군집 / 멀티 로봇 체계 구조에 대한 생각

이번 포스팅은 무인기나 로봇의 다개체 시스템을 위한 알고리즘을 연구하고 적용해보면서 경험해본 군집 시스템 운용을 위한 구조화에 대한 두서없는 개인적인 생각이다.

 

군집 무인기나 멀티 로봇 시스템을 다룰 때 단일 개체인 상황과 가장 다른 부부을 꼽자면 군집 구조이다.

 

이 때 군집 구조는 크게 중앙 집중, 계층화, 분산화 구조처럼 3가지를 나눌 수 있다.

이 구조를 또 다시 의사결정 혹은 정보공유(통신) 2가지 측면에서 나눠서 생각할 수 있게 된다.

특히 정보공유에 (통신)이라고 붙인 이유는, 두 개념이 서로 강하게 의존적이지만 때에 따라서 분리될 수 있기 떄문에 이렇게 불렀다.

 

그럼 대충 크게 6가지 정도되는 경우의 수가 나오게 되는 것이다.

 

저 2가지 측면[의사결정/정보공유(통신)]으로 나눠진다는 것이 좀 생소하게 생각 될 수 있는데,

 

예를 들어 가장 간단한 중앙 집중형 의사결정과 정보 공유를 생각해보자.

이 때 모든 정보는 중앙 개체 역할을 하는 하나의 개체에 집주되고, 이 개체가 다른 모든 개체의 행동을 계산하여 전파하게된다.

 

가장 극단적으로 반대되는 설정으로 중앙 집중형 의사결정과 분산형 정보 공유를 생각해보자.

이 경우는 전체 시스템에 대한 정보는 개별 개체가 가지고 있지만, 이들이 이웃이라고 "여기는" (애매하지만 이게 정확하다고 생각함) 개체 들에게 각자의 정보를 전달하고, 이를 반복함으로써 중앙개체가 전체 정보를 언젠가 알게되고, 이를 바탕으로 다시 중앙 집중식 의사결정을 하게 되는 것이다.

 

두 번째 반대 설정은 분산형 의사결정과 중앙 집중적 정보 공유다.

이는 중앙 개체가 모두에게 global정보를 보내주고, 이에 대해 각자가 분산적으로 의사결정한다. 좀 어색한 개념같지만 생각보다 괜찮다. 때에 따라선 연산량을 대폭 줄일 수 있기 때문이다.

 

많은 academic연구에서는 중앙집중 알고리즘이면 의사결정/정보공유도 중앙집중이고, 분산형 알고리즘이면 두 측면 모두 분산형으로 설정하고 연구를 진행한다. 이게 마음이 편하기 때문이다.

 

하지만 실제로는 이렇게 딱 나눠서 하기에는 좀 어려움이 있다.

원인은 보통 통신 성능과 연산량 한계에 있다.

 

그래서 적당하게 부분적으로 계층화를 이루거나 이것 저것 섞여버린 형태로 구현이 된다.

 

특히 정보 공유에서 ~~ 레벨까지는 중앙집중화 하고 ~~ 레벨 까지는 분산화하자 이런식으로 가게되면 구현자는 매우 골치아파지는 것이다. 또는 ~~알고리즘은 중앙집중식으로하고 ~~알고리즘은 분산적으로 하자 라던가..

 

개인적으로는 통신적 인프라와 용량이 허용되는한 중앙집중식으로 먼저 설계를하고, 한계가 느껴지는 부분에 대해 분산화로 풀어주면서 유연성을 가져가는게 제일 쉬운 구성법이라는 생각을 한다. 그래서 어떤 부분을 centralized 혹은 decentralized하게 만들지 먼저 구조화를 잘 진행하고 시스템 개발을 시작한다면 좀 수월해 지지않을까 싶다. 아직 이런 부분들에 대한 큰 discussion은 거의 없는듯 하다.

 

우주 환경처럼 통신 인프라가 매우 척박한 경우에는 완전 분산형 시스템을 어쩔 수 없이 쓰는 정도일 것 같다.

 

다만 모든 개체가 AGI급 성능을 보일 수 있다면 완전 분산화를 통한 자율적인 다개체 시스템도 구현가능하다고 보긴하는데, 이런 부분에 대한 연구 자체는 아직 거의 없는 듯 하다. 최근 LLM ochestration쪽을 보면 여기가 일정 부분 진화하면 로보틱스에서도 사용이 잘 될 것 같은 느낌은 든다.