近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化系苏奇副教授与美国北卡罗来纳大学教堂山分校Alex McAvoy教授、美国宾夕法尼亚大学Joshua B. Plotkin教授合作，针对系统结构动态改变导致群体决策建模和群体合作涌现困难等方面的挑战，创造性地提出了动态网络系统博弈模型和耦合策略网络的理论方法，提供了动态网络系统中群体合作涌现的理论判据，并揭示了系统结构改变能够促进群体合作涌现这一现象。该研究成果以“Strategy evolution on dynamic networks”（动态网络策略演化）为题，在线发表于《Nature Computational Science》（自然-计算科学）。

研究背景

随着通讯和物联技术的不断发展，系统规模日益扩大，个体间的相互关联变得更加紧密和错综复杂。在由自主决策个体组成的群体中，虽然单个个体对系统的结构和功能影响微弱，但是个体之间的交互和自适应决策调整，可能塑造系统整体的智能涌现，或者导致系统整体的级联失效。深刻理解群体智能的涌现机理、激励方法，以及优化群体智能的实现，成为复杂系统研究领域的核心问题。相关问题如“群体合作的演化和维持”以及“群体智能的涌现”，已经被国际知名期刊《Science》两次列入人类亟需解决的125个最前沿科学问题之一。

系统的结构是影响群体合作涌现的关键因素之一。在过去的三十年里，学者已经逐步攻克了规则网络、权重网络和异构网络上的集群博弈难题。然而，现有研究都是基于封闭、恒定的环境状态假设，即系统的结构随时间保持稳定不变。但是在开放、动态的环境中，通讯的延迟、中断，器件的损毁、扩充，个体的移动、改变等，都会导致系统结构的变化。网络结构动态变化对群体合作涌现的影响一直是演化领域亟待解决的难题。一方面，结构变化可能会破坏合作团簇，因此直观上认为动态网络会抑制群体合作；另一方面，结构变化会导致了个体决策和系统结构同时变化，目前还没有相应的理论方法。

创新成果

动态网络系统博弈模型

论文提出了动态网络系统博弈模型，其中包括用独立的网络描述每个交互片段的结构以及用一般的转移矩阵描述各个交互片段的结构变化模式，清晰完整地刻画了个体层面的策略交互和系统层面的结构变迁。其次，提出了基于（策略，网络）状态的马尔可夫过程分析方法，提供了动态网络化系统中群体合作涌现的理论判据，适用于任意数量、任意结构、任意转移的系统结构变化。该判据定量地显示了网络结构动态变化对群体合作涌现的影响。将该判据应用在500000个不同类型和规模的网络中，发现了多社群、异密度动态网络能够促进群体合作。该发现颠覆了长期以来认为结构变化会抑制合作的错误观点。最后论文证明了网络结构动态变化不仅会促进，而且加速了群体合作的涌现。本论文解决了动态网络系统博弈现有研究中的方法缺失、认识不足、结论片面等问题，为开放、动态环境中的群体智能实现提供新见解。

动态网络促进群体合作涌现

期刊信息

《Nature Computational Science》（自然-计算科学）是一本由国际著名科学期刊《Nature》出版的同行评议计算科学领域的顶级学术期刊，致力于发表涵盖计算方法、数据科学、人工智能、计算生物学等各个计算科学领域的高质量研究成果。

论文信息

上海交通大学为第一完成单位，电院自动化系智能无线网络与协同控制中心苏奇副教授、美国北卡罗来纳大学教堂山分校Alex McAvoy教授为该论文的共同第一作者与共同通讯作者。美国宾夕法尼亚大学Joshua B. Plotkin教授为论文合作作者。相关研究获得了美国西蒙斯基金会、美国Josh Templeton基金会和美国David & Lucille Packard基金会的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s43588-023-00509-z

苏奇，上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化系副教授，智能无线网络与协同控制中心成员。2014年于华中科技大学取得学士学位，2020年于北京大学取得博士学位。期间在美国波士顿大学开展博士学位联合培养，哈佛大学进行学术访问。毕业之后，获得美国西蒙斯基金会为期三年的独立经费资助，在宾夕法尼亚大学数学系和生物系从事学术研究。主要研究兴趣为网络科学、演化博弈和群体决策等。发表研究论文20余篇，包括PNAS、Nature Computational Science、Nature Human Behaviour、Nature Communications、Science Advances等。多项成果被国家基金委员会、中国教育网、宾夕法尼亚大学、北京大学官网报道。获得西蒙斯博士后学者奖，中国控制与决策会议张嗣瀛奖，全国大数据与社会计算会议新星奖等。担任匈牙利基金会评审人以及四个学术期刊副编辑/客座编辑。