聚焦人工智能研究 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高效協(xié)同華理“網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)協(xié)同分析與控制”項目獲上海自然科學(xué)獎一等獎

5月19日召開的上海市科技獎勵大會上，華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院唐漾教授領(lǐng)銜的“網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)協(xié)同分析與控制”項目獲得上海市自然科學(xué)獎一等獎。該項目以系統(tǒng)的異質(zhì)性和網(wǎng)絡(luò)化建模為基礎(chǔ)，圍繞網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同分析與控制兩個基本科學(xué)問題展開研究，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高效協(xié)同提供了理論基礎(chǔ)。

什么是網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)？實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的高效協(xié)同又具有怎樣的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值？

實際上，網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)無處不在。對網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)協(xié)同分析與控制的研究，也作為人工智能領(lǐng)域的典型受到越來越多學(xué)者關(guān)注。

自然界中，成千上萬只螢火蟲同步閃爍、鳥群集體遷徙、魚群聚集自組織游動，這些自然界壯觀景象的背后，是有“領(lǐng)導(dǎo)者”在進(jìn)行“指揮”嗎？“這種生物群體就是一種實際的耦合動態(tài)系統(tǒng)。一只螢火蟲、一只飛鳥、一條游魚，這些一個個的智能個體，能夠感知到自己所處的環(huán)境，并通過自身所具備的能力，對周圍鄰居的狀態(tài)作出相應(yīng)的反應(yīng)。成千上萬只螢火蟲同步閃爍，就是信息交互后群體智能的呈現(xiàn)。”據(jù)唐漾介紹，受到這些生物群體集群協(xié)同的啟發(fā)，網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同控制已被廣泛應(yīng)用于無人機(jī)集群控制、無人駕駛、自動碼頭、自動化倉儲等工程領(lǐng)域。

唐漾團(tuán)隊在研究課題

“網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)具有資源共享、協(xié)調(diào)性好、分布性高、自主性強(qiáng)等特點，且個體能夠通過協(xié)調(diào)合作來解決大規(guī)模的復(fù)雜性問題，實現(xiàn)1+1>2?！碧蒲藻X鋒院士經(jīng)常提起的流程工業(yè)智能優(yōu)化制造舉例說，從原料輸入到產(chǎn)品輸出的整個過程，每個操作單元都可以看作為一個智能體，局部單元的最優(yōu)并不代表全局最優(yōu)，如何協(xié)調(diào)各個單元，通過各單元與鄰居單元的協(xié)作，實現(xiàn)分布式交互協(xié)同，達(dá)到全局最優(yōu)就是流程制造的目標(biāo)。此外，對于集群無人機(jī)而言，分布式調(diào)控可以避免集中式控制的缺點，從而降低集中控制帶來的風(fēng)險。

但由于網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)往往規(guī)模巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在節(jié)點動力學(xué)異質(zhì)和多種通信限制，要進(jìn)行協(xié)同分析，實現(xiàn)分布式調(diào)控存在著本質(zhì)困難。如何對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點動力學(xué)和耦合方式進(jìn)行有效表征，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)的建模、協(xié)同分析與控制，已成為當(dāng)前信息科學(xué)重點前沿交叉領(lǐng)域所迫切需要解決的共性基礎(chǔ)問題。

擺在項目成員面前有三大難題：網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，異質(zhì)建模困難；通信限制時變，結(jié)束分析困難；控制目標(biāo)多樣，節(jié)點選擇困難。

但要把實際問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)研究，首先就離不開系統(tǒng)建模。

社交網(wǎng)絡(luò)中，個體間存在著性格差異；機(jī)器人編隊中，各個移動機(jī)器人的零部件存在異質(zhì)性導(dǎo)致質(zhì)心不均以及加速能力不同……大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化動態(tài)耦合動態(tài)系統(tǒng)在刻畫節(jié)點動力學(xué)時，均需要考慮廣泛存在的參數(shù)不確定性以及個體差異，因為這些因素往往導(dǎo)致耦合動態(tài)系統(tǒng)存在節(jié)點異質(zhì)性，從而給建模和分析帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

與以往集中于所有節(jié)點具有相同動力學(xué)的研究不同，由于實際耦合系統(tǒng)個體大多存在差異，項目團(tuán)隊另辟蹊徑，從個體動力學(xué)角度出發(fā)，創(chuàng)新性地研究了異質(zhì)耦合動態(tài)系統(tǒng)在同步誤差大的擬同步問題，提出了異質(zhì)脈沖新概念，建立了新的擬同步誤差估計方法。

解決了建模難題，通信約束是另一道坎。

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)耦合動力系統(tǒng)，由于耦合系統(tǒng)之間需要通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸各自狀態(tài)信息，由于受傳輸距離、帶寬、速率等通信限制，傳輸時延、丟包、采樣等網(wǎng)絡(luò)因素會對網(wǎng)絡(luò)化耦合系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響甚至破壞協(xié)同行為。

這就需要設(shè)計高效的分布式協(xié)同控制協(xié)議，盡可能減少節(jié)點之間的通信，避免網(wǎng)絡(luò)化因素對于協(xié)同性能帶來的負(fù)面影響，從而提升網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率。

與其被動受制，不如主動適應(yīng)。“我們從網(wǎng)絡(luò)協(xié)同調(diào)控出發(fā)，將個體動力學(xué)放大到整個網(wǎng)絡(luò)，揭示了多種通信約束影響協(xié)同性能的機(jī)制，提出自適應(yīng)協(xié)同分析方法?！碧蒲f。

網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)節(jié)點選擇控制同樣是個難點。控制復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵，在于尋找使得整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可控的所需要的最少驅(qū)動節(jié)點的個數(shù)，以及這些驅(qū)動節(jié)點所在的位置。大規(guī)模耦合動態(tài)系統(tǒng)節(jié)點多，考慮控制成本和維護(hù)成本的因素，往往不會在全部或大部分節(jié)點上施加控制器，而是通過部分節(jié)點上施加控制，達(dá)到低安裝和低維護(hù)成本的理想控制目標(biāo)。

控制目標(biāo)多樣，必然導(dǎo)致選擇困難。“‘擒賊先擒王’，我們把目標(biāo)定在了網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)航者的選擇問題上?！碧蒲f，團(tuán)隊從網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化的角度出發(fā)，利用耦合動態(tài)系統(tǒng)的實時狀態(tài)信息，提出了新穎的節(jié)點選擇方法——基于脈沖控制的調(diào)度策略，設(shè)計相應(yīng)的混雜控制方法，解決了網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)控制問題中的領(lǐng)航者選擇問題。

“網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)協(xié)同分析與控制將有利于制造過程的數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化研究，為移動機(jī)器人編隊控制、流程制造協(xié)同控制等應(yīng)用提供扎實的理論基礎(chǔ)。”唐漾說。

唐漾介紹說在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，“群體智能”和“自主協(xié)同與決策”等基礎(chǔ)理論研究被列為重點發(fā)展方向，“網(wǎng)絡(luò)化耦合動態(tài)系統(tǒng)協(xié)同分析與控制”項目正是面向這一重大戰(zhàn)略需求而開展的研究。