第 9 周 Transformer 与多智能体通信

消息内容、对象、时机与硬预算

石守谦

2027 春季 · 资料核对至 2026-10-15

在有限通信下学习协作

  • 交换哪些内容?
  • 联系哪些节点?
  • 何时发送,发送多少?

从 token 到基础模型

  • token 是模型处理的信息单元
  • token 可表示文本片段、图像区域或状态
  • 预训练提供初始能力,部署效果仍需任务验证

智能体的一次决策

  • 接收观测与已到达的消息
  • 更新本地记忆,判断任务状态
  • 选择动作及待发送的消息

注意力:按当前需要读取信息

  • Query:当前需要查找什么
  • Key:每条信息提供什么线索
  • Value:匹配之后读取的内容

Q、K、V 的计算

Q=XWQ,K=XWK,V=XWVQ=XW_Q,\quad K=XW_K,\quad V=XW_V Attention⁡(Q,K,V)=softmax⁡(QK⊤dk+M)V\operatorname{Attention}(Q,K,V)=\operatorname{softmax}\!\left(\frac{QK^\top}{\sqrt{d_k}}+M\right)V

MM 用于屏蔽当前不可使用的信息。

检查矩阵维度

输入包含 3 个 token,每个 token 有 4 维。

  • XX:3×43\times4
  • Q,KQ,K:3×23\times2
  • QK⊤QK^\top:3×33\times3

最后一项描述每个查询对各 token 的评分。

手算一次注意力读取

评分为 (ln⁡3,0)(\ln3,0),归一化后为 (0.75,0.25)(0.75,0.25)。

Value 为 (2,0)(2,0)、(0,4)(0,4):

z=0.75(2,0)+0.25(0,4)=(1.5,1)z=0.75(2,0)+0.25(0,4)=(1.5,1)

多头注意力怎样组织信息

不同 head 使用不同的投影参数,对同一输入形成不同的匹配与聚合。

将各 head 的结果 concatenate,再做输出映射。

多个 head 不必对应固定的人类角色,也不会自动分配无线通道。

Transformer 层的组成

组件 作用
Multi-head Attention 交换 token 之间的信息
前馈网络 network 对各 token 的特征做非线性映射
残差连接 connection 将输入与子层输出相加
Layer normalization 对同一 token 的特征做归一化

原始论文采用 Add & Norm 的具体顺序,其他变体可能不同。

编码器与解码器的分工

结构 原始序列任务中的功能
Encoder 把输入序列转换为表示
Decoder 根据已生成部分逐步生成输出
Cross-attention Decoder 查询 Encoder 的表示
Causal mask 阻止使用尚未生成的输出

节点协作可以只使用部分结构,按任务选择即可。

原论文中的 Transformer 结构

Transformer Figure 1

三种常用屏蔽规则

  • 因果屏蔽:排除未来信息
  • 可用性屏蔽:排除未到达或失效消息
  • 权限屏蔽:排除当前任务无权使用的信息

为 token 加入时间、位置与角色

  • 时间:生成时刻、接收时刻与信息年龄
  • 位置:坐标系及相对位置
  • 角色:能力、当前任务与资源状态

图模型与 Transformer 的联系

  • 两者都可按关系汇总其他节点的信息
  • 图规定候选交互范围
  • 注意力为范围内的信息分配权重

将注意力权重转为实际发送决策

  • 接收侧权重描述如何读取信息
  • 发送侧还要决定对象、时机和载荷
  • 离散选择需要经过调度与预算检查

共同决定内容、对象与时机

  • 内容:目标、特征、摘要或请求
  • 对象:邻居、任务角色或指定节点
  • 时机:周期发送、变化触发或请求响应

TarMAC:学习有目标的通信

  • 学习消息内容与面向对象的匹配
  • 通过任务目标训练协作
  • 部署前补充离散发送与字节预算约束

通信内容也可以通过任务学习

  • CommNet:通过反向传播学习通信
  • DIAL:区分训练时的可微通信与执行时的消息
  • 项目先明确消息格式,再设计联合训练

学习何时通信与怎样组织伙伴

  • IC3Net:使用通信门控控制交流
  • ATOC:按需要组织通信与信息融合
  • 统一计入门控、分组维护及有效载荷的开销

从选择对象到决定发送时机

  • Who2com:通过可学习握手寻找协作对象
  • When2com:学习通信分组与时机
  • 无线网络中,握手和等待也占用资源

三种互补的消息机制

机制 典型用途
周期摘要 维持基本态势
定向消息 回应特定节点的需求
事件通知 传播突发变化与关键发现

研究设想:区分本地响应与区域协调

本地观测记忆动作与区域摘要角色计划之间的双向联系

按变化速度安排更新周期,关键事件可触发提前传播。

按角色查找协作对象

  • 用能力和任务条件描述需求
  • 根据最新摘要寻找候选节点
  • 发送前检查角色是否过期及节点是否可达

把字节预算写成硬约束

∑kbkxk≤B,xk∈{0,1}\sum_k b_kx_k\le B,\qquad x_k\in\{0,1\}

  • bkb_k:消息的实际编码长度
  • BB:本轮可用预算
  • xkx_k:是否选中该消息

SchedNet:在共享资源中学习调度

  • 同时有多个节点希望发送
  • 调度机制选择本轮占用资源的节点
  • 训练时加入队列、等待与真实预算

手算:100 字节预算怎样分配

消息 字节数 估计效用
A 60 9
B 40 8
C 80 12

选择 A+B,使用 100 字节,效用为 17。

交互:选择预算内的消息

多跳通信的代价怎样计算

端到端载荷为 100 B,三次发送累计载荷为 300 B;协议头另计。

端到端载荷为 100 B,三次发送累计载荷为 300 B;协议头另计。

消息价值需要结合接收方的状态

  • 接收方已经知道的信息,边际收益可能很低
  • 同一消息对不同任务的价值不同
  • 用受控的消息删减实验估计任务收益

研究设想:估计一条消息带来的变化

相同场景中保留或删去消息,比较任务结果

行为受到影响之后,还要判断任务是否因此改善。

交换模型内部激活

  • ICML 2025 研究语言模型之间的激活交换
  • 可作为自然语言消息之外的表示选择
  • 需验证模型兼容性、传输量与误差传播

G-Designer:根据任务构造协作图

  • 用图神经网络组织智能体交互
  • 将任务信息带入拓扑设计
  • 无线部署需要增加物理可达性与传输成本

SOPS:在稀疏结构中选择连接

  • 在有限候选关系中评估协作价值
  • 为扩大智能体规模提供方法参考
  • 物理无线连接还受到运动与共享信道限制

LMAC:利用语言模型指导通信

  • 以状态感知为线索优化通信协议
  • 为协议生成与评价提供研究思路
  • 训练时继续检查任务收益与实际开销

EvoCF:从记忆与反事实规划中学习

  • 利用历史经验组织协作规划
  • 对候选计划进行反事实评价
  • 机载计算、网络时延与闭环安全需要另测

把近期工作放回课程问题

工作 可以借鉴的环节
激活通信 消息表示
G-Designer / SOPS 协作对象选择
LMAC 协议优化
EvoCF 记忆与计划评价

共同检查:输入条件、通信假设和部署成本。

消息协议要携带版本信息

  • 编码器和特征格式的版本
  • 数据类型、量化方式与坐标约定
  • 不兼容时的拒收与回退规则

集中训练与分布式执行

  • 训练时可使用全局信息评估策略
  • 每个执行节点只读取本地可用输入
  • 明确训练信息与执行信息的边界

集中训练有哪些常见组织方式

方法 训练侧的组织方式
MADDPG 集中式评价器
QMIX 对联合价值作单调分解
MAPPO 基于 PPO 的协作训练基线

比较前固定执行输入、训练预算与网络条件。

阅读 RAC:逐项核对信息条件

  • 研究完全去中心化的协作学习
  • 核查状态与共享回报的可获得性
  • 局部传感网络需重新设计输入与评价方法

逐步减少中心节点的参与

  • 先明确中心提供了哪些信息与指令
  • 分别移除全局状态、统一调度和在线规划
  • 观察任务收益、故障恢复与通信开销

最小训练与消融方案

  • 无通信、固定通信、学习通信
  • 相同网络条件与总预算
  • 分别移除时间信息、记忆和发送选择

研究设想:逐步训练协作系统

单节点任务、固定消息融合、预算选择、分工与闭环微调

每一阶段都保留独立基线,定位性能变化的来源。

课堂讨论:你的系统还缺哪一环

  • 候选消息怎样产生?
  • 接收方怎样使用消息?
  • 拥塞和失联怎样进入训练?
  • 哪项实验能够否定设计假设?

将方法落实到课程项目

  • 明确本地输入、消息协议与动作空间
  • 给出可运行的基线与训练流程
  • 在期中展示前完成一项网络扰动实验