Van zelfrijdende auto’s, slimme stoplichten tot energiesystemen die vraag en aanbod in evenwicht houden: de toekomst zit vol autonome systemen, geprogrammeerd om hun omgeving af te tasten en beslissingen te nemen om hun doelen te bereiken. Sergio Grammatico, onderzoeker en hoofddocent aan het Delft Center for Systems and Control, denkt al een stap verder: het samenbrengen van meerdere autonome systemen in een ‘systeem van systemen’ – bijvoorbeeld, een snelweg vol zelfsturende, zelfrijdende auto’s. In zijn ERC Starting Grant project “Game Theoretic Control for Complex Systems of Systems” richt Grammatico zich op egoïstische en niet-coöperatieve spelers zoals door mensen bestuurde auto’s te midden van autonome voertuigen.
De volgende stap in autonome systemen
Gebruikmakend van wiskundige principes van de regeltechniek leren robots en voertuigen al tientallen jaren om autonoom te functioneren. Grammatico: “Dankzij de rekenkracht van de computers van vandaag hebben we nu lokale intelligente systemen die geheel zelfstandig kunnen opereren. Maar wat gebeurt er als autonome systemen bij elkaar gezet worden en samen moeten werken?” Autonome systemen die hun gedrag coördineren, is waar we volgens Grammatico naartoe gaan.
Regeltechniek voor meer dan één systeem
“Denk aan de moderne aanpak van verkeersstromen. Individuele, voorgeprogrammeerde stoplichten zijn prima voor de directe omgeving van een kruispunt. Maar als we kijken naar de context van een groter gebied zoals een complete stad, dan zou het handiger zijn als de stoplichten met elkaar samenwerken.” En zo komt multi-agent control, regeltechniek voor meer dan één systeem, in beeld. Een ander voorbeeld: moderne elektriciteitsnetten. “Vroeger was er een enkel systeem om het energietransport van producenten naar gebruikers te regelen. Tegenwoordig vinden productie, opslag en gebruik van elektriciteit overal plaats, bijvoorbeeld in zonnecellen op onze daken. Multi-agent control is essentieel om al deze individuele systemen met elkaar samen te laten werken in een slim energienet.”
Egoïstische systemen
Waarom is de afstemming tussen meerdere intelligents systemen zo moeilijk? Een van de redenen is dat niet alle deelnemers evenveel willen bijdragen aan het collectieve belang. “We doen dit iedere dag zonder erbij stil te staan. Als we in onze auto’s rijden, willen we gewoon op onze bestemming aankomen en kunnen de andere auto’s met wie we de snelweg delen ons weinig schelen. Elk energiebedrijf dat gebruik maakt van het elektriciteitsnetwerk wil gewoon de eigen winst maximaliseren. In wiskundige termen noemen we deze egoïstische deelnemers niet-coöperatief. Hoe krijgen we bestuurders die bereid zijn om de controle over hun voertuig over te laten aan het bestuderingsysteem, en bestuurders die dat niet zijn, zover dat ze met elkaar samenwerken? Welke prikkels of besturingssignalen zijn nodig om ze hun gedrag onderling af te laten stemmen? Het bestuderen van groepen coöperatieve en niet-coöperatieve deelnemers is erg belangrijk als we toepassingen voor realistische situaties willen ontwikkelen. Dat is waar mijn ERC-project om draait.”
Speltheorie
Waar de dynamica van een enkel autonoom voertuig al erg complex is, is het nog veel complexer voor meerdere voertuigen in samenhang. Grammatico is ervan overtuigd dat speltheorie de oplossing biedt om deze afstemmingsproblemen op te lossen. “Speltheorie helpt ons om de belangen en het gedrag van niet-coöperatieve systemen in wiskundige termen te modelleren. Ik wil een andere tak van wiskunde – operatorentheorie – combineren met gedistribueerde regeltechniek om gebruik te kunnen maken van spelmodellen en om mechanismes te ontwikkelen waarmee niet-coöperatieve systemen aangestuurd kunnen worden. Deze gereedschappen worden al gebruikt in andere gebieden van de wiskunde maar de benadering zelf is helemaal nieuw voor de systemen-en-regeltechniek-gemeenschap.” Het meest uitdagende onderdeel, legt Grammatico uit, is om continue variabelen te combineren met logische/discrete variabelen. “In autonoom rijden gaat het niet alleen om continue variabelen zoals snelheid of versnelling. Belangrijke parameters zoals de knipperlichten van de auto die aan of uit staan, of de rijstrook waar de auto op rijdt, zijn discrete variabelen. Het zal al een enorme prestatie zijn als zulke multi-agent hybride (namelijk, continu/discrete) systemen kunnen aansturen. Er zal dan een compleet nieuw onderzoeksgebied ontstaan!”
Ik ben altijd gefascineerd geweest door de wisselwerking tussen technologische toepassingen en wiskundige theorieën.
―
Sergio Grammatico
Praktische test
Grammatico gaat de ERC-subsidie gebruiken om een raamwerk te maken, een theoretische basis waarop andere onderzoekers voort kunnen bouwen en waarmee software gegenereerd kan worden die onmiddellijk toepasbaar is in de praktijk, bijvoorbeeld in robots en zelfrijdende auto’s. “Ik heb een aantal toepassingen voor ogen waar ik de nieuwe theorie wil gebruiken om regelalgoritmes te maken, te implementeren en te valideren in de praktijk.” Na numerieke simulaties op volledige schaal zullen de eerste praktische testen gedaan worden met behulp van acht miniatuurrobotauto’s. “Als die succesvol zijn, is de volgende stap het testen van onze algoritmes in levensechte situaties op de campus van de TU Delft, als onderdeel van het Green Village living lab programma.”
Techniek en wiskunde
Grammatico studeerde zowel Ingenieurswetenschappen als Automatiseringstechniek aan de Universiteit van Pisa. “Ik ben altijd gefascineerd geweest door de wisselwerking tussen technologische toepassingen en wiskundige theorieën.” In 2017 verhuisde hij naar de TU Delft waar hij zijn eigen groep opzette met geld van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en nu ook van de European Research Council (ERC). “Delft is een geweldige plek om dit type onderzoek te doen omdat het een sterke traditie heeft op het gebied van systemen en regeltechniek. De universiteit heeft slimme mensen in aanverwante disciplines, zoals toegepaste wiskunde en elektrotechniek, en ook in verschillende toepassingsdomeinen.”
Mobiliteit en energie
Welke ontwikkelingen ziet Grammatico aan de horizon? “Ik denk dat de volledige elektrificatie van onze auto’s vroeg of laat gaat gebeuren. Als alle auto’s elektrisch zijn, dan komen de vakgebieden van mobiliteit en energie samen. We zullen dan geen verschil meer kunnen zien tussen energiesystemen en mobiliteitssystemen – ze zullen gewoon samensmelten. Ik zie dit als de volgende technologische uitdaging voor onze maatschappij. Mijn ERC-project gaat de gereedschappen leveren om deze geïntegreerde energie/mobiliteitsuitdagingen te bestuderen.”
