다개체 시스템 연구 소개

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다개체 시스템(Multi-Agent Systems, MAS)이란?

단순히 시스템의 개체수를 늘리는 것은 우리가 다루는 문제들의 복잡성을 높히지 않는데, 이는 전체 시스템이 하나의 시스템으로서 분석될 수 있기 때문이다. 고로, 여기서 말하는 다개체 시스템이란, 개체수의 증가에 더하여 다음과 같은 것들이 고려된 시스템을 의미한다.

• 개체간의 정보 교환을 규정지어 주는 네트워크
• 개체와 네트워크를 구분지어 주는 특성들
  • 이산적인 네트워크를 통해 연결된 연속적인 다개체
  • 상대적으로 느린 정보 교환으로 인해 네트워크에 생기는 시간 지연
  • …

이러한 시스템들은 현재 관심이 높아지고 있는 군집 자율 주행과 같은 공학적인 문제들의 해결이나, 생태계에서 자주 목격되는 군집 현상들에 대한 해석에서 그 중요성이 강조되고 있다.

다개체 시스템 연구의 적용 분야에는 무엇이 있을까요?

다개체 시스템 연구에 있어 자주 등장하는 합의(consensus) 문제는 많은 개체들이 주어진 네트워크만을 통해서 정보를 교환함에도 각 개체의 상태 변수 일부분이 동일한 값으로 수렴하도록 하는 문제이다. 이러한 문제를 해결함으로서 우리는 위의 사진과 같이 자동차의 속도를 일치시키고, 앞차와의 거리를 일치시켜, 전체 자동차의 군집이 주어진 네트워크만을 이용하였음에도 공기저항이 최소화되어 연료 효율이 높아지도록 자율 주행하게 할 수 있다. 또한, 최근에 연구된 분야로서 서로 다른 개체가 연결성이 낮은 차수로 존재할때 네트워크의 연결성을 강화하면, 전체 군집이 그 곳에 속하는 어떠한 개체와도 다른 새로운 개체와 같이 동작함을 알 수 있는데, 이는 공학적으로 군집을 설계하는데 있어 매우 유용할 것으로 판단되고 있다. 하나의 예로서, 우리는 각 센서가 전체를 관측하지 못하는 상황에서도 위와 같이 연결성을 강화함으로서 상대적으로 큰 환경을 관측할 수 있는 센서 네트워크를 설계할 수 있다. 더 나아가, 이는 다개체 시스템이 네트워크를 통해 더욱 강인해질 수 있다는 분석을 가능하게 하는데, 이러한 현상은 완벽히 똑같지 않을 것이라 쉽게 예상되는 세포들이 어떻게 전체적으로 주어진 역할을 잘 수행하는지에 대한 해석을 가능하게 할 것이라 생각되고 있다. 이러한 가능성을 보여주는 하나의 예로서 세포의 모델로서 자주 사용되는 반 데르 폴 발진기가 변수가 서로 다름에도 네트워크의 연결성을 강화함으로서 일정한 행동을 보이는 것을 관측할 수 있다.​​​​​ 우리는 여기서 소개된 몇 예제들을 통해 보더라도, 다개체 시스템 연구가 현재 관심되고 있는 많은 공학적인 문제의 해결 뿐만 아니라, 현존하는 많은 생물학적 시스템의 분석에도 사용될 수 있음을 알 수 있다.

관련 연구는 어떠한 것이 있나요?

다개체 시스템에 대한 연구는 크게 두 가지로 나뉠 수 있는데, 하나는 다개체 시스템에 대한 분석이고, 나머지는 이를 활용한 공학적인 문제의 해결이다. 아래의 논문은 선형 동종 다개체 시스템의 분석과 이를 활용한 제어기 설계를 통하여 다개체 시스템의 연구 목표중 하나인 합의(Consensus)를 다루고 있고, 또한 이 분야에 관심이 있는 사람이 필요한 지식을 갖추기 위한 좋은 논문들을 많이 참조하고 있다.​​

Consensus of high-order linear systems using dynamic output feedback compensator: Low gain approach
J. H. Seo, H. Shim, and J. Back
Automatica, vol. 45, no. 11, pp. 2659–2664, 2009
https://doi.org/10.1016/j.automatica.2009.07.022

많은 다개체 시스템에 대한 연구들은 동종 시스템에 대하여 다루고 있다. 하지만, 실제 공학적 혹은 생물학적 문제들을 살펴보면, 우리는 정확히 똑같은 시스템은 있을 수 없다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 우리는 동종 다개체 시스템으로 이루어진 시스템의 강인성 혹은 이종 다개체 시스템을 고려해야 한다. 이종 다개체 시스템을 고려하는데 있어 매우 중요한 이론이 아래의 논문에 소개된 내부 모델 원리(Internal Model Principle)이다. 이 논문은 이종 다개체 시스템이 언제 정확한 동기화를 이룰 수 있을지에 대한 분석과 이를 활용하여, 출력 동기화를 위한 분산 제어기를 설계하는 방법에 대하여 논하고 있다.

Output consensus of heterogeneous uncertain linear multi-agent systems
H. Kim, H. Shim, and J. H. Seo
IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 56, no. 1, pp. 200–206, 2010
https://doi.org/10.1109/TAC.2010.2088710

최근 CDSL에서 활발해진 다개체 시스템 연구는 네트워크의 연결성을 강화하는 것으로, 각 개체가 가지지 못하는 시스템을 네트워크가 각 개체의 시스템을 섞어 나타나게 하는 연구들이 진행되고 있다. 이러한 연구들의 근간이 되는 논문이 아래 논문으로서, 네트워크의 연결성이 강해질수록, 모든 개체가 각 개체의 벡터장의 평균에 맞추어 움직이는 것이 기술되어 있다. 이 분야의 차후 연구 방향은 매우 다양하여, CDSL 내부에서도 다양한 논의가 이루어지고 있다.

Robustness of synchronization of heterogeneous agents by strong coupling and a large number of agents
J. Kim, J. Yang, H. Shim, J.-S. Kim, and J. H. Seo
IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 61, no. 10, pp. 3096–3102, 2016 
http://dx.doi.org/10.1109/TAC.2015.2498138

위의 내용을 잘 알려진 Kalman-Bucy 필터에 적용하기 위해 결과를 확장하였으며, 이는 아래의 논문에서 확인할 수 있다.

On distributed optimal Kalman-Bucy filtering by averaging dynamics of heterogeneous agents
J. Kim, H. Shim, and J. Wu
IEEE Conf. on Decision and Control, to be presented, 2016

앞서 소개된 논문은 다개체 시스템의 또다른 흥미로운 주제를 다루고 있는데, 이는 분산 관측기이다. 분산 관측기란, 각 센서가 전체를 관측할 능력이 없음에도 네트워크의 통신을 이용하여 전체 환경을 관측가능하게 하는 기술로서, CDSL에서 가지고 있는 대표적인 결과는 아래의 논문에서 확인할 수 있다. 분산 관측기 분야 또한 최근 화두되고 있는 센서 네트워크의 활용에 많은 응용이 가능하여, 관심이 높아지고 있는 주제중 하나이다.

Distributed Luenberger observer design
T. Kim, H. Shim, and D. D. Cho
IEEE Conf. on Decision and Control, to be presented, 2016​