Planning and Scheduling, FEUP/PRODEI /MIEIC 1

Eugénio Oliveira / Henrique L. Cardoso {eco, hlc}@fe.up.pt

Sítio web institucional

Sítio web específico: http://paginas.fe.up.pt/~eol/PRODEI/mpe1415_eng.htm

DEI- Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

LIACC – Laboratório de Inteligência Artificial e Ciência da Computação.

MPE(S)- Metodologias de

Planeamento e Escalonamento Planning and Scheduling Methodologies

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Planeamento e Escalonamento

• Em termos de IA:

– Planeamento está focado no processo computacional de seleção e ordenação (sequenciamento?) das ações e sua representação usando conhecimento.

• 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.

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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

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Planeamento

• Resultado:

– A descrição de uma combinação de ações, incluindo as suas

respectivas restrições temporais, a serem executados por algum ou

alguns agentes

• 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.

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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)

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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.

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Tópicos em Planeamento &

Escalonamento

• Práticos:

– 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

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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

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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.)

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Métodos para Planeamento &

Escalonamento

• Técnicas de melhoramento iterativo das soluções:

– Algoritmos genéticos;

– “Simulated annealing” (Arrefecimento Simulado);

– Redes Neuronais.

• Controlar a “Explosão Combinatória”

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Programa da Disciplina

• 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

• Definições de Planeamento e Escalonamento: – Planeamento vs Escalonamento

• Introdução às Metodologias de Planeamento e Escalonamento: – Metodos tradicionais, Problemas e Aplicações: PERT e CPM

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Programa da Disciplina

• Casos Práticos de Aplicação:

– Job-shop, Problemas Industriais, International Timetabling Competition

– Problemas de Planeamento: IPC – International Planning Competition

• 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

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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

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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

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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!!

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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%

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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

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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:1584883979

• Peter Brucker, Scheduling Algorithms, Fifth Edition, Springer, New York, Inc., 2007, ISBN: 978354069515

• Handbook of Metaheuristics, Editors: Michel Gendreau, Jean-Yves Potvin, International Series in Operations Research & Management Science, Volume 146 2010, Springer. ISBN: 978-1-4419-1663-1 (Print) 978-1-4419-1665-5 (Online)

• Michael Pinedo. Scheduling: Theory, Algorithms and Systems, Prentice Hall, 2001.

• Malik Ghallab, Dana Nau, and Paolo Traverso. Automated Planning – Theory and Practice, Elsevier/Morgan Kaufmann, 2004.

• Stuart Russel and Peter Norvig, Artificial Intelligence: A Modern Approach, Prentice-Hall, 3rd Edition, 2010

• Barry McCollum et al., 2nd International Timetabling Competition, [online], available at: http://www.cs.qub.ac.uk/itc2007/ (consulted on 15/02/2011)

• ICAPS, International Conference on Automated Planning and Scheduling, [online], available at http://ipc.icaps-conference.org/ (consulted on 15/02/2011)