Cooperative Heuristic Search with Software Agents

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2014-06-02
Department
Major/Subject
Tietojenkäsittelytiede
Mcode
IL3010
Degree programme
Tietotekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
88
Series
Abstract
Parallel algorithms extend the notion of sequential algorithms by permitting the simultaneous execution of independent computational steps. When the independence constraint is lifted and executions can freely interact and intertwine, parallel algorithms become concurrent and may behave in a nondeterministic way. Parallelism has over the years slowly risen to be a standard feature of high-performance computing, but concurrency, being even harder to reason about, is still considered somewhat notorious and undesirable. As such, the implicit randomness available in concurrency is rarely made use of in algorithms. This thesis explores concurrency as a means to facilitate algorithmic cooperation in a heuristic search setting. We use agents, cooperating software entities, to build a single-source shortest path (SSSP) search algorithm based on parallelized A∗, dubbed A!. We show how asynchronous information sharing gives rise to implicit randomness, which cooperating agents use in A! to maintain a collective secondary ranking heuristic and focus search space exploration. We experimentally show that A! consistently outperforms both vanilla A∗ and a noncooperative, explicitly randomized A∗ variant in the standard n-puzzle sliding tile problem context. The results indicate that A! performance increases with the addition of more agents, but that the returns are diminishing. A! is observed to be sensitive to heuristic improvement, but also constrained by search overhead from limited path diversity. A hybrid approach combining both implicit and explicit randomness is also evaluated and found to not be an improvement over A! alone. The studied A! implementation based on vanilla A∗ is not as such competitive against state-of-the-art parallel A∗ algorithms, but rather a first step in applying concurrency to speed up heuristic SSSP search. The empirical results imply that concurrency and nondeterministic cooperation can successfully be harnessed in algorithm design, inviting further inquiry into algorithms of this kind.

Rinnakkaisalgoritmit sallivat useiden riippumattomien ohjelmakäskyjen suorittamisen samanaikaisesti. Kun riippumattomuusrajoite poistetaan ja käskyjen suorittamisen järjestystä ei hallita, rinnakkaisalgoritmit voivat käskysuoritusten samanaikaisuuden vuoksi käyttäytyä epädeterministisellä tavalla. Rinnakkaisuus on vuosien saatossa noussut tärkeään rooliin tietotekniikassa ja samalla hallitsematonta samanaikaisuutta on yleisesti alettu pitää ongelmallisena ja ei-toivottuna. Samanaikaisuudesta kumpuavaa epäsuoraa satunnaisuutta hyödynnetään harvoin algoritmeissa. Tämä työ käsittelee käskysuoritusten samanaikaisuuden hyödyntämistä osana heuristista yhteistyöhakua. Työssä toteutetaan agenttien, yhteistyökykyisten ohjelmistokomponenttien, avulla uudenlainen A!-hakualgoritmi. A! perustuu rinnakkaiseen A∗ -algoritmiin, joka ratkaisee yhden lähteen lyhimmän polun hakuongelman. Työssä näytetään, miten ajastamaton viestintä agenttien välillä johtaa epäsuoraan satunnaisuuteen, jota A!-agentit kollektiivisesti hyödyntävät toissijaisen järjestämisheuristiikan ylläpitämisessä ja edelleen haun kohdentamisessa. Työssä näytetään kokeellisesti, kuinka A! suoriutuu niin tavanomaista kuin satunnaistettuakin A∗ -algoritmia paremmin n-puzzle pulmapelin ratkaisemisessa. Tulokset osoittavat, että A!-algoritmin suorituskyky kasvaa lisäagenttien myötä, mutta myös sen, että hyöty on joka lisäyksen jälkeen suhteellisesti pienempi. A! osoittautuu heuristiikan hyödyntämisen osalta verrokkeja herkemmäksi, mutta myös etsintäpolkujen monimuotoisuuden kannalta vaatimattomaksi. Yksinkertaisen suoraa ja epäsuoraa satunnaisuutta yhdistävän hybridialgoritmin ei todeta tuovan lisäsuorituskykyä A!-algoritmiin verrattuna. Empiiriset kokeet osoittavat, että hallitsematonta samanaikaisuutta ja epädeterminististä yhteistyötä voi onnistuneesti hyödyntää algoritmisuunnittelussa, mikä kannustaa lisätutkimuksiin näitä soveltavan algoritmiikan parissa.
Description
Supervisor
Orponen, Pekka
Thesis advisor
Orponen, Pekka
Keywords
concurrency, parallel algorithm, nondeterminism, A*, agent, cooperation, heuristic search, 15-puzzle, samanaikaisuus, rinnakkaisalgoritmi, epädeterministisyys, A*, agentti, yhteistyö, heuristinen haku, 15-puzzle
Other note
Citation