Αποτελέσµατα εκτέλεσης Η πιλοτική εκτέλεση του συστήµατος διήρκεσε περίπου 14 ώρες. εν υπήρξε ταυτόχρονη ολοκλήρωση της επεξεργασίας όλων των µεταβλητών εισόδου µιας και η µεταβολή του χρόνου ανάγνωσης και επεξεργασίας των δεδοµένων λόγο της µεταβολής του χρόνου ανάγνωσης των δεδοµένων. Οι πράκτορες αντίληψης της ηλιακής ακτινοβολίας και της θερµοκρασίας ήταν οι πρώτοι που ολοκλήρωσαν την επεξεργασία των δεδοµένων. Οι πράκτορες αντίληψης της ατµοσφαιρικής πίεσης και του µονοξειδίου του άνθρακα ήταν οι τελευταίοι. Η διαφοροποίηση αυτή δεν εξυπηρετεί σε περίπτωση ιστορικών στοιχείων όπως αυτή η οποία εξετάσαµε σε αυτή την πιλοτική εφαρµογή αλλά υιοθετείται για τον έλεγχο του συστήµατος µιας και αυτό είναι σχεδιασµένο για να λειτουργεί µε πραγµατικά δεδοµένα σε πραγµατικό χρόνο.
Αποτελέσµατα εκτέλεσης Τα µηνύµατα που ανταλλάχθηκαν µεταξύ των πρακτόρων ξεπερνούν συνολικά τα δύο εκατοµµύρια µηνύµατα!! Ο πράκτορας διαχείρισης συστήµατος αντάλλαξε συνολικά 895.000 µηνύµατα ελέγχου, ανάγνωσης τιµών, αποστολής τιµών και συγχρονισµού. Ο πράκτορας ελέγχου του δείκτη δυσφορίας αντάλλαξε περίπου 220.000 µηνύµατα. Οι δώδεκα πράκτορες αισθητήρες αντάλλαξαν κατά µέσω όρο 19.500 µηνύµατα ο καθένας µε µεγάλη διαφοροποίηση στους πράκτορες που άλλαζαν συχνά interval time. Οι πράκτορες αξιολόγησης µετρήσεων αντάλλαξαν κατά µέσω όρο 45.000 µηνύµατα µε διαφοροποίησης στους πράκτορες θερµοκρασίας σχετικής υγρασίας λόγω του ότι αυτοί οι δύο εκτός από το σύστηµα έχουν και άµεση επικοινωνία µε τον πράκτορα υπολογισµού του δείκτη δυσφορίας.
Αποτελέσµατα εκτέλεσης Στα παραπάνω νούµερα δεν υπολογίζονται τα µηνύµατα ελέγχου που στέλνει η πλατφόρµα στις λειτουργικές της µονάδες. Ο µέσος όρος ανταλλαγής µηνυµάτων µεταξύ των πρακτόρων και της πλατφόρµας είναι περίπου 35 µηνύµατα το δευτερόλεπτο. Με αυτόν το ρυθµό το σύστηµα ολοκλήρωσε την επεξεργασία των 4234 µετρήσεων χωρίς καµία δυσλειτουργία, καµία χαµένη ή µη αναγνωσµένη τιµή και χωρίς καµία αποσύνδεση πράκτορα. Σε συνθήκες κανονικής λειτουργίας µε το interval time των πρακτόρων στα 30 ή 60 λεπτά ο µέσος όρος αυτός θα µειωθεί σε λιγότερο από ένα µήνυµα το δευτερόλεπτο πράγµα το οποίο µας εγγυάται ένα πλήρως αξιόπιστο σύστηµα.
Αποτελέσµατα εκτέλεσης Μετά την επεξεργασία του συνόλου των 4233 εγγραφών δεδοµένων Ο πράκτορας ελέγχου του δείκτη δυσφορίας προχώρησε σε υπολογισµό του δείκτη τις 4123 φορές µιας και τις υπόλοιπές 109 και οι δύο παράγοντες βρίσκονταν σε κατάσταση «Normal». Από τις 4123 περιπτώσεις τις 1958 προέκυψε να είναι µεγαλύτερος από την θερµοκρασία του αέρα ενώ σε 2165 φορές προέκυψε µικρότερος. Σε 1256 περιπτώσεις ο δείκτης βρισκόταν σε κατάσταση «Slightly Uncomfortable» Σε 119 περιπτώσεις βρίσκονταν σε κατάσταση «Uncomfortable» µε άµεση ανάγκη για λήψη µέτρων προστασίας ειδικών οµάδων πληθυσµού. Ο πράκτορας ελέγχου της συγκέντρωσης του διοξειδίου του αζώτου και έλεγχου της κυκλοφορίας εντόπισε πέντε υπερβάσης του ορίου επιφυλακής. Υπέρβαση του ορίου συναγερµού υπήρξε τέσσερις φορές.
Συµπεράσµατα, επέκταση της εφαρµογής Η τεχνολογία των πολυπρακτορικών συστηµάτων είναι µια νέα πολλά υποσχόµενη τάση στο σχεδιασµό πληροφοριακών συστηµάτων την οποία χρησιµοποιήσαµε για να αναπτύξουµε ένα πληροφοριακό σύστηµα αξιολόγησης σύνθετων περιβαλλοντικών προβληµάτων. Συνδυάσαµε τεχνικές ασαφούς λογικής και ευφυών πρακτόρων µε σκοπό την επιλογή δράσεων και αποφάσεων προς την κατεύθυνση της αντιµετώπισης του προβλήµατος της ατµοσφαιρικής ρύπανσης και ελέγξαµε την όλη υλοποίηση τροφοδοτώντας τη µε πραγµατικά δεδοµένα από το κέντρο της Αθήνας. Το σύστηµα δεν παρουσίασε κανένα πρόβληµα λειτουργίας ή επικοινωνίας µεταξύ των πρακτόρων και ολοκλήρωσε την επεξεργασία του συνόλου των ιστορικών δεδοµένων προτείνοντας δράσεις κάθε φορά που υπήρχε υπέρβαση των δεδοµένων τα οποία εξετάζονταν. Έχοντας πλέον µια σταθερή και ανοικτή πλατφόρµα το αµέσως επόµενο στάδιο είναι η κατασκευή των υπολοίπων πρακτόρων λήψης αποφάσεων και η εφαρµογή του συστήµατος σε πραγµατικό περιβάλλον το οποίο θα τροφοδοτείται από δεδοµένα σε πραγµατικό χρόνο και θα αποφασίζει άµεσα για τα προβλήµατα τα οποία θα παρουσιάζονται.