Coordination Models for Crisis Resolution: Discovery, Analysis and Assessment
Modèles de Coordination pour la Résolution de Crise: Découverte, Analyse et Évaluation
Résumé
This thesis is about coordination in multi-agent universes and particularly in crisis contexts.Recently, we have witnessed an increasing number of crises, not only natural disasters (hurricane Katrina, Haiti earthquake, ...) but also man-made ones (Syrian refugees crisis in Europe, Arabic spring, rioting in Baltimore, …). In such crisis, the different actors involved in the resolution have to act rapidly and simultaneously in order to ease an efficient control and reduce its impacts on the real world. To achieve this common goal as quickly and efficiently as possible, these actors (police, military forces, medical organizations) must join their respective resources and skills to collaborate and act in a coordinated way, most often by following a plan that specifies the expected flow of work between them.By coordination, we mean all the work needed for putting resolution plans and all stakeholders’ skills and resources together in order to reach the common goal (crisis resolution) in an efficient way. Crisis resolution plans are most of the time available in a textual format defining the actors, their roles and coordination recommendations in the different steps of crisis life-cycle (mitigation, preparedness, response and recovery). While plans in a printed document format are easy to manipulate by stakeholders when taken individually, they do not provide direct means to be analysed, simulated, adapted or improved and may have various different interpretations. Therefore they are difficult to manage in real time and in a distributed setting. Given these observations, it becomes useful to model these textual plans to have an accurate representation of them, to reduce ambiguity and to support coordination between stakeholders and ease an efficient control and crisis resolution.The goal of this PhD thesis is to contribute to coordination engineering in crisis domains by providing a comprehensive approach that considers both organizational and task aspects in a coherent conceptual framework. In this perspective, our approach combines Business Process and Multi-Agent paradigms and provides a mapping algorithm between their concepts. BPM (Business Process Modelling) provides an aggregate view of the coordination through the task aspect and so doing eases the validation, the simulation, the intelligibility of crisis resolution plans at design time and its monitoring at run time. The Multi-Agent paradigm provides social abstractions (high-level interactions and organization structures) to model, analyse and simulate an organizational view of the coordination by representing the structure and the behaviour of the system being developed at a macro level, independently of the internal structure of agents (micro level).The contribution of this thesis is a coordination framework, which consists of three related components:i) A design and development approach (design/discovery, analysis, simulation) that provides means (recommendations, formalisms, life-cycle, algorithms) to produce (agent and process-based) coordination models from a textual plan and/or event based log files,ii) A mapping algorithm deriving BPMN process schemas onto multi-agent structures,iii) Coordination evaluation metrics. We extend the works of Grossi and define formal metrics that allow the evaluation of the quality (efficiency, robustness and flexibility) of multi-agent system organizations.We have applied this framework to the Ho Chi Minh City Tsunami resolution plan.
Cette thèse concerne la coordination en univers des multi-agents et en particulier dans des contextes de crise.Nous assistons actuellement à un accroissement du nombre de crises, non seulement des catastrophes naturelles (ouragan Katrina, tremblement de terre d'Haïti, ...) mais aussi humanitaires (crise des réfugiés syriens en Europe, printemps Arabe, émeutes de Baltimore, ...). Dans toutes ces crises, les différents acteurs œuvrant pour leurs résolutions doivent agir rapidement et simultanément, afin de contrôler et réduire les impacts de la crise sur le monde réel. Pour atteindre cet objectif commun aussi rapidement et efficacement que possible, ces acteurs (police, forces militaires, organisations médicales) doivent mettre en commun leurs ressources et compétences respectives, collaborer et agir de manière coordonnée, le plus souvent en suivant un plan qui indique la répartition du travail et les échanges entre eux.Par coordination, nous entendons tout le travail nécessaire pour élaborer ou adapter le plan de résolution de crises et mettre en commun les compétences et les ressources de tous les intervenants afin d'atteindre l'objectif commun (la résolution de crise) de manière efficace. Les plans de résolution de crise sont la plupart du temps disponibles dans un format textuel définissant les acteurs impliqués, leurs rôles et des recommandations pour leurs coordinations dans les différentes étapes du cycle de vie de crise (anticipation, préparation, résolution de la crise, retour d'expérience). Bien que les plans dans un format textuel soient faciles à manipuler par les intervenants pris individuellement, il n’existe pas de moyens directs pour les analyser, simuler, adapter, améliorer et ils peuvent avoir diverses interprétations, ce qui les rend difficile à gérer en temps réel et dans une situation où les acteurs sont géographiquement distribués. Au regard de ces observations, il devient indispensable de faire une modélisation de ces plans textuels afin d'en avoir une représentation précise, éviter toute ambiguïté, faciliter la coordination entre les intervenants et enfin faciliter la gestion ainsi que la résolution de crises.L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'ingénierie de la coordination dans les domaines de crise en fournissant une approche globale qui prend en compte sans les confondre et en les articulant deux aspects essentiels de la gestion de crises : l'aspect organisationnel et l'aspect tâche. Dans cette perspective, notre approche combine deux paradigmes: BPM (Business Process Management) et les systèmes multi-agents, et fournit un algorithme de traduction entre leurs concepts. BPM fournit une vue globale de la coordination du point de vue de la tâche à réaliser et facilite la validation, la simulation et l'intelligibilité des plans de résolution de la crise au moment de leur conception tout en permettant le suivi de leur exécution. Le paradigme multi-agent fournit, quant à lui, des abstractions sociales (des interactions de haut niveau et des structures organisationnelles : rôles, relations et interactions entre acteurs) pour modéliser, analyser et simuler une vue organisationnelle de la coordination en représentant la structure et le comportement du système développé au niveau macro, indépendamment de la structure interne des agents à un niveau micro.La contribution de cette thèse est un cadre conceptuel pour l’ingénierie de la coordination. Il se compose de trois propositions reliées entre elles :i. Une approche de conception et de développement (conception/découverte, analyse, simulation) qui fournit des moyens (recommandations, formalismes, cycle de vie, algorithmes) pour produire des modèles de coordination basés sur des agents et des processus à partir d'un plan textuel et/ou des évènements basés sur des fichiers logs.ii. Un algorithme de transformation dérivant des schémas de processus BPMN en des structures organisationnelles multi-agents.iii. Des indicateurs de mesure de l'évaluation de la coordination. Nous étendons pour cela les travaux de Grossi, puis définissons des métriques formelles permettant l'évaluation de la qualité (efficacité, robustesse et flexibilité) d’organisations multi-agents concrètes.Nous avons mis en œuvre cette approche sur un exemple: le plan de réaction des autorités à un Tsunami sur la ville de Ho Chi Minh Ville (Vietnam).
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