李阿明課題組揭示動態(tài)博弈場景中群體智能行為演化機(jī)理
自然界中廣泛存在著群體智能現(xiàn)象。從蟻群依托信息素介導(dǎo)的路徑優(yōu)化機(jī)制實(shí)現(xiàn)最短覓食路徑選擇，到蜂群通過“搖擺舞”信息傳遞完成高效筑巢與分蜂的群體決策；從鳥類種群基于局部鄰域交互規(guī)則形成協(xié)同飛行編隊(duì)，再到微生物群體借助群體感應(yīng)等信號通路構(gòu)建抗逆性生物膜、實(shí)現(xiàn)資源競爭與生存策略協(xié)同；這種由多個簡單智能個體通過自組織博弈交互，涌現(xiàn)出高效、協(xié)調(diào)的群體智能的行為廣泛存在于自然界不同營養(yǎng)級、不同生物類群的群體行為之中。
群體智能行為的演化機(jī)理正逐步滲透到多智能體復(fù)雜系統(tǒng)的分析、優(yōu)化、博弈與控制等關(guān)鍵領(lǐng)域，成為設(shè)計(jì)高智能自主無人系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。同時(shí)，群體智能理論作為人工智能領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)分支，也被列入我國《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》綱要中，是推動新一代人工智能技術(shù)創(chuàng)新突破的核心理論之一。
在傳統(tǒng)群體智能行為研究中，系統(tǒng)中智能個體間的博弈交互結(jié)構(gòu)通常被簡化為不隨時(shí)間變化的靜態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。然而在實(shí)際系統(tǒng)中，個體之間的博弈交互結(jié)構(gòu)往往處于動態(tài)演化中，且可發(fā)生在兩個體或多個體之間（圖1）。如何揭示動態(tài)網(wǎng)絡(luò)化博弈場景中群體智能行為的演化機(jī)理、調(diào)控群體博弈策略的演化，是當(dāng)今系統(tǒng)科學(xué)、博弈論、控制理論、人工智能等前沿交叉科學(xué)研究中的開放性難題。
圖1. 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)上的群體博弈策略演化
針對這一挑戰(zhàn)，李阿明課題組通過采用傳統(tǒng)靜態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的度來刻畫個體博弈對象集合的規(guī)模，以動態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)刻畫個體在不同時(shí)刻的博弈交互結(jié)構(gòu)，建立了靜態(tài)與動態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上博弈策略演化的統(tǒng)一理論框架。基于該框架，他們給出了適用于一般動態(tài)網(wǎng)絡(luò)化博弈場景中的群體最優(yōu)策略涌現(xiàn)的理論條件，揭示了群體智能行為的演化機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，為保證群體最優(yōu)策略的涌現(xiàn)，采取群體最優(yōu)策略的個體在動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中隨時(shí)間累積的博弈收益應(yīng)高于這些個體在對應(yīng)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)上的二階鄰居的累積收益，且智能個體早期博弈交互結(jié)構(gòu)在策略演化過程中起到更關(guān)鍵的作用。
進(jìn)一步，他們發(fā)現(xiàn)為促進(jìn)群體最優(yōu)策略演化，應(yīng)降低博弈對象較多的個體在動態(tài)博弈中的交互優(yōu)先級。基于此，他們提出了調(diào)控動態(tài)網(wǎng)絡(luò)上群體最優(yōu)策略演化的方法，并建立了定量刻畫個體交互優(yōu)先級的指標(biāo)，用以優(yōu)化和設(shè)計(jì)真實(shí)動態(tài)場景中的博弈對象和博弈順序。他們同時(shí)驗(yàn)證了該方法在更為一般的高階動態(tài)網(wǎng)絡(luò)（圖2A）和基于真實(shí)交互數(shù)據(jù)所構(gòu)建的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)（圖2B-E）上的有效性。
圖2. 真實(shí)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)上的博弈順序優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
該研究突破了傳統(tǒng)演化博弈理論框架僅適用于靜態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的限制，揭示了博弈場景中群體智能行為演化機(jī)理，闡明了動態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在提升群體最優(yōu)策略演化中的關(guān)鍵作用，為面向真實(shí)動態(tài)場景中的自主無人系統(tǒng)的博弈策略設(shè)計(jì)與調(diào)控提供了新的思路。相關(guān)成果近期以“Promoting collective cooperation through temporal interactions”為題發(fā)表在PNAS上。李阿明課題組博士研究生孟瑤為該論文第一作者，李阿明為通訊作者，合作者為北卡羅來納大學(xué)教堂山分校Alex McAvoy助理教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目等的支持。
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