Arquitecturas Centralizadas de Coordinación. Extrapolación del Fútbol de Robots al Control de Modo de Operaciones de Micro-Redes

Resumo

[EN] Coordination architectures in multi-agent systems represent an important topic, due to the agents must be organized in order to get a specific objective. In these kinds of systems, robot soccer is shown as an environment with a common frame for research in team coordination. The importance of these kinds of architectures is that the application in other kinds of systems which require coordination. An islanded micro-grid corresponds to a system which can be modeled as multi-agent system, where the distributed energy resources are modeled as agents are coordinated in order to protect the batteries of the energy storage systems, maintaining the common bus regulation. One way to do this throughout coordination strategies, which allow assigning roles and behaviors to the agents, depending on the system conditions. Likewise, the agents must show collaborative behaviors such as making passes in robot soccer, or the equalization of the state of charge for distributed energy storage systems, in order to obtain better results. Multi-agent systems such as robot soccer, that show uncertainties in a hostile environment, require team coordination in order to reach a common goal. One way to achieve this goal is by coordination strategies, which allow role assignment and behavior selection to the players depending on the game conditions. These strategies can present cooperative behaviors among players such as ball passes, in order to obtain better scores against an opponent team. One alternative is the design of hierarchical coordination strategies for an adequate tactic selection, roles assignment and subsequently behavior selection to the players. To this end, one possibility is to use Hierarchical Finite States Machines, due to those allow more flexible and adaptable programming, with a possibility to make changes or modifications. This allows the design of team strategies by an intuitive way according to the control architecture and the rules and specifications of the league where the team plays, in turn performing collaborative behaviors among the players. In this doctoral dissertation are proposed coordination strategies to robot soccer teams, based on tactics, dynamical role assignment and behaviors selection through the use of Finite States Machines, oriented to team architectures with centralized control and global perception. These strategies must allow an intuitive design depending on the team specifications and the rules of the league. These strategies must allow flexibility and adaptability to the necessary changes, such as the number of players, dimensions of the playing field or other changes in the league`s rules. The strategies must be show an adequate response to the failures and allow cooperative behaviors among their players. Lastly, this dissertation presents a structured architecture based on tactics, roles and behaviors for the coordinated operation of islanded microgrids. This grid architecture takes the form of a multi-agent system, and the energy storage and generation units are the team agents. The control strategy is based on the robot soccer strategies presented in this dissertation, which are designed for systems with global perception and centralized control, and in turn determines the changes among operation modes for the distributed energy resources in an islanded microgrid. [ES] Arquitecturas de coordinación en sistemas multi-agente representa un tópico importante, ya que en este tipo de sistemas los agentes deben ser organizados con el fin de obtener un objetivo específico. Dentro de este tipo de sistemas el fútbol de robots se presenta como un entorno que ofrece un marco común para realizar investigaciones en temas relacionados con temas de coordinación de equipo. La importancia de este tipo de arquitecturas radica en su aplicación en otro tipo de ambientes que requieran coordinación. Un sistema que permite este tipo de aplicaciones consiste en una micro-red eléctrica aislada, donde se modelan las fuentes de energía distribuida como agentes que deben ser coordinados con el fin de proteger las baterías de los sistemas de almacenamiento de energía, manteniendo la regulación del bus común. Una forma de conseguir esto es a través de estrategias de coordinación, las cuales permiten asignar roles y comportamientos a los agentes de la forma más adecuada, dependiendo de las condiciones del sistema. Así mismo, también deben presentar comportamientos colaborativos entre los agentes como la realización de pases en el fútbol de robots o la ecualización del estado de carga de las baterías, con el fin de obtener mejores resultados. Una posibilidad para llevar a cabo esta colaboración entre agentes es el diseño de estrategias de coordinación a través de sistemas jerárquicos para la selección de una adecuada táctica. Adicionalmente se debe permitir la asignación de roles y posteriormente la selección de comportamientos de los agentes. Para esto, una alternativa es el uso de Máquinas Jerárquicas de Estado Finito, ya que presentan flexibilidad y adaptabilidad en su programación, siendo fácilmente expandibles a cambios y modificaciones, permitiendo con esto el diseño de estrategias de coordinación de equipo de manera intuitiva acorde con la arquitectura del equipo y los reglamentos de las ligas donde se compita, y a su vez, que permita también el diseño de comportamientos colaborativos entre sus jugadores. En esta tesis doctoral se proponen estrategias de coordinación para fútbol de robots, mediante la selección de tácticas, la asignación dinámica de roles y la selección de comportamientos, usando Máquinas de Estado Finito, enfocándose en el diseño de arquitecturas de equipo que presentan percepción global y control centralizado, y que permitan un diseño intuitivo dependiendo de las especificaciones de los equipos y de la liga en la que se compite. Estas estrategias deben permitir mayor flexibilidad y adaptabilidad frente a posibles cambios, como por ejemplo en el número de jugadores por equipo, en las dimensiones del campo de juego, o en el reglamento de la correspondiente liga. Igualmente deben poseer robustez ante posibles fallos o perturbaciones, permitiendo también comportamientos colaborativos entre sus integrantes. Finalmente se presenta una propuesta para el control del modo de operación de una micro-red aislada, presentando una arquitectura de red como sistema multi-agente, donde las unidades de almacenamiento y generación de energía son los agentes del equipo, y proponiendo una estrategia de control basada en tácticas, roles y comportamientos. Esta arquitectura está basada en las estrategias de fútbol de robots aportadas en esta tesis y las cuales son diseñadas para sistemas con percepción global y control centralizado, que determina los cambios en el modo de operación para las fuentes distribuidas de energía en la micro-red. [CAT] Arquitectures de coordinació en sistemes multi-agent representa un tòpic important, perquè en aquest tipus de sistemes els agents deuen organitzar-se per a obtindre un objectiu específic. Dins d'aquest tipus de sistemes, el futbol de robots es presenta com un entorn que ofereix un marc comú per a realitzar investigacions en temes relacionats amb la coordinació d'equips. La importància d'aquest tipus d'arquitectures radica en la seua aplicació en altre tipus d'entorns que requereixin coordinació. Un sistema que permet aquest tipus d'aplicació consisteix en una micro-xarxa elèctrica aïllada, a on es modelitzen les diferents fonts d'energia distribuïdes com agents que deuen ser coordinats per a protegir les bateries dels sistemes de acumulació de energia, mantenint la regulació del bus comú. Una manera d'aconseguir això es mitjançant estratègies de coordinació, que permeten assignar papers i comportaments als agents de la millor forma, en funció de las condicions del sistema. Així mateix, també deuen presentar comportaments col·laboratius entre els agents la realització de passes de futbol de robots o la equalització de la carga de les bateries, amb la finalitat d'obtindre millor resultats. Una possibilitat per a aconseguir aquesta col·laboració entre els agents és el disseny d'estratègies de coordinació mitjançant sistemes jeràrquics per a la selecció d'una tàctica adequada. Addicionalment s'ha de permetre l'assignació de rols i, posteriorment, la selecció de comportaments dels jugadors del equip. Per a açò, una alternativa es l'ús de Màquines Jeràrquiques d'Estat Finit, ja que presenten flexibilitat i adaptabilitat en la seua programació fent que siguin fàcilment expansibles a canvis i modificacions, permetent el disseny d'estratègies de coordinació d'equip de manera intuïtiva relacionant-se amb l'arquitectura de l'equip i el reglament de les lliga en la que estiguin competint, al mateix temps permetent el disseny de comportaments de col·laboració entre els jugadors. En aquesta tesis doctoral es proposen estratègies de coordinació per a futbol de robots, mitjançant la selecció de tàctiques, l'assignació dinàmica de rols y la selecció de comportaments, utilitzant Màquines d'Estat Finit, enfocant-se en el disseny d'arquitectures d'equip que presenten percepció global y control centralitzat, i que puguin permetre un disseny intuïtiu depenent de les especificacions dels equips y de la lliga en la que es competeix. Aquestes estratègies han de permetre major flexibilitat i adaptabilitat davant possibles canvis com podrien ser el nombre de jugadors per equip, les dimensions del camp o el reglament de la corresponent lliga. D'igual manera han de tindre robustesa davant possibles fallades o pertorbacions, permetent també comportaments d'aspecte col·laboratiu entre els seus integrants. En aquesta tesis, finalment es presenta un a proposta per al control del mode d'operació d'una micro-xarxa aïllada, presentant una arquitectura de xarxa com a sistema multi-agent, on les unitats d'emmagatzemament i generació d'energia són els agents del equip, i proposant una estratègia de control basada en tàctiques, rols i comportaments. Aquesta arquitectura està basada en les estratègies de futbol de robots aportades en aquesta tesis i que son dissenyades per a sistemes amb percepció global i control centralitzat, el qual determina els canvis en la forma d'operació per a les fonts distribuïdes d'energia en la micro-xarxa.