Market-Based Control: Eine neue Methode zur automatisierten Ressourcenzuteilung

In dieser Arbeit wird mit Market-Based Control eine neue Methode zur automatisierten Ressourcenzuteilung in technischen Systemen vorgestellt. Grundlage der neuen Methode ist die Verwendung eines Multi-Agenten-Systems zur verteilten Automatisierung. Hierzu wird zunächst ein Vorgehensmodell für den Entwurf eines agentenorientierten Automatisierungssystems vorgeschlagen. Weiterhin wird dargestellt, wie sich in dieses Vorgehensmodell eine Lösung der Teilaufgabe der Ressourcenzuteilung integrieren lässt. Dazu werden die Anforderungen an eine Ressourcenzuteilung zunächst formal als ein multikriterielles Optimierungsproblem definiert. Diese Anforderungen lassen sich erfüllen, wenn eigennützige Agenten im Multi-Agenten-System zur Automatisierung verwendet werden. Eine wesentliche Aufgabe ist dann der Entwurf geeigneter Koordinationsmechanismen für die einzelnen Agenten.

Im Rahmen der Arbeit wird hergeleitet, dass eine Möglichkeit zur Koordination dieser Agenten in der Imitation einer Marktwirtschaft besteht. Hierzu wird gezeigt, dass das Problem der Ressourcenzuteilung und das Problem der Güterzuteilung in einer Marktwirtschaft sowohl die gleiche Grundstruktur als auch eine ähnliche formale Beschreibung durch ein multikriterielles Optimierungsproblem aufweisen. Im Bereich der Marktwirtschaft existiert dann der Begriff des Wettbewerbsgleichgewichts. In einem solchen Wettbewerbsgleichgewicht wird eine Zuteilung erreicht, die eine Lösung des multikriteriellen Optimierungsproblems darstellt und zum anderen mit einem verteilten Berechnungsverfahren iterativ ermittelt werden kann. Ein solches Berechnungsverfahren auf der Basis des Wettbewerbsgleichgewichts kann in einem Multi-Agenten-System sehr leicht zur Ermittlung einer geeigneten Ressourcenzuteilung verwendet werden, man spricht dann auch von Market­ Based Control.

Um eine möglichst breite Anwendbarkeit von Market-Based Control zu erreichen, werden im Rahmen dieser Arbeit umfangreiche Untersuchungen hinsichtlich einer Erweiterung der Klassen von Optimierungsproblemen vorgenommen, die sich einerseits als Wettbewerbsgleichgewichte berechnen lassen, andererseits aber auch zur Beschreibung der Anforderungen an die Ressourcenzuteilung verwendet werden können. Weiterhin werden numerische Methoden vorgestellt, mit denen sich in einem Multi-Agenten-System diese Wettbewerbsgleichgewichte möglichst effizient und sicher berechnen lassen. Insgesamt entsteht damit ein Vorgehensmodell für den Entwurf eines Market-Based-Control-Systems zur Ressourcenzuteilung. Neben der Entwicklung dieser Entwurfsmethodik besteht ein wesentlicher Beitrag dieser Arbeit in der Integration von kontinuierlichen dynamischen Ressourcenzuteilungsproblemen, die sich als Regelungsproblem auffassen lassen. Hierbei werden zwei Methoden hergeleitet, mit denen sich Reglerentwurf und Ressourcenzuteilung kombinieren lassen. Die Methoden erlauben dann insbesondere auch eine Stabilitätsanalyse der entstehenden Regelkreise. Die Anwendbarkeit sowohl des Vorgehensmodells für den Entwurf eines Market-Based-Control-Systems als auch der hergeleiteten Methoden zur Integration von regelungstechnischen Problemstellungen wird an zwei Praxisbeispielen und einem akademischen Beispiel unter Beweis gestellt.