Ανάπτυξη κατανεμημένου δικτύου ευφυών πρακτόρων υβριδικής νόησης, για την ανάλυση – παρακολούθηση περιβαλλοντικών προβλημάτων με σκοπό τη διαχείρισή τους σε πραγματικό χρόνο

Abstract

The process of analyzing, monitoring and managing complex environmental problems, has often led to the modeling and development of complex, monolithic systems strictly oriented towards a specific narrow approach. The main reason for this is the complexity and nonlinearity of environmental problems, which specifically requires the adoption of Soft Computing methods.The aim of this thesis is to develop new algorithms and hybrid approach standards that will lead to the design and implementation of an integrated innovative intelligent computational Intelligence system. The system will use state of the art technologies and will have the capacity of modeling, analyzing real time monitoring and control, of a wide range of complex and crucial environmental cases through a perpetual two-way process.The system modifies the environment through actions that it imposes, but then again the environment offers new stimuli that determine the need for new actions by the system. So through this bidirectional feed, a real time continuous monitoring and addressing of contemporary environmental problems is achieved. The object-oriented multiparametric system comprises of a large layered network of independent intelligent hybrid cognitive agents. These agents are invited to receive various real time stimuli from the environment, to calculate and process complex data and parameters on a second level, to implement Fuzzy Logic models that will enable understanding of real world concepts and to pay Mathematical meaning in Linguistics. Finally, they are invited to use a complex set of rules in order to choose actions that modify the environment, aiming to solve the current problem. In addition, another set of agents, facilitates the modeling of the problem, as well as the development and use of competitive neural networks ensembles, that achieve the forecasting of the evolution of the phenomenon and ensure the real time function even in cases of large loss of primary data. Finally, on another level, there are intelligent agents that control the proper functioning of the system and ensure early detection of potential malfunctions.The distributed and modular structure of the system, in conjunction with the encorporated Database, enables its interface with existing systems and/or its easy potential expansion for a wide variety of potential problems. The functionality and efficiency of the system was tested and validated in three independent environmental problems of different nature and orientation in the framework of two Major, distinct competitive research projects, under the National Strategic Framework of Development (ESPA) (Cooperation) and (Enforcement of Small Medium Enterprises).

Η διαδικασία ανάλυσης, παρακολούθησης και διαχείρισης πολύπλοκων περιβαλλοντικών προβλημάτων, έχει σε πλείστες όσες περιπτώσεις οδηγήσει στην μοντελοποίηση και στην ανάπτυξη σύνθετων, μονολιθικών συστημάτων αυστηρώς προσανατολισμένων σε μια συγκεκριμένη λογική αντιμετώπισης, με πολύ περιορισμένο πεδίο εφαρμογής. Κύριος λόγος της προσέγγισης αυτής είναι η πολυπλοκότητα και η μη γραμμικότητα των περιβαλλοντικών προβλημάτων η οποία απαιτεί την υιοθέτηση μεθόδων Ήπιας Υπολογιστικής. Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη νέων αλγορίθμων και προτύπων υβριδικής προσέγγισης, μέσω των οποίων επιτυγχάνεται η σχεδίαση και υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου καινοτόμου ευφυούς πληροφοριακού συστήματος Υπολογιστικής Νοημοσύνης. Το εν λόγω σύστημα χρησιμοποιεί τεχνολογίες αιχμής και έχει τη δυνατότητα της μοντελοποίησης, ανάλυσης, παρακολούθησης και διαχείρισης σε πραγματικό χρόνο, μεγάλου εύρους σύνθετων περιβαλλοντικών προβλημάτων μέσα από μια αέναη αμφίδρομη διαδικασία. Το σύστημα τροποποιεί το περιβάλλον μέσω ενεργειών που αποφασίζει το ίδιο, αλλά στη συνέχεια και το περιβάλλον προσφέρει νέα ερεθίσματα που καθορίζουν την αναγκαιότητα νέων δράσεων από το σύστημα. Έτσι μέσω μιας αμφίδρομης τροφοδότησης, επιτυγχάνεται μια διαρκής παρακολούθηση και αντιμετώπιση σύγχρονων περιβαλλοντικών προβλημάτων σε πραγματικό χρόνο. Το αντικειμενοστραφές πολυπαραμετρικό σύστημα, αποτελείται από ένα ιδιαίτερα μεγάλο διαστρωματωμένο δίκτυο ανεξάρτητων ευφυών πρακτόρων υβριδικής νόησης. Οι πράκτορες αυτοί, καλούνται να δεχθούν από το περιβάλλον ποικίλα ερεθίσματα σε πραγματικό χρόνο, να υπολογίσουν και να επεξεργαστούν σύνθετα δεδομένα και παραμέτρους σε δεύτερο επίπεδο, να εφαρμόσουν πρότυπα Ασαφούς Λογικής προκειμένου να αντιληφθούν έννοιες του πραγματικού κόσμου και να δώσουν Μαθηματικό νόημα σε Λεκτικά. Τέλος καλούνται να επιλέξουν μέσα από ένα σύνθετο σύνολο κανόνων, δράσεις οι οποίες θα τροποποιήσουν το περιβάλλον στοχεύοντας στην επίλυση του εκάστοτε προβλήματος. Επιπλέον, ένα άλλο σύνολο πρακτόρων φροντίζει για τη διευκόλυνση της μοντελοποίησης του προβλήματος καθώς και για την ανάπτυξη και χρήση Συστάδων ανταγωνιστικών Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων τα οποία επιτυγχάνουν την πρόγνωση της εξέλιξης του φαινομένου ακόμα και σε περιπτώσεις μεγάλης απώλειας πρωτογενών δεδομένων. Τέλος σε ένα άλλο επίπεδο, βρίσκονται οι ευφυείς πράκτορες που ελέγχουν την ορθή λειτουργία του συστήματος και εγγυώνται την έγκαιρη διάγνωση πιθανών δυσλειτουργιών. Η κατανεμημένη και σπονδυλωτή δομή του συστήματος, σε συνδυασμό με την Βάση Δεδομένων που το πλαισιώνει, επιτρέπει την εύκολη διασύνδεση του με υπάρχοντα συστήματα ή/και την επέκταση του ώστε να καλύψει κάθε πιθανή ανάγκη και πρόβλημα.Η λειτουργικότητα και η αποτελεσματικότητα του συστήματος δοκιμάστηκε και ελέγχθηκε σε τρία ανεξάρτητα και διαφορετικής φύσης περιβαλλοντικά προβλήματα μέσα από δύο μεγάλα διακριτά ανταγωνιστικά Ερευνητικά προγράμματα ΕΣΠΑ (Συνεργασία) και (Ανάπτυξη Μικρομεσαίων Επιχειρήσεων). Η απρόσκοπτη λειτουργία του επιβεβαίωσε τη σχεδιαστική του αρτιότητα, την αποτελεσματικότητα του και τέλος το σημαντικότερο ίσως χαρακτηριστικό του που είναι η δυνατότητα να προσαρμόζεται ώστε να μπορεί να αξιοποιηθεί σε ένα θεωρητικά απεριόριστο αριθμό προβλημάτων.