智能体设计模式

第7章:多智能体协作

通过专门的智能体协调和智能体间通信协议构建协作AI系统

第7章:多智能体协作

虽然单体智能体架构对于明确定义的问题可能有效,但其能力在面对复杂的多领域任务时往往受到限制。多智能体协作模式通过将系统构建为不同专门智能体的协作集合来解决这些限制。这种方法基于任务分解原则,其中高级目标被分解为离散的子问题。然后每个子问题被分配给具有最适合该任务的特定工具、数据访问或推理能力的智能体。

例如,复杂的研究查询可能被分解并分配给信息检索的研究智能体、统计处理的数据分析智能体以及生成最终报告的综合智能体。这种系统的有效性不仅源于分工,而且关键依赖于智能体间通信的机制。这需要标准化的通信协议和共享本体,允许智能体交换数据、委托子任务并协调其行动以确保最终输出连贯。

这种分布式架构提供了几个优势,包括增强的模块化、可扩展性和健壮性,因为单个智能体的失败不一定导致整个系统失败。协作允许协同结果,其中多智能体系统的集体性能超过集合内任何单个智能体的潜在能力。

多智能体协作模式概述

多智能体协作模式涉及设计多个独立或半独立智能体协同工作以实现共同目标的系统。每个智能体通常具有定义的角色、与整体目标一致的特定目标,以及可能访问不同工具或知识库。这种模式的力量在于这些智能体之间的交互和协同作用。

协作可以采取各种形式:

  • 顺序交接: 一个智能体完成任务并将其输出传递给另一个智能体进行管道中的下一步(类似于规划模式,但明确涉及不同的智能体)。

  • 并行处理: 多个智能体同时处理问题的不同部分,然后合并它们的结果。

  • 辩论和共识: 具有不同观点和信息来源的智能体参与讨论以评估选项,最终达成共识或更明智的决策的多智能体协作。

  • 层次结构: 管理智能体可能根据其工具访问或插件能力动态将任务委托给工作智能体,并综合它们的结果。每个智能体也可以处理相关的工具组,而不是单个智能体处理所有工具。

  • 专家团队: 在不同领域具有专门知识的智能体(如研究员、作家、编辑)协作产生复杂输出。

  • 批评者-审查者: 智能体创建初始输出,如计划、草稿或答案。然后第二组智能体批判性地评估此输出是否符合政策、安全性、合规性、正确性、质量以及与组织目标的一致性。原始创建者或最终智能体基于此反馈修订输出。这种模式对于代码生成、研究写作、逻辑检查和确保道德一致性特别有效。这种方法的好处包括增加健壮性、提高质量以及减少幻觉或错误的可能性。

多智能体系统(见图1)基本上包括智能体角色和职责的划分、智能体交换信息的通信渠道的建立,以及指导其协作努力的任务流或交互协议的制定。

image1

图1:多智能体系统示例

Crew AI和Google ADK等框架旨在通过提供用于指定智能体、任务及其交互程序的结构来促进这种范式。这种方法对于需要各种专门知识、包含多个离散阶段或利用并发处理优势和智能体间信息确证的挑战特别有效。

实际应用和用例

多智能体协作是一个强大的模式,适用于众多领域:

  • 复杂研究和分析: 智能体团队可以协作进行研究项目。一个智能体可能专门搜索学术数据库,另一个总结发现,第三个识别趋势,第四个将信息综合成报告。这反映了人类研究团队可能如何运作。
  • 软件开发: 想象智能体协作构建软件。一个智能体可能是需求分析师,另一个是代码生成器,第三个是测试员,第四个是文档编写者。它们可以在彼此之间传递输出以构建和验证组件。
  • 创意内容生成: 创建营销活动可能涉及市场研究智能体、文案智能体、图形设计智能体(使用图像生成工具)和社交媒体调度智能体,所有智能体协同工作。
  • 金融分析: 多智能体系统可以分析金融市场。智能体可能专门获取股票数据、分析新闻情感、执行技术分析并生成投资建议。
  • 客户支持升级: 一线支持智能体可以处理初始查询,在需要时将复杂问题升级到专门智能体(如技术专家或计费专家),展示基于问题复杂性的顺序交接。
  • 供应链优化: 智能体可以代表供应链中的不同节点(供应商、制造商、分销商)并协作优化库存水平、物流和调度,以响应不断变化的需求或中断。
  • 网络分析和修复: 自主操作从智能体架构中受益匪浅,特别是在故障定位方面。多个智能体可以协作进行分类和修复问题,建议最优行动。这些智能体还可以与传统机器学习模型和工具集成,利用现有系统同时提供生成AI的优势。

划分专门智能体并精心编排其相互关系的能力使开发者能够构建具有增强模块化、可扩展性以及解决对单一集成智能体来说不可克服的复杂性的系统。

多智能体协作:探索相互关系和通信结构

多智能体系统的成功在很大程度上依赖于智能体之间如何相互交互和通信。理解这些关系对于设计有效的协作系统至关重要。

智能体间通信模式

1. 直接通信

智能体直接相互发送消息,无需中介。这种模式简单直接,但可能导致复杂的通信网络。

2. 广播通信

一个智能体向系统中的所有其他智能体广播消息。这对于需要广泛传播信息的情况很有用。

3. 层次通信

智能体通过层次结构进行通信,其中某些智能体充当其他智能体的协调者或管理者。

4. 黑板系统

智能体通过共享的"黑板"或知识库进行通信,所有智能体都可以读取和写入。

协作策略

1. 竞争协作

智能体竞争资源或任务,但最终目标是一致的。这种策略可以促进创新和效率。

2. 合作协作

智能体共同努力实现共同目标,共享资源和信息。

3. 混合协作

结合竞争和合作元素,智能体在某些方面竞争,在其他方面合作。

实践代码示例

Crew AI实现

from crewai import Agent, Task, Crew, Process
from langchain_openai import ChatOpenAI

# 初始化语言模型
llm = ChatOpenAI(model="gpt-4-turbo")

# 定义研究智能体
researcher_agent = Agent(
    role='研究专家',
    goal='收集和分析关于指定主题的全面信息',
    backstory='你是一位经验丰富的研究员,擅长从各种来源收集和分析信息。',
    verbose=True,
    allow_delegation=False,
    llm=llm
)

# 定义分析智能体
analyst_agent = Agent(
    role='数据分析师',
    goal='分析研究数据并识别关键洞察',
    backstory='你是一位专业的数据分析师,擅长从复杂数据中提取有意义的洞察。',
    verbose=True,
    allow_delegation=False,
    llm=llm
)

# 定义写作智能体
writer_agent = Agent(
    role='技术作家',
    goal='将分析结果转化为清晰、引人入胜的报告',
    backstory='你是一位技术作家,擅长将复杂信息转化为易于理解的格式。',
    verbose=True,
    allow_delegation=False,
    llm=llm
)

# 定义任务
research_task = Task(
    description='研究人工智能在医疗保健中的最新趋势',
    expected_output='关于AI医疗保健趋势的详细研究报告',
    agent=researcher_agent
)

analysis_task = Task(
    description='分析研究数据并识别关键模式',
    expected_output='数据分析和关键洞察摘要',
    agent=analyst_agent
)

writing_task = Task(
    description='基于分析和研究创建综合报告',
    expected_output='关于AI医疗保健趋势的综合报告',
    agent=writer_agent
)

# 创建crew
research_crew = Crew(
    agents=[researcher_agent, analyst_agent, writer_agent],
    tasks=[research_task, analysis_task, writing_task],
    process=Process.sequential,
    verbose=True
)

# 执行crew
def run_research_project():
    """运行研究项目"""
    result = research_crew.kickoff()
    return result

# 示例使用
if __name__ == "__main__":
    result = run_research_project()
    print(f"研究结果: {result}")

LangChain实现

from langchain.agents import Tool, AgentExecutor, create_react_agent
from langchain.prompts import PromptTemplate
from langchain_openai import ChatOpenAI
from langchain.schema import AgentAction, AgentFinish
import json

# 初始化语言模型
llm = ChatOpenAI(model="gpt-4", temperature=0)

# 定义协作工具
def coordinate_agents(agents_info: str, task: str) -> str:
    """协调多个智能体执行任务"""
    coordination_prompt = f"""
    协调以下智能体执行任务:
    智能体信息: {agents_info}
    任务: {task}
    
    请提供协调计划,包括:
    1. 任务分配
    2. 执行顺序
    3. 通信协议
    4. 结果整合策略
    """
    
    response = llm.invoke(coordination_prompt)
    return response.content

def synthesize_results(results: str) -> str:
    """综合多个智能体的结果"""
    synthesis_prompt = f"""
    综合以下智能体的结果:
    结果: {results}
    
    请提供综合分析和最终建议。
    """
    
    response = llm.invoke(synthesis_prompt)
    return response.content

# 定义工具
tools = [
    Tool(
        name="coordinate_agents",
        description="协调多个智能体执行任务",
        func=coordinate_agents
    ),
    Tool(
        name="synthesize_results",
        description="综合多个智能体的结果",
        func=synthesize_results
    )
]

# 定义提示模板
prompt = PromptTemplate(
    template="""
    你是一个多智能体协调者。你的任务是:
    1. 分析任务需求
    2. 协调适当的智能体
    3. 综合结果
    
    可用工具:
    {tools}
    
    工具名称: {tool_names}
    
    用户问题: {input}
    
    请使用适当的工具来协调智能体。
    """,
    input_variables=["input", "tools", "tool_names"]
)

# 创建智能体
agent = create_react_agent(llm, tools, prompt)
agent_executor = AgentExecutor(agent=agent, tools=tools, verbose=True)

# 示例使用
def coordinate_multi_agent_task(task: str):
    """协调多智能体任务"""
    result = agent_executor.invoke({"input": f"请协调智能体执行以下任务: {task}"})
    return result

# 运行示例
if __name__ == "__main__":
    task = "分析市场趋势并制定营销策略"
    result = coordinate_multi_agent_task(task)
    print(f"协调结果: {result}")

Google ADK实现

from google.adk.agents import LlmAgent, SequentialAgent, ParallelAgent
from google.adk.tools import google_search
from google.adk.runners import Runner
from google.adk.sessions import InMemorySessionService
from google.genai import types
import asyncio
import nest_asyncio

# 定义研究智能体
researcher_agent = LlmAgent(
    name="researcher",
    model="gemini-2.0-flash",
    instruction="""
    你是一个研究专家。你的任务是:
    1. 收集相关信息
    2. 分析数据
    3. 提供研究见解
    
    请始终以结构化的方式提供你的研究结果。
    """,
    description="专业研究智能体",
    tools=[google_search]
)

# 定义分析智能体
analyst_agent = LlmAgent(
    name="analyst",
    model="gemini-2.0-flash",
    instruction="""
    你是一个数据分析师。你的任务是:
    1. 分析研究数据
    2. 识别模式和趋势
    3. 提供分析见解
    
    请确保你的分析准确且基于数据。
    """,
    description="专业分析智能体",
    tools=[google_search]
)

# 定义综合智能体
synthesizer_agent = LlmAgent(
    name="synthesizer",
    model="gemini-2.0-flash",
    instruction="""
    你是一个综合专家。你的任务是:
    1. 整合研究结果
    2. 综合分析见解
    3. 提供最终建议
    
    请确保你的综合结果全面且实用。
    """,
    description="专业综合智能体",
    tools=[google_search]
)

# 创建协作智能体系统
collaboration_system = SequentialAgent(
    name="collaboration_system",
    sub_agents=[researcher_agent, analyst_agent, synthesizer_agent],
    description="多智能体协作系统"
)

# 运行协作系统
async def run_collaboration_system(topic: str):
    """运行协作系统"""
    session_service = InMemorySessionService()
    runner = Runner(
        agent=collaboration_system,
        app_name="collaboration_app",
        session_service=session_service
    )
    
    # 创建会话
    session = await session_service.create_session(
        app_name="collaboration_app",
        user_id="user_123",
        session_id="session_456"
    )
    
    # 发送消息
    content = types.Content(
        role='user',
        parts=[types.Part(text=f"请协作分析以下主题: {topic}")]
    )
    
    # 运行智能体
    events = runner.run(
        user_id="user_123",
        session_id="session_456",
        new_message=content
    )
    
    # 处理响应
    for event in events:
        if event.is_final_response():
            print(f"协作结果: {event.content.parts[0].text}")
            break

# 示例使用
if __name__ == "__main__":
    nest_asyncio.apply()
    asyncio.run(run_collaboration_system("人工智能的未来发展"))

一览

什么: 复杂任务通常需要多种专门知识和技能,单个智能体难以有效处理。多智能体协作通过将任务分解为专门智能体可以处理的子任务来解决这个问题。

为什么: 多智能体协作模式通过以下方式提供解决方案:

  • 利用专门智能体的独特能力
  • 实现任务并行处理
  • 提供冗余和容错能力
  • 支持复杂决策过程
  • 促进知识共享和协作

经验法则: 当任务需要多种专门知识、涉及复杂决策过程或需要高可靠性和容错能力时使用多智能体协作模式。

关键要点

  • 多智能体协作通过专门智能体的协调实现复杂任务
  • 有效的协作需要清晰的通信协议和角色定义
  • 协作模式包括顺序、并行、层次和混合方法
  • 现代框架如Crew AI、LangChain和Google ADK提供协作支持
  • 协作系统可以提供比单个智能体更好的性能和可靠性
  • 设计协作系统时需要考虑通信开销和协调复杂性

结论

多智能体协作模式是构建能够处理复杂、多领域任务的智能体系统的强大方法。通过将任务分解为专门智能体可以处理的子任务,并建立有效的协作机制,多智能体系统可以实现比单个智能体更好的性能和可靠性。

掌握多智能体协作模式对于构建能够处理现实世界复杂性的智能体系统至关重要。它提供了将复杂任务分解为可管理组件并协调多个智能体实现共同目标所需的工具和技术。

参考文献

  1. Crew AI文档:https://docs.crewai.com/
  2. LangChain多智能体指南:https://python.langchain.com/docs/use_cases/multi_agent/
  3. Google ADK文档:https://google.github.io/adk-docs/
  4. 多智能体系统研究:https://arxiv.org/abs/2308.11452