VAIN：Attentional Multi-agent Predictive Modeling

Hoshen Y. VAIN: Attentional Multi-agent Predictive Modeling[J]. arXiv preprint arXiv:1706.06122, 2017.

原文：https://arxiv.org/pdf/1706.06122.pdf

简介：

这篇文章来自多agent领域，主要讲述在其它agent的影响下，当前agent的状态如何进行更新。在本文中，作者提出了一种attention模型，每个agent的状态预测是由所有agent信息的加权整合和自身状态信息的交互完成的。

这种思想与两篇ICLR 2018 submissions，即GCN with attention mechanism，非常相近且发布较早（2017年6月）。

背景：

在多agent系统中，信息是极其不规则的，多个agent之间既无固定的空间结构，也没有自然的顺序关系。因此，成熟的深度学习方法CNN、RNN等不能直接应用于多agent系统的建模。已有工作IN（Interaction Networks）最早提出使用深度学习模型解决多agent系统中每个agent状态预测问题，其关键步骤是计算agent之间两两的交互特征，然后再与agent自身的非交互特征相融合。

不难看出其复杂度是agent数量的平方，大大限制了应用场景。之后，CommNet提出了一种线性的方法，去掉了计算两两交互特征，取而代之的是为每个agent计算一个服务于其它agent的特征，这个特征是独立计算的，不依赖与其它agent。因此，CommNet的复杂度降为线性。

模型：

总结IN和CommNet两种算法，一种充分利用了agent之间的交互信息但复杂度较高，一种降低复杂度的同时弱化了agent之间的交互。

本文可以看作是在CommNet的基础上，增加了attention模型。在保持线性复杂度的同时，对agent之间的交互更好地建模。

模型框架如上图。在输入层，F_i代表agent i的原始特征，如类型、位置等信息。第二部包涵两个编码器：编码器E_s将F_i转化为 agent的自身特征，编码器E_c通过F_i生成agent用来交互的特征及attention向量。在第三部，以加权平均的方式将所有agent（ 不包含自身）的交互特征进行组合，计算公式如下：

第四部，作者使用拼接方式将交互特征P_i和自身特征e_i进行融合，得到中间表示C_i。然后设计了一个解码器D（全连接网络），将中间表示C_i映射为标量（回归任务）或向量（分类任务）o_i.对于分类任务，将输出o_i做softmax即可。

思考：

本文的工作与GCN with attention极其相关。个人认为，主要区别有：

1）GCN是以图作为输入的，每个节点并非从其它所有节点接受信息而是邻居节点。

2) Attention的计算方式不同，本文的attention score计算方式区别于传统计算方法，相当于衡量两个agent的attention vector之间的欧式距离。

作者：宋卫平，北京大学在读博士，研究方向为深度学习，推荐系统，网络表示学习。