聚焦人工智能研究 實現網絡高效協同華理“網絡化耦合動態系統協同分析與控制”項目獲上海自然科學獎一等獎

5月19日召開的上海市科技獎勵大會上，華東理工大學信息科學與工程學院唐漾教授領銜的“網絡化耦合動態系統協同分析與控制”項目獲得上海市自然科學獎一等獎。該項目以系統的異質性和網絡化建模為基礎，圍繞網絡化耦合動態系統的協同分析與控制兩個基本科學問題展開研究，為網絡系統的高效協同提供了理論基礎。

什么是網絡化耦合動態系統？實現網絡系統的高效協同又具有怎樣的科學意義和實際應用價值？

實際上，網絡化耦合動態系統無處不在。對網絡化耦合動態系統協同分析與控制的研究，也作為人工智能領域的典型受到越來越多學者關注。

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“領導者”在進行“指揮”嗎？“這種生物群體就是一種實際的耦合動態系統。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境，并通過自身所具備的能力，對周圍鄰居的狀態作出相應的反應。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。”據唐漾介紹，受到這些生物群體集群協同的啟發，網絡化耦合動態系統的協同控制已被廣泛應用于無人機集群控制、無人駕駛、自動碼頭、自動化倉儲等工程領域。

唐漾團隊在研究課題

“網絡化耦合動態系統具有資源共享、協調性好、分布性高、自主性強等特點，且個體能夠通過協調合作來解決大規模的復雜性問題，實現1+1>2。”唐漾以錢鋒院士經常提起的流程工業智能優化制造舉例說，從原料輸入到產品輸出的整個過程，每個操作單元都可以看作為一個智能體，局部單元的最優并不代表全局最優，如何協調各個單元，通過各單元與鄰居單元的協作，實現分布式交互協同，達到全局最優就是流程制造的目標。此外，對于集群無人機而言，分布式調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險。

但由于網絡化耦合動態系統往往規模巨大、結構復雜，且存在節點動力學異質和多種通信限制，要進行協同分析，實現分布式調控存在著本質困難。如何對網絡節點動力學和耦合方式進行有效表征，實現網絡化耦合動態系統的建模、協同分析與控制，已成為當前信息科學重點前沿交叉領域所迫切需要解決的共性基礎問題。

擺在項目成員面前有三大難題：網絡規模巨大，異質建模困難；通信限制時變，結束分析困難；控制目標多樣，節點選擇困難。

但要把實際問題轉化為科學研究，首先就離不開系統建模。

社交網絡中，個體間存在著性格差異；機器人編隊中，各個移動機器人的零部件存在異質性導致質心不均以及加速能力不同……大規模網絡化動態耦合動態系統在刻畫節點動力學時，均需要考慮廣泛存在的參數不確定性以及個體差異，因為這些因素往往導致耦合動態系統存在節點異質性，從而給建模和分析帶來嚴峻挑戰。

與以往集中于所有節點具有相同動力學的研究不同，由于實際耦合系統個體大多存在差異，項目團隊另辟蹊徑，從個體動力學角度出發，創新性地研究了異質耦合動態系統在同步誤差大的擬同步問題，提出了異質脈沖新概念，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。

大規模網絡耦合動力系統，由于耦合系統之間需要通過通信網絡傳輸各自狀態信息，由于受傳輸距離、帶寬、速率等通信限制，傳輸時延、丟包、采樣等網絡因素會對網絡化耦合系統的協調性能產生嚴重的影響甚至破壞協同行為。

這就需要設計高效的分布式協同控制協議，盡可能減少節點之間的通信，避免網絡化因素對于協同性能帶來的負面影響，從而提升網絡資源的使用效率。

與其被動受制，不如主動適應。“我們從網絡協同調控出發，將個體動力學放大到整個網絡，揭示了多種通信約束影響協同性能的機制，提出自適應協同分析方法。”唐漾說。

網絡化耦合動態系統節點選擇控制同樣是個難點。控制復雜網絡系統的關鍵，在于尋找使得整個網絡系統可控的所需要的最少驅動節點的個數，以及這些驅動節點所在的位置。大規模耦合動態系統節點多，考慮控制成本和維護成本的因素，往往不會在全部或大部分節點上施加控制器，而是通過部分節點上施加控制，達到低安裝和低維護成本的理想控制目標。

控制目標多樣，必然導致選擇困難。“‘擒賊先擒王’，我們把目標定在了網絡化耦合動態系統領航者的選擇問題上。”唐漾說，團隊從網絡性能優化的角度出發，利用耦合動態系統的實時狀態信息，提出了新穎的節點選擇方法——基于脈沖控制的調度策略，設計相應的混雜控制方法，解決了網絡化耦合動態系統控制問題中的領航者選擇問題。

“網絡化耦合動態系統協同分析與控制將有利于制造過程的數字化、自動化、網絡化和智能化研究，為移動機器人編隊控制、流程制造協同控制等應用提供扎實的理論基礎。”唐漾說。

唐漾介紹說在《新一代人工智能發展規劃》中，“群體智能”和“自主協同與決策”等基礎理論研究被列為重點發展方向，“網絡化耦合動態系統協同分析與控制”項目正是面向這一重大戰略需求而開展的研究。