MPE(S)- Metodologias de Planeamento e Escalonamento Planning and Scheduling Methodologies

Transcrição

1 MPE(S)- Metodologias de Planeamento e Escalonamento Planning and Scheduling Methodologies Eugénio Oliveira / Henrique L. Cardoso {eco, hlc}@fe.up.pt Sítio web institucional Sítio web específico: DEI- Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto LIACC Laboratório de Inteligência Artificial e Ciência da Computação. Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 1

2 Planeamento e Escalonamento Planeamento ( planning ) e Escalonamento ( scheduling ) são os meios através dos quais uma organização/entidade seleciona um conjunto de ações, antes de as executar, para atingir um dado objetivo. Em termos de IA: Planeamento está focado no processo computacional de seleção e ordenação (sequenciamento?) das ações e sua representação usando conhecimento. 2 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC

3 Planeamento e Escalonamento Em termos de IA: Escalonamento está centrado no processo automático e baseao em conhecimento e dados, para a atribuição de tempos e recursos a conjuntos ordenados (sequências?) planeados de ações Planeamento e Escalonamento encontram-se muitas vezes interligados e as técnicas aplicáveis a uma área são frequentemente aplicáveis à (ou complementares da) outra 3 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC

4 Planeamento Planeamento é o processo gerador de uma representação do futuro comportamento de alguma(s) entidade(s), em termos de uma descrição (eventualmente parcial) antes da sua execução. Resultado: A descrição de uma combinação de ações, incluindo as suas respectivas restrições temporais, a serem executados por algum ou alguns agentes Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 4

5 Escalonamento ( Scheduling ) Escalonamento é o processo de atribuir recursos limitados a tarefas concretas ou situações ao longo do tempo para alcançar os objetivos Recursos e Tarefas: Recursos podem ser máquinas em uma oficina, memória ou tempo de CPU em um Computador, pistas ou tripulação em um aeroporto (característica: são limitados) Tarefas podem ser operações a realizar em um processo de produção, execução de Programas em Computadores, levantar e aterrar em um aeroporto (característica: usam recursos) 5 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC

6 Escalonamento ( Scheduling ) Objetivos e medidas de desempenho também podem tomar diversas formas: Maximizar o lucro, Maximizar a produção, Minimizar o tempo gasto, Equilibrar compromissos de satisfação etc. 6 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC

7 Práticos: Tópicos em Planeamento & Escalonamento Estudos Empiricos sobre sistemas de planeamento/escalonamento existentes Técnicas dependentes do domínio; uso de heuristicas ; Interfaces com o Utilizador dos sistemas de Planeamento e Escalonamento. Formais : Raciocíneo acerca de conhecimento, acção e tempo; Formalismos de Representação e ontologias para Pl & Esc; Métodos de Pesquisa de soluções 7 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC

8 Tópicos em Planeamento & Escalonamento Métodos baseados em Agentes Inteligentes: Resolução distribuída de Problemas; Raciocíneo limitado pelos recursos Integração de reatividade e deliberação Swarm Intelligence Aprendizagem automática: Aprendizagem no contexto do planeamento e da execução; Aprendizagem de novos Planos e Operadores 8 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC

9 Métodos para Planeamento & Escalonamento Métodos baseados na Memória: Planeamento baseado em Casos Sistemas Reativos Baseado em Comportamentos reativos ao ambiente Controlo reativo (comportamentos, bio-inspiração) Robótica: Planeamento do percurso, do movimento, das ações (manipulação, por ex.) 9 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC

10 Métodos para Planeamento & Escalonamento Técnicas de melhoramento iterativo das soluções: Algoritmos genéticos; Simulated annealing (Arrefecimento Simulado); Redes Neuronais. Controlar a Explosão Combinatória 10 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 10

11 Programa da Disciplina Definições de Planeamento e Escalonamento: Planeamento vs Escalonamento Introdução às Metodologias de Planeamento e Escalonamento: Metodos tradicionais, Problemas e Aplicações: PERT e CPM Planeamento: Geração Automática de Planos: Análise Meios-Fins, Planeamento Linear, Não-Linear, Hierárquico e Parcialmente Ordenado, Planeamento e Aprendizagem Modelos Determinísticos e Estocásticos de Escalonamento: Máquina única e Máquinas paralelas, Flow Shop, Job Shop e Open Shop Complexidade das Classes de Problemas de Escalonamento: Classe de Problemas NP-Completos 11 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 11

12 Programa da Disciplina Algoritmos para Problemas de Escalonamento: Programação Linear, Programação Dinâmica, Branch and Bound Heurísticas de Pesquisa Local, Pesquisa Tabu, Arrefecimento Simulado, Algoritmos Genéticos, Redes Neuronais, Satisfação de Restrições. Escalonamento e Planeamento Cooperativos/Competitivos Modelização de Problemas Reais de Planeamento e Escalonamento e outros Problemas de Optimização para: Transportes terrestes (autocarros/comboios), Transportes Aéreos, Desportos Distribuição de Serviço Docente, Geração de Horários, Calendarização de Exames Casos Práticos de Aplicação: Job-shop, Problemas Industriais, International Timetabling Competition Problemas de Planeamento: IPC International Planning Competition 12 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 12

13 Resultados esperados Adquirir conhecimento sobre os sistemas atuais de Pl & Esc Compreender os problemas e selecionar as técnicas apropriadas para a sua resolução Entender como se pode (e quando se pode) ou não usar técnicas de IA Entender quando e como será útil uma abordagem cooperativa e baseada em Agentes Especificar e Implementar um sistema que inclua Planeamento e/ou Escalonamento aplicados 13 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 13

14 Métodos de Aprendizagem Ênfase em métodos de Resolução de Problemas (pr.so.) e tomada de decisões. Aulas Leitura de artigos Análise e experimentação de ferramentas Aprendizagem orientada ao projecto 14 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 14

15 Avaliação Disciplina orientada à Investigação em Planeamento e Escalonamento através de mini-projetos e escrita de artigo. Avaliação baseada no trabalho prático com demo, comunicação oral e escrita de artigo SEM EXAME!! 16 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 16

16 Avaliação Avaliação Distribuída sem Exame: Mini-Projeto: 100% Apresentação Oral Intermédia 30% Implementação do sistema (ou módulo) de Planeamento/Escalonamento: Artigo Científico (8/12 páginas) 40% Apresentação Final (oral/demo) 30% 17 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 17

17 Mini-Projectos Competição de Horários (International Timetabling Competition ) Problemas de Escalonamento na Indústria da Aviação e no controlo de recursos em aeroportos Escalonamento de Transportes Terrestes: autocarros e comboios 18 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 18

18 Bibliografia Base Joseph Leung, Laurie Kelly and James H. Anderson, Handbook of Scheduling: Algorithms, Models, and Performance Analysis, CRC Press, Inc. Boca Raton, USA, 2004, ISBN: Peter Brucker, Scheduling Algorithms, Fifth Edition, Springer, New York, Inc., 2007, ISBN: Handbook of Metaheuristics, Editors: Michel Gendreau, Jean-Yves Potvin, International Series in Operations Research & Management Science, Volume , Springer. ISBN: (Print) (Online) Michael Pinedo. Scheduling: Theory, Algorithms and Systems, Prentice Hall, Malik Ghallab, Dana Nau, and Paolo Traverso. Automated Planning Theory and Practice, Elsevier/Morgan Kaufmann, Stuart Russel and Peter Norvig, Artificial Intelligence: A Modern Approach, Prentice-Hall, 3 rd Edition, 2010 Barry McCollum et al., 2nd International Timetabling Competition, [online], available at: (consulted on 15/02/2011) ICAPS, International Conference on Automated Planning and Scheduling, [online], available at (consulted on 15/02/2011) 20 Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 20