美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員將人工智能緩解交通擁堵的理念應(yīng)用于解決倉庫中的機器人路徑規(guī)劃問題。據(jù)麻省理工學(xué)院稱，該團隊已經(jīng)開發(fā)出一種深度學(xué)習(xí)模型，它可以比典型的強隨機搜索方法快近四倍的速度為機器人解除擁堵。

在一個典型的自動化倉庫中，可能有數(shù)百個移動機器人往返于他們的目的地，并試圖避免相互碰撞。規(guī)劃所有這些同時進行的運動是一個難題。該大學(xué)的研究人員說，這個問題非常復(fù)雜，即使是最好的路徑搜索算法也很難跟上。

通過將難以解決的問題分解成更小的塊，一種深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以確定倉庫中疏導(dǎo)交通的最佳區(qū)域。

在一個巨大的機器人倉庫里，數(shù)百個機器人在地面上來回穿梭，抓取物品并交付給人類工人進行包裝和運輸。這種倉庫正日益成為從電子商務(wù)到汽車生產(chǎn)等許多行業(yè)供應(yīng)鏈的一部分。

然而，要讓 800 個機器人高效地往返于目的地，同時又要防止它們相互碰撞，并不是一件容易的事。這是一個非常復(fù)雜的問題，即使是最好的路徑搜索算法也很難跟上電子商務(wù)或制造業(yè)的飛速發(fā)展。

從某種意義上說，這些機器人就像試圖在擁擠的市中心穿梭的汽車。因此，一群利用人工智能緩解交通擁堵的麻省理工學(xué)院研究人員將該領(lǐng)域的想法應(yīng)用于解決這一問題。

他們建立了一個深度學(xué)習(xí)模型，對倉庫的重要信息（包括機器人、計劃路徑、任務(wù)和障礙物）進行編碼，并利用這些信息預(yù)測倉庫的最佳疏導(dǎo)區(qū)域，以提高整體效率。

他們的技術(shù)將倉庫中的機器人分成若干組，因此這些較小的機器人組可以用傳統(tǒng)的機器人協(xié)調(diào)算法更快地解除擁堵。最終，他們的方法比強隨機搜索法的疏導(dǎo)速度快了近四倍。

除了簡化倉庫操作，這種深度學(xué)習(xí)方法還可用于其他復(fù)雜的規(guī)劃任務(wù)，如計算機芯片設(shè)計或大型建筑的管道布線。

"我們設(shè)計了一種新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它實際上適用于這些倉庫這種規(guī)模和復(fù)雜程度的實時操作。它可以對數(shù)百個機器人的軌跡、出發(fā)地、目的地以及與其他機器人的關(guān)系進行編碼，而且可以以一種高效的方式實現(xiàn)這一點，在各組機器人之間重復(fù)使用計算。"MIT土木與環(huán)境工程（CEE）專業(yè)吉爾伯特-W-溫斯洛職業(yè)發(fā)展助理教授、信息與決策系統(tǒng)實驗室（LIDS）和數(shù)據(jù)、系統(tǒng)與社會研究所（IDSS）成員凱茜-吳（Cathy Wu）說。

吳是該技術(shù)論文的資深作者，他與第一作者、電氣工程和計算機科學(xué)專業(yè)的研究生閆中霞共同完成了這項研究。這項研究成果將在學(xué)習(xí)表征國際會議（International Conference on Learning Representations）上發(fā)表。

機器人俄羅斯方塊

從鳥瞰圖上看，機器人電子商務(wù)倉庫的地面有點像快節(jié)奏的 "俄羅斯方塊 "游戲。

當(dāng)客戶下訂單時，機器人會走到倉庫的某個區(qū)域，抓起放置所需物品的貨架，然后將其交給人類操作員，由其揀選和包裝物品。數(shù)百個機器人同時進行這項工作，如果兩個機器人在穿過巨大的倉庫時路徑發(fā)生沖突，它們就可能撞車。

傳統(tǒng)的搜索算法會讓其中一個機器人繼續(xù)沿著自己的路線前進，并為另一個機器人重新規(guī)劃軌跡，從而避免可能發(fā)生的碰撞。但是，由于機器人數(shù)量眾多且可能發(fā)生碰撞，問題很快就會呈指數(shù)級增長。

"由于倉庫是在線運行的，機器人大約每 100 毫秒就要重新規(guī)劃一次。也就是說，每秒鐘，一個機器人就要重新掃描 10 次。因此，這些操作必須非?？焖?。"吳說。

由于在重新規(guī)劃過程中時間非常關(guān)鍵，麻省理工學(xué)院的研究人員利用機器學(xué)習(xí)將重新規(guī)劃的重點放在最容易發(fā)生擁堵的地方，也就是最有可能縮短機器人總行程時間的地方。

Wu 和 Yan 建立了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以同時考慮較小的機器人群組。例如，在一個擁有 800 個機器人的倉庫中，網(wǎng)絡(luò)可能會將倉庫地面切割成更小的組，每組包含 40 個機器人。

然后，如果使用基于搜索的求解器來協(xié)調(diào)該組機器人的軌跡，它就能預(yù)測出哪一組最有可能改進整體解決方案。

整個算法是一個迭代過程，先用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選出最有潛力的機器人組，再用搜索求解器解散該組，然后用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選出下一個最有潛力的組，依此類推。

考慮關(guān)系

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能有效推理機器人群，因為它能捕捉到單個機器人之間存在的復(fù)雜關(guān)系。例如，即使一個機器人最初可能離另一個機器人很遠(yuǎn)，但它們的路徑仍可能在行進過程中交叉。

該技術(shù)還能簡化計算，只需對約束條件進行一次編碼，而無需對每個子問題重復(fù)編碼。例如，在一個擁有 800 個機器人的倉庫中，要疏導(dǎo)一組 40 個機器人，就需要將其他 760 個機器人作為約束條件。其他方法則需要在每次迭代中對每組所有 800 個機器人推理一次。

而研究人員的方法只需要在每次迭代中對所有組中的 800 個機器人進行一次推理。

"倉庫是一個大的環(huán)境，因此這些機器人組中有很多都會有一些共同的大問題。我們設(shè)計的架構(gòu)就是為了利用這些共同的信息。"她補充道。

他們在幾個模擬環(huán)境中測試了他們的技術(shù)，包括一些像倉庫一樣的環(huán)境，一些帶有隨機障礙物的環(huán)境，甚至還有模擬建筑物內(nèi)部的迷宮設(shè)置。

通過識別更有效的疏導(dǎo)群組，他們基于學(xué)習(xí)的方法疏導(dǎo)倉庫的速度比強大的、非基于學(xué)習(xí)的方法快四倍。即使考慮到運行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的額外計算開銷，他們的方法解決問題的速度仍然快 3.5 倍。

未來，研究人員希望從他們的神經(jīng)模型中獲得簡單的、基于規(guī)則的見解，因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的決定可能是不透明的，難以解釋。更簡單、基于規(guī)則的方法也更容易在實際機器人倉庫環(huán)境中實施和維護。

"這種方法基于一種新穎的架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，卷積和注意力機制能夠有效地互動。令人印象深刻的是，它能夠考慮到所構(gòu)建路徑的時空成分，而無需針對具體問題進行特征工程。結(jié)果非常出色：康奈爾理工學(xué)院安德魯-H.和安-R.-蒂施教授 Andrea Lodi 說："我們不僅能在求解質(zhì)量和速度方面改進最先進的大型鄰域搜索方法，而且該模型還能很好地推廣到未見過的案例中。"

這項工作得到了亞馬遜和麻省理工學(xué)院亞馬遜科學(xué)中心的支持。