结合状态预测的深度强化学习交通信号控制

深度强化学习（deep reinforcement learning,DRL）可广泛应用于城市交通信号控制领域,但在现有研究中,绝大多数的DRL智能体仅使用当前的交通状态进行决策,在交通流变化较大的情况下控制效果有限。提出一种结合状态预测的DRL信号控制算法。首先,利用独热编码设计简洁且高效的交通状态;然后,使用长短期记忆网络（long short-term memory,LSTM）预测未来的交通状态;最后,智能体根据当前状态和预测状态进行最优决策。在SUMO（simulation of urban mobility）仿真平台上的实验结果表明,在单交叉口、多交叉口的多种交通流量条件下,与三种典型的信号控制算法相比,所提算法在平均等待时间、行驶时间、燃油消耗、CO2排放等指标上都具有最好的性能。     

融合认知行为模型的深度强化学习框架及算法

面对高维连续状态空间或稀疏奖励等复杂任务时,仅依靠深度强化学习算法从零学习最优策略十分困难,如何将已有知识表示为人与学习型智能体之间相互可理解的形式,并有效地加速策略收敛仍是一个难题.对此,提出一种融合认知行为模型的深度强化学习框架,将领域内先验知识建模为基于信念-愿望-意图(belief- desire-intention, BDI)的认知行为模型,用于引导智能体策略学习.基于此框架,分别提出融合认知行为模型的深度Q学习算法和近端策略优化算法,并定量化设计认知行为模型对智能体策略更新的引导方式.最后,通过典型gym环境和空战机动决策对抗环境,验证所提出算法可以高效利用认知行为模型加速策略学习,有效缓解状态空间巨大和环境奖励稀疏的影响.     

基于深度强化学习的交通信号控制方法

交通信号的智能控制是智能交通研究中的热点问题。为更加及时有效地自适应协调交通,文中提出了一种基于分布式深度强化学习的交通信号控制模型,采用深度神经网络框架,利用目标网络、双Q网络、价值分布提升模型表现。将交叉路口的高维实时交通信息离散化建模并与相应车道上的等待时间、队列长度、延迟时间、相位信息等整合作为状态输入,在对相位序列及动作、奖励做出恰当定义的基础上,在线学习交通信号的控制策略,实现交通信号Agent的自适应控制。为验证所提算法,在SUMO(Simulation of Urban Mobility)中相同设置下,将其与3种典型的深度强化学习算法进行对比。实验结果表明,基于分布式的深度强化学习算法在交通信号Agent的控制中具有更好的效率和鲁棒性,且在交叉路口车辆的平均延迟、行驶时间、队列长度、等待时间等方面具有更好的性能表现。     

基于经验知识的Q-学习算法

为了提高智能体系统中的典型的强化学习Q-学习的学习速度和收敛速度,使学习过程充分利用环境信息,本文提出了一种基于经验知识的Q-学习算法.该算法利用具有经验知识信息的函数,使智能体在进行无模型学习的同时学习系统模型,避免对环境模型的重复学习,从而加速智能体的学习速度.仿真实验结果表明:该算法使学习过程建立在较好的学习基础上,从而更快地趋近于最优状态,其学习效率和收敛速度明显优于标准的Q-学习.     

基于深度强化学习的网络攻击路径规划方法

攻击路径规划对实现自动化渗透测试具有重要意义,在现实环境中攻击者很难获取全面准确的网络及配置信息,面向未知渗透测试环境下的攻击路径规划,提出了基于深度强化学习的攻击路径规划方法。首先,对渗透测试问题的状态空间和动作空间进行形式化描述,引入信息收集动作增强对环境的感知能力。然后,智能体通过与环境的自主交互进行学习,寻找最大化长期收益的最优策略,从而指导攻击者进行路径规划。当前深度强化学习算法应用于攻击路径规划存在适应性不强和收敛困难等问题,限制了其处理复杂渗透测试环境的能力。智能体在训练初期通过盲目探索得到的动作序列在维度迅速增长时质量会急剧下降,有时很难完成目标,而且低质量的动作序列大量积累会导致算法不收敛甚至神经元死亡。针对此问题,本文提出的深度强化学习算法在DDQN算法的基础上增加了路径启发信息和深度优先渗透的动作选择策略。路径启发信息充分利用历史经验,在训练初期对智能体的学习过程加以引导,深度优先渗透的动作选择策略在一定程度上对动作空间进行了剪枝,加速智能体的学习过程。最后,通过与其他深度强化学习算法在相同实验条件下的对比,验证了本文算法收敛速度更快,运行时间缩短30%以上。     

基于对手动作预测的智能博弈对抗算法

智能博弈对抗场景中，多智能体强化学习算法存在“非平稳性”问题，智能体的策略不仅取决于环境，还受到环境中对手（其他智能体）的影响。根据对手与环境的交互信息，预测其策略和意图，并以此调整智能体自身策略是缓解上述问题的有效方式。提出一种基于对手动作预测的智能博弈对抗算法，对环境中的对手进行隐式建模。该算法通过监督学习获得对手的策略特征，并将其与智能体的强化学习模型融合，缓解对手对学习稳定性的影响。在1v1足球环境中的仿真实验表明，提出的算法能够有效预测对手的动作，加快学习收敛速度，提升智能体的对抗水平。     

智能车辆深度强化学习的模型迁移轨迹规划方法

针对智能驾驶车辆传统路径规划中出现车辆模型跟踪误差和过度依赖问题,提出一种基于深度强化学习的模型迁移的智能驾驶车辆轨迹规划方法.首先,提取真实环境的抽象模型,该模型利用深度确定性策略梯度(DDPG)和车辆动力学模型,共同训练逼近最优智能驾驶的强化学习模型;其次,通过模型迁移策略将实际场景问题迁移至虚拟抽象模型中,根据该环境中训练好的深度强化学习模型计算控制与轨迹序列;而后,根据真实环境中评价函数选择最优轨迹序列.实验结果表明,所提方法能够处理连续输入状态,并生成连续控制的转角控制序列,减少横向跟踪误差;同时通过模型迁移能够提高模型的泛化性能,减小过度依赖问题.     

基于多智能体强化学习的乳腺癌致病基因预测

通过分析基因突变过程, 提出利用强化学习对癌症患者由正常状态至患病状态的过程进行推断, 发现导致患者死亡的关键基因突变. 首先, 将基因视为智能体, 基于乳腺癌突变数据设计多智能体强化学习环境; 其次, 为保证智能体探索到与专家策略相同的策略和满足更多智能体快速学习, 根据演示学习理论, 分别提出两种多智能体深度Q网络: 基于行为克隆的多智能体深度Q网络和基于预训练记忆的多智能体深度Q网络; 最后, 根据训练得到的多智能体深度Q网络进行基因排序, 实现致病基因预测. 实验结果表明, 提出的多智能体强化学习方法能够挖掘出与乳腺癌发生、发展过程密切相关的致病基因.     

基于自注意力机制和策略映射重组的多智能体强化学习算法

多智能体强化学习(Multi-Agent Reinforcement Learning,MARL)在群体控制领域中被广泛应用,但由于单个智能体的马尔可夫决策模型被破坏,现有的MARL算法难以学习到最优策略,且训练中智能体的随机性会导致策略不稳定.本文从状态空间到行为空间的映射出发,研究同构多智能体系统的耦合转换,以提高策略的先进性及稳定性.首先,我们调查了同构智能体行为空间的重组,打破智能体与策略对应的固定思维,通过构建抽象智能体将智能体之间的耦合转换为不同智能体行为空间同一维度的耦合,以提高策略网络的训练效率和稳定.随后,在重组策略映射的基础上,我们从序列决策的角度出发,为抽象智能体的策略网络和评估网络分别设计自注意力模块,编码并稀疏化智能体的状态信息.重组后的状态信息经过自注意力编码后,能显示地解释智能体的决策行为.本文在三个常用的多智能体任务上对所提出方法的有效性进行了全面的验证和分析,实验结果表明,在集中奖励的情况下,本文所提出的方法能够学到比基线方法更为先进的策略,平均回报提高了20%,且训练过程与训练结果的稳定性提高了50%以上.多个对应的消融实验也分别验证了抽象智能体与自...     

基于加权值函数分解的多智能体分层强化学习技能发现方法

针对目前大多数多智能体强化学习算法在智能体数量增多以及环境动态不稳定的情况下导致的维度爆炸和奖励稀疏的问题，提出了一种基于加权值函数分解的多智能体分层强化学习技能发现算法。首先，该算法将集中训练分散执行的架构与分层强化学习相结合，在上层采用加权值函数分解的方法解决智能体在训练过程中容易忽略最优策略而选择次优策略的问题；其次，在下层采用独立Q学习算法使其能够在多智能体环境中分散式地处理高维复杂的任务；最后，在底层独立Q学习的基础上引入技能发现策略，使智能体之间相互学习互补的技能。分别在简易团队运动和星际争霸Ⅱ两个仿真实验平台上对该算法与多智能体强化学习算法和分层强化学习算法进行对比，实验表明，该算法在奖励回报以及双方对抗胜率等性能指标上都有所提高，提升了整个多智能体系统的决策能力和收敛速度，验证了算法的可行性。     

基于注意力机制的深度强化学习交通信号控制

深度强化学习（DRL）广泛应用于具有高度不确定性的城市交通信号控制问题中,但现有的DRL交通信号控制方法中,仅仅使用传统的深度神经网络,复杂交通场景下其感知能力有限。此外,状态作为强化学习的三要素之一,现有方法中的交通状态也需要人工精心的设计。因此,提出了一种基于注意力机制（attention mechanism）的DRL交通信号控制算法。通过引入注意力机制,使得神经网络自动地关注重要的状态分量以增强网络的感知能力,提升了信号控制效果,并减少了状态向量设计的难度。在SUMO（simulation of urban mobility）仿真平台上的实验结果表明,在单交叉口、多交叉口中,在低、高交通流量条件下,仅仅使用简单的交通状态,与三种基准信号控制算法相比,所提算法在平均等待时间、行驶时间等指标上都具有最好的性能。     

基于行人安全的交通信号灯智能控制算法研究

提出了一种基于深度确定性策略梯度(DDPG, deep deterministic policy gradient)的行人安全智能交通信号控制算法;通过对交叉口数据的实时观测,综合考虑行人安全与车辆通行效率,智能地调控交通信号周期时长,相位顺序以及相位持续时间,实现交叉路口安全高效的智能控制;同时,采用优先经验回放提高采样效率,加速了算法收敛;由于行人安全与车辆通行效率存在相互矛盾,研究中通过精确地设计强化学习的奖励函数,折中考虑行人违规引起的与车辆的冲突量和车辆通行的速度,引导交通信号灯学习路口行人的行为,学习最佳的配时方案;仿真结果表明在动态环境下,该算法在行人与车辆冲突量,车辆的平均速度、等待时间和队列长度均优于现有的固定配时方案和其他的智能配时方案。     

基于GA-PDD的干线信号协调控制优化

针对城市交通干线负荷量大、信号配时计算效率低、协调优化约束条件多的特点,提出了基于比例分配解码方法的遗传算法(GA-PDD)协调控制策略,采用交通波理论建立了排队长度预测模型并以干线系统内车辆平均延误时间最小为目标函数建立了遗传算法优化模型,采用比例分配解码方法来进行求解.分别采用单点信号控制、定时协调信号控制和基于GA-PDD的协调控制3种控制策略对某城市干线实例进行对比仿真实验,仿真结果表明,随着调用周期的增大,GA-PDD控制策略的车辆平均停车次数和延误时间逐渐减小,调用周期在15 min及以上时,优于单点信号控制和定时协调控制,验证了不频繁剧烈地改变干线上的信号周期和相位差时,GA-PDD控制策略具有可行性和有效性.     

基于多视图集成的网络表示学习算法

现有的网络表示学习算法主要为基于浅层神经网络的网络表示学习和基于神经矩阵分解的网络表示学习。基于浅层神经网络的网络表示学习又被证实是分解网络结构的特征矩阵。另外,现有的大多数网络表示学习仅仅从网络的结构学习特征,即单视图的表示学习;然而,网络本身蕴含有多种视图。因此,文中提出了一种基于多视图集成的网络表示学习算法(MVENR)。该算法摈弃了神经网络的训练过程,将矩阵的信息融合和分解思想融入到网络表示学习中。另外,将网络的结构视图、连边权重视图和节点属性视图进行了有效的融合,弥补了现有网络表示学习中忽略了网络连边权重的不足,解决了基于单一视图训练时网络特征稀疏的问题。实验结果表明,所提MVENR算法的性能优于网络表示学习中部分常用的联合学习算法和基于结构的网络表示学习算法,是一种简单且高效的网络表示学习算法。     

交通信号控制系统的多agent协调研究

基于agent技术,对城市交通信号进行多agent协调控制研究。首先给出了路口agent的组成和结构,然后提出了路口等待车辆数矩阵、道路因子矩阵、交通负荷度矩阵和绿信调节矩阵,在此基础上对路口阻塞和路段特殊事件建立了协调模型,提出了协调算法。     

基于深度强化学习的燃料电池混合动力汽车能量管理策略研究

为提高燃料电池混合动力汽车的燃油经济性和燃料电池寿命,该文提出一种基于深度强化学习(Deep Reinforcement Learning,DRL)的能量管理策略.该策略首先在DRL奖励信号中加入寿命因子,通过降低燃料电池功率波动,起到延长燃料电池寿命的效果;其次,通过限制DRL的动作空间的方法,使燃料电池系统工作在高...     

基于强化学习的交通情景问题决策优化

在复杂交通情景中求解出租车路径规划决策问题和交通信号灯控制问题时,传统强化学习算法在收敛速度和求解精度上存在局限性;因此提出一种改进的强化学习算法求解该类问题。首先,通过优化的贝尔曼公式和快速Q学习（SQL）机制,以及引入经验池技术和直接策略,提出一种改进的强化学习算法GSQL-DSEP;然后,利用GSQL-DSEP算法分别优化出租车路径规划决策问题中的路径长度与交通信号灯控制问题中的车辆总等待时间。相较于Q学习、快速Q学习（SQL）、、广义快速Q学习（GSQL）、Dyna-Q算法,GSQL-DSEP算法在性能测试中降低了至少18.7%的误差,在出租车路径规划决策问题中使决策路径长度至少缩短了17.4%,在交通信号灯控制问题中使车辆总等待时间最多减少了51.5%。实验结果表明,相较于对比算法,GSQL-DSEP算法对解决交通情景问题更具优势。     

快速路入口匝道与衔接交叉口协调控制策略

提出一种入口匝道与衔接道路交叉口协调控制的策略。采用ALINEA入口匝道控制方法保证主线畅通的前提下,在入口匝道与衔接交叉口均无超长排队时,以入口匝道与衔接信号控制交叉口车均延误最小化为目标;入口匝道无超长排队而衔接交叉口关联相位存在超长排队时,采用衔接交叉口关联相位延长控制策略;在入口匝道存在超长排队而衔接交叉口关联相位无超长排队时,采用衔接交叉口关联相位提前结束控制策略。采用cell transmission model模型构筑入口匝道控制与相衔接交叉口协调控制的模型,实时动态优化地面交叉口的周期跟绿信比。研究结果表明：采用提出的控制方法,衔接交叉口的车均延误虽然有轻微增加,但可以有效防止入口匝道的拥堵蔓延至普通道路,从而可以保证出口匝道衔接区域的畅通,衔接区域的车均延误减少。