← 返回论文列表

通过多边际最优传输和薛定谔桥实现最优且可扩展的MAPF
Optimal and Scalable MAPF via Multi-Marginal Optimal Transport and Schrödinger Bridges

作者: Usman A. Khan, Joseph W. Durham
arXiv: 2605.10917v1
分类: cs.LG, cs.MA, cs.RO
📝 论文摘要
我们考虑匿名多智能体路径规划(MAPF)问题,其中一组机器人被要求在一个有限连通图上移动到一组目标位置。我们证明MAPF可以转化为一类具有马尔可夫结构的多边缘最优传输(MMOT)问题,在这种结构下,指数级规模的MMOT可以简化为一个规模为多项式大小的线性规划(LP)。聚焦于匿名场景,我们建立了相应LP可行且完全单模的条件,从而得到在空间和时间上均不重叠的最小成本整数$\{0,1\}$传输方案。为了将该方法适应于大规模问题,我们通过薛定谔桥将MAPF-MMOT置于概率框架中。在标准假设下,我们证明薛定谔桥公式可以简化为相应MMOT的熵正则化形式,该形式允许迭代的Sinkhorn型求解。作为概率框架,薛定谔桥提供了一个影子(分数)传输方案,我们将其作为模板来求解一个简化的LP,并证明它能在显著降低复杂度的同时得到近最优的整数传输。大量实验突显了所提出方法的最优性和可扩展性。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 解决**匿名多智能体路径规划(MAPF)** 中一组机器人需前往一组目标点的任务 - 现有方法在**大规模场景** 下计算复杂度高,难以同时保证**最优性** 和**可扩展性** - 研究背景:多代理系统在仓库物流、自动导航等领域需求日益增长,亟需高效求解算法
🔧 核心方法
- 将MAPF转化为**多边缘最优传输(MMOT)** 问题,利用底层**马尔可夫结构** 将指数规模的MMOT简化为**线性规划(LP)**,其规模随问题规模多项式增长 - 提出**Schrödinger桥概率框架**,对MMOT进行**熵正则化(entropic regularization)**,得到可迭代求解的**Sinkhorn型算法** - 利用Schrödinger桥输出的**分数(shadow)传输** 作为模板,求解一个**缩减的线性规划(Reduced LP)**,从而高效获得近最优的**整数运输(integral transport)**
💡 核心创新
- **首创性**:首次将**多边缘最优传输(MMOT)** 与**匿名MAPF** 建立等价关系,揭示其底层马尔可夫结构 - **理论保证**:证明对应线性规划的**可行性与全幺模性(total unimodularity)**,确保解出的整数运输在时空上**不重叠(non-overlapping)** - **可扩展性突破**:通过**Schrödinger桥** 将原问题转化为概率框架,利用**分数解** 引导缩减LP,在**显著降低复杂度** 的同时保持**近似最优性**
🏆 总体贡献
- 为**匿名多智能体路径规划(MAPF)** 提供了一种**最优且可扩展** 的求解范式 - 在理论上建立了**最优传输** 与**路径规划** 的桥梁,并提供了**线性规划** 与**Sinkhorn算法** 的实用结合 - 大量实验验证了所提方法在**最优性** 和**可扩展性** 上的优势,推动了大规摸多代理系统应用