工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)浪潮下的多智能體技術與應用前景分析

(中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司研究院，北京100176)

0 引言

當前，人類已進入智能化時代的新經(jīng)濟周期，人工智能技術迅速提升全社會全要素生產(chǎn)率和生活便捷性，尤其在產(chǎn)業(yè)領域，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術的交叉學科與技術應用成為了研究熱點，并且伴隨著工業(yè)數(shù)據(jù)的海量匯聚與實時演算分析，工業(yè)know-how知識的算法化沉淀，算力在設備側、邊緣側、平臺側的分布與協(xié)同，使得人工智能技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域的應用復雜度提升。一是海量工業(yè)現(xiàn)場設備智能化需求的提升，使得邊緣計算快速興起，分布式智能的應用速度加快；二是智能設備被賦予從識別、認知、監(jiān)測、預測性分析的基礎智能，向更大自主權的自適應決策的過渡；三是單智能體(agent)[1]向可交互協(xié)作的多智能體(multi-agent)復雜系統(tǒng)的演進。

毫無疑問，總的趨勢是從分布式智能到協(xié)作式智能，從單點智能向多智能體系統(tǒng)發(fā)展。多智能體技術作為人工智能技術的重要領域，其主要目標是通過具有一定自主能力的智能體間相互協(xié)作實現(xiàn)復雜智能，尤其是面向實際生產(chǎn)過程中往往是時間、效率、成本的博弈問題的現(xiàn)狀，可以在降低系統(tǒng)總體建模復雜性的同時，達到最優(yōu)化解，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)浪潮下實現(xiàn)機器人協(xié)作，海量物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡自治，自適應排產(chǎn)，多任務生產(chǎn)調度，物流快速匹配等多種任務場景的有力工具。

1 多智能體技術概述與解決工業(yè)復雜問題的優(yōu)勢

單智能體理論起源于20世紀70年代的人工智能范疇概念，是指具有一定自主行為能力的實體，它的出現(xiàn)成為了分布式智能、分布式計算、群體智能等一系列人工智能領域技術的基礎理論支撐和基本工具。但是隨著人工智能技術應用復雜度的提升，單點智能在一個完整的系統(tǒng)中解決全局問題會出現(xiàn)盲目性，對環(huán)境的反應也存在一定的偏差，為了解決單點智能無法解決的復雜問題，人們從蟻群、蜂群等自然界多個體組成的社會群體解決復雜問題的案例中得到啟發(fā)，探索單智能體向多智能體系統(tǒng)的發(fā)展。

多智能體在不同的領域具有不同的定義，但總的來說應該是一類具有自主能力的，能夠執(zhí)行一定指令的，可以進行通信的，對外界環(huán)境可以進行反應的，并且在一定約束條件下具有一致性的多個智能體的系統(tǒng)。由于多智能體系統(tǒng)(multi-agent system)[2]中的智能體需要共同完成一個復雜任務，所以多智能體系統(tǒng)中的智能體需要交互和協(xié)同。由于各智能體成員的活動是獨立和自治的, 需要一定的一致性手段來解決各個智能體成員在達到自身目標任務時的矛盾和沖突。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展疊加了數(shù)字化轉型與智能化升級，多智能體技術在解決產(chǎn)業(yè)實際復雜問題時具有獨特優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下方面。

一是多智能體系統(tǒng)的單智能體與全局系統(tǒng)的一致性：在一個由多個智能體組成的系統(tǒng)中，每個智能體都具有獨立性和自主性，可以在一定范圍內解決一組子問題，自主選擇合適的策略，以達到目標解。在設計多智能體系統(tǒng)的過程中，由于采用了分層分類管理的方案，在多個層面上配置各種智能體，降低單個智能體解決問題的復雜性，可有效兼容具有不同能力智能體的異質性。多智能體系統(tǒng)支持分布式應用，具有良好的模塊化、易擴展性和靈活性，可以克服構建龐大系統(tǒng)帶來的管理和擴展困難，有效降低系統(tǒng)的復雜度。

二是多智能體系統(tǒng)的協(xié)作性：在多智能體系統(tǒng)中，各智能體之間設計協(xié)商與通信機制，并行地求解問題，因此能有效地提高問題的求解能力。多智能體系統(tǒng)也是集成系統(tǒng)，各個智能體作為子系統(tǒng)，通過一定算法約束規(guī)則完成復雜系統(tǒng)集成，各智能體通過協(xié)作式群體智能解決大規(guī)模的復雜問題。

三是多智能體系統(tǒng)的分布式智能與天然異構性：各智能體可以來源于不同系統(tǒng)和環(huán)境實例，可以是人、軟件、機械臂、飛行器等各種具有自主能力的實體，因此具有天然的完全異質性。當進行智能化升級時，采用多智能體技術可對當前生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生最小化擾動。

2 多智能體技術面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型應用場景

由于多智能體技術具有諸多優(yōu)勢，從20世紀90年代起在社會的經(jīng)濟、公共管理、交通、工業(yè)各個方面得到了應用。近年來，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域，已在物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡自適應、多機械臂協(xié)同裝配、無人機編隊、交通管制、生產(chǎn)調度分配等領域產(chǎn)生應用價值。

2.1 基于多智能體協(xié)商機制的柔性排產(chǎn)及生產(chǎn)調度

生產(chǎn)調度或者排產(chǎn)是產(chǎn)線控制與企業(yè)管理相結合的紐帶，它是企業(yè)管理和生產(chǎn)加工計劃層面的決策依據(jù)，在傳統(tǒng)生產(chǎn)中是依靠原材料系統(tǒng)或者訂單系統(tǒng)的正反饋或負反饋形成閉環(huán)來進行調度管理的。但是，隨著生產(chǎn)制造的定制化與個性化產(chǎn)業(yè)模式的形成，生產(chǎn)調度面臨的多樣化和不確定性增加，要實現(xiàn)按需生產(chǎn)，企業(yè)必須有快速、靈活的生產(chǎn)調度，以滿足客戶及時變化的需求。

通過利用多智能體系統(tǒng)的分布式求解能力，將復雜的生產(chǎn)調度任務劃分為具有特定功能的智能體，并通過協(xié)商機制共同完成任務，降低了設計單一調度系統(tǒng)的復雜性。例如文獻[3]針對靈活的庫存調度功能，提出了一種基于多智能體技術的柔性車間調度系統(tǒng)。調度系統(tǒng)將涉及到的調度實體設計為智能體，由工件智能體，生產(chǎn)單元智能體和全局智能體組成，形成了基于多智能體的靈活的調度方法。結果證明，基于多智能體技術的調度系統(tǒng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)分配規(guī)則。

在調度問題中采用多智能體技術應用還表現(xiàn)在以下方面。一是輸入為訂單系統(tǒng)的動態(tài)調度：調度系統(tǒng)的輸入為訂單系統(tǒng)時，輸入的不確定性使得調度系統(tǒng)的設計難以采用基于多項式的數(shù)學建模方法, 而基于多智能體技術則可降低動態(tài)調度系統(tǒng)的設計復雜度, 提高調度效率。二是調度系統(tǒng)的沖突消解：當調度系統(tǒng)內設定為智能體的資源、產(chǎn)品、物料等產(chǎn)生沖突時,可以利用多智能體技術的沖突消解進行調整。所以基于多智能體技術的生產(chǎn)調度系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)內部約束條件發(fā)生變化時, 更迅速地調整調度策略，從這個角度來看，多智能體系統(tǒng)所具有的敏捷性增強了基于多智能體技術設計的調度系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三是與工藝和裝配流程的對接與集成：生產(chǎn)調度與工藝密切相關，調度系統(tǒng)將各加工資源構造為智能體，通過智能體間的通信與協(xié)商，可以完成工藝優(yōu)化并與裝配流程協(xié)同。

2.2 基于多智能體一致性機制的產(chǎn)線智能升級、機器人協(xié)作及飛行器編隊

傳統(tǒng)生產(chǎn)線一般屬于固定產(chǎn)線，由DCS等控制系統(tǒng)控制，使用工業(yè)通信協(xié)議。進入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，機器人、機械臂等在產(chǎn)線的大量使用，以及諸多環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)監(jiān)測、燈光照明等物聯(lián)網(wǎng)智能終端設備使得產(chǎn)線設計更加復雜，如果企業(yè)進行產(chǎn)線智能化升級，更換產(chǎn)線或升級產(chǎn)線的成本巨大。面向生產(chǎn)過程，采用多智能體技術構建基于所有智能體狀態(tài)的分布式控制系統(tǒng)，以使處于產(chǎn)線中的機械臂、智能終端等所有智能體的狀態(tài)信息達到一致，即使用多智能體技術的一致性機制可在對生產(chǎn)狀態(tài)最小擾動下進行產(chǎn)線的智能化升級。多智能體系統(tǒng)的一致性問題在產(chǎn)業(yè)的應用廣泛，在無人飛行器協(xié)作追蹤、空中交通的管制、機械臂協(xié)作裝配，無人車巡檢中均有應用。

基于多智能體一致性機制的控制系統(tǒng)研究工作主要包括以下三個方面。一是組織形式的構建或編隊隊形的設計：在生產(chǎn)系統(tǒng)中，每個傳感器、機械臂等具有一定功能的自主實體都可看作智能體，在既定的工作目標下，通過多智能體技術基于代數(shù)圖論和矩陣分析原理的二階一致性[4]等可形成高效的組織形式，得到最佳優(yōu)化產(chǎn)線設計。在多個無人車或無人機編隊應用中體現(xiàn)在實現(xiàn)既定的編隊形態(tài)，并通過多智能體間的傳感網(wǎng)絡與通信機制保證無人車、無人機間信息交換的冗余度和避障機制。二是產(chǎn)線柔性變換或編隊隊形的變換：在機械臂、無人車或無人機在工作或行進過程中，能夠適應來自系統(tǒng)內部或外在環(huán)境干擾，做出適當且合理的改變。三是針對外部環(huán)境變化的共識決策：在目標或外部環(huán)境改變后，由于最優(yōu)目標解的偏移，多智能體系統(tǒng)對通過一致性協(xié)議、完成環(huán)境變化后狀態(tài)全局目標再優(yōu)化決策，并達成任務分工或資源分配共識，使多智能體系統(tǒng)最終仍能完成后給定的目標任務。

文獻[5]針對無人機編隊飛行的場景，提出了一種基于多智能體技術的編隊飛行組織形式和一致性算法，并利用多智能體系統(tǒng)的交互作用實現(xiàn)多架無人機的自主編隊飛行。

2.3 其他典型應用場景

2.3.1 供應鏈以及上下游集群協(xié)同管理

隨著定制化制造的興起，多品種、小批量的生產(chǎn)需求逐漸增多，尤其是在服裝、小商品等快消品行業(yè)，定制化已成為常態(tài)，但是這種模式混合排產(chǎn)難度大，由于供應鏈協(xié)同較差，庫存難以預測，關鍵物料的上下游訂單接合常常需要“救火式”加班。在供應鏈管理中采用多智能體技術，尤其是針對個性化產(chǎn)品供應鏈上下游協(xié)同，將具有自主學習能力多智能體技術引入供應鏈報價和物料協(xié)商中，構建基于多智能體系統(tǒng)的單目標和多目標協(xié)商模型，優(yōu)化上下游連接企業(yè)的長供應鏈，實現(xiàn)物料、庫存、物流、訂單等的動態(tài)管理, 增強產(chǎn)業(yè)集群對市場的反應能力。

2.3.2 多重網(wǎng)絡的自適應管理

多重網(wǎng)絡協(xié)議在工業(yè)生產(chǎn)中屢見不鮮，利用多智能體技術一致性協(xié)議、智能體間通信機制等, 通過把網(wǎng)絡中設備或功能定義為智能體，可實現(xiàn)多重網(wǎng)絡的自適應管理[6]。

基于智能體的多重網(wǎng)絡自適應管理具有以下特點。一是網(wǎng)絡具有自主分析和決策能力，對擾動以及擁塞具有較快反應能力; 二是智能體間的通信機制使得不同工業(yè)協(xié)議可以在網(wǎng)絡中進行語義交互; 三是可靈活進行網(wǎng)絡結構和功能的增刪或規(guī)模的增減。

2.3.3 經(jīng)濟成本與效益分析

多智能體技術還可用于實際生產(chǎn)過程中的經(jīng)濟效益的研究和分析。例如，在政策研究模型中建立市場、企業(yè)、政府等若干類智能體，充分利用了智能體的協(xié)作、交互功能，從微觀企業(yè)以及宏觀市場約束等方面，研究作用于政策后的經(jīng)濟運行效果。文獻[7]以復雜自適應理論為基礎，基于多智能體技術將可再生能源領域的各方設定為智能體(用戶、企業(yè)、政府等)，對風電、光伏發(fā)電電力市場進行多智能體系統(tǒng)建模，設計引入補貼政策，通過分析補貼力度對于風力與光伏發(fā)電的競價上網(wǎng)率的影響，得到了可再生能源發(fā)電的最大可發(fā)展的規(guī)模。

3 結束語

當前，越來越多的企業(yè)已經(jīng)普遍認同數(shù)字化轉型的重要性和迫切性。智能化、數(shù)字化讓生產(chǎn)和管理更加敏捷，加快了企業(yè)之間、產(chǎn)業(yè)之間的協(xié)同，提升了企業(yè)的效率和全社會全要素生產(chǎn)率。根據(jù)國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室發(fā)布的《數(shù)字中國發(fā)展報告(2020年)》[8]，我國規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)設備數(shù)字化率已經(jīng)達到了49.4%。隨著工業(yè)數(shù)字化程度的深入，人工智能技術在企業(yè)生產(chǎn)、管理中的應用越來越廣泛，多智能體技術的規(guī)劃、學習、推理、協(xié)商、交互等機制與方法，以及多智能體系統(tǒng)中各智能體間緊密協(xié)同合作又單獨自治的特點，在解決企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)調度、資源配置、產(chǎn)業(yè)鏈區(qū)域協(xié)同等復雜實際問題中具有巨大優(yōu)勢。相信未來五到十年，多智能體技術融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將在企業(yè)生產(chǎn)管理，服務型產(chǎn)業(yè)集群高效架構組織，物流物資管理等規(guī)模型、集群型復雜場景中大放異彩。人工智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合將會帶動更多的工業(yè)企業(yè)、信息通信企業(yè)、交通物流企業(yè)以及獨立開發(fā)者等形成社會群體式的集群創(chuàng)新，促進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)智能化方向的繁榮發(fā)展，加速全社會的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的實現(xiàn)。