基于交通路網(wǎng)狀態(tài)感知的交通信號(hào)配時(shí)優(yōu)化技術(shù)

胡小光 胡曉杰

摘 要：本文提出多通道的3D卷積預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合Double-DQN的配時(shí)控制策略，并將其與Deep-Q-learning、Q-learning進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，多通道的3D卷積預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合Double-DQN的控制策略明顯優(yōu)于Q-learning和Deep-Q-learning。

關(guān)鍵詞：智能交通信號(hào)配時(shí);3D卷積;深度強(qiáng)化學(xué)習(xí);多通道矩陣;Double-DQN

中圖分類號(hào)：U491.54文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）16-0018-04

Abstract： In this paper， a multi-channel 3D convolution prediction network combined with Double-DQN timing control strategy was proposed， which was compared with Deep-Q-Learning and Q-Learning. The results show that the control strategy of multi-channel 3D convolution prediction network combined with Double-DQN timing control strategy is obviously better than Q-learning and Deep-Q-learning.

Keywords： traffic signal timing control;3D convolution neural network;deep reinforcement learning;multilevel network;Double-DQN

智能交通信號(hào)配時(shí)是一種緩解交通擁堵的有效手段。智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代末70年代初。由于交通狀況是隨機(jī)的，可變性以及不確定性強(qiáng)，因此，很難訓(xùn)練出適合的模型對(duì)交通信號(hào)進(jìn)行控制。強(qiáng)化學(xué)習(xí)的常見模型是標(biāo)準(zhǔn)的馬爾可夫決策過程（Markov Decision Process，MDP）。強(qiáng)化學(xué)習(xí)是一類重要的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，它通過與環(huán)境的交互來學(xué)習(xí)最優(yōu)的控制決策[1]。交通信號(hào)控制領(lǐng)域很早就開始運(yùn)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法來解決交通控制問題。隨著深度學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的發(fā)展，它們被結(jié)合為深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)用來估計(jì)[Q]值以代替復(fù)雜的[Q]值表。DeepMind團(tuán)隊(duì)將最新的AlphaGo論文發(fā)布在Nature上，使得深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法受到多數(shù)研究人員的關(guān)注[2]。隨著交通路網(wǎng)的擴(kuò)大，道路信息變得復(fù)雜，對(duì)智能信號(hào)控制模型進(jìn)行優(yōu)化是探索智能交通的必經(jīng)之路。

1 控制模型

1.1 相位

相位是對(duì)交通信號(hào)控制的簡(jiǎn)單描述。一般情況下，相位越大，交通越容易擁堵。相位一代表南北方向允許通行（南北方向綠燈），東西方向等待（東西方向紅燈）;相位二則與相位一相反。圖1是一個(gè)三岔口和一個(gè)四岔口的相位模型的相位一（三岔口可以右轉(zhuǎn)、四岔口南北方向綠燈）。信號(hào)時(shí)長[g]是固定的，指相位持續(xù)的時(shí)間。當(dāng)前，相位信號(hào)時(shí)長[g]結(jié)束后下一個(gè)相位自適應(yīng)選擇合適相位執(zhí)行下個(gè)信號(hào)時(shí)長[g]。信號(hào)時(shí)長[g]可以根據(jù)不同大小的仿真交通地圖更改，從而得到合適的信號(hào)時(shí)長[g]。

1.2 強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制模型

強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制模型如圖2所示。交通燈控制智能體（Agent）通過實(shí)時(shí)地與環(huán)境進(jìn)行交互，在每個(gè)時(shí)間步[t]，控制智能體（Agent）獲取到路網(wǎng)的狀態(tài)[St]和獎(jiǎng)勵(lì)[r]，同時(shí)返回給路網(wǎng)一個(gè)最優(yōu)控制命令。

1.3 Double-DQN

在智能交通信號(hào)配時(shí)中，隨著時(shí)間的推動(dòng)，Q-learning中建立復(fù)雜的[Q]值表變得尤其煩瑣。因此，需要訓(xùn)練一個(gè)價(jià)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Vnet來實(shí)時(shí)計(jì)算出預(yù)測(cè)[Q]值，在訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，路網(wǎng)的狀態(tài)[St]、動(dòng)作[a]和獎(jiǎng)勵(lì)[r]作為輸入。

為解決DQN中[Q]值過高估計(jì)的問題，在Double-DQN里，不再是直接在目標(biāo)Q網(wǎng)絡(luò)里找各個(gè)動(dòng)作中最大值，而是先在當(dāng)前Q網(wǎng)絡(luò)中找出最大[Q]值對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，然后利用這個(gè)選擇出來的動(dòng)作amax（S′j，w）在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)里面計(jì)算目標(biāo)[Q]值。研究結(jié)果表明：Q-learning、DQN兩種算法[3]在應(yīng)用過程中都有可能得到不符合實(shí)際情況的高動(dòng)作值。Double-DQN算法通過下列基本原理解決這一問題：不再是直接在目標(biāo)Q網(wǎng)絡(luò)里面找各個(gè)動(dòng)作中最大[Q]值，而是先在當(dāng)前Q網(wǎng)絡(luò)中先找出最大[Q]值對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

2 基于Double-DQN的交通信號(hào)控制算法

2.1 建立多個(gè)交叉感受野的路網(wǎng)模型

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿造生物的視知覺機(jī)制構(gòu)建，可以進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)和非監(jiān)督學(xué)習(xí)，其隱含層內(nèi)的卷積核參數(shù)共享和層間連接的稀疏性使得卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以較小的計(jì)算量對(duì)格點(diǎn)化特征，例如，像素和音頻進(jìn)行學(xué)習(xí)、有穩(wěn)定的效果且對(duì)數(shù)據(jù)沒有額外的特征工程要求。本研究采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行特征提取[4]。

因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入是矩陣，所以研究者把收集到的路網(wǎng)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)變?yōu)榫仃嚨男问?，作為預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，在收集道路信息時(shí)按照空間順序進(jìn)行移動(dòng)來收集道路特征。如圖3所示，將路網(wǎng)劃分成多個(gè)相互重疊的區(qū)域，不僅保證了不同區(qū)域之間的關(guān)聯(lián)性，并且保證了對(duì)路網(wǎng)感知的全局性。

2.2 路網(wǎng)狀態(tài)獲取

根據(jù)路網(wǎng)道路的車輛密度和車輛平均通過速度來刻畫狀態(tài)[St]。先將整個(gè)路網(wǎng)分成若干個(gè)相互重疊的區(qū)域，按照每個(gè)區(qū)域?qū)β肪W(wǎng)進(jìn)行遍歷和規(guī)范化，規(guī)范化后得到多通道的矩陣[C]。

2.3 車輛密度和車輛平均行駛速度計(jì)算

2.3.1 道路車輛密度[d]計(jì)算。假定在交通路網(wǎng)中各邊道路共計(jì)[q]條，各車道長[long]，有車輛[m]臺(tái)，汽車長設(shè)定為[vehicle_long]，則路網(wǎng)車輛密度[d]計(jì)算公式為：

2.3.2 車輛平均行駛速度[ave_v]計(jì)算。假定在某一條道路上，道路長度為[long]，[tm]時(shí)間段內(nèi)通過此道路的車輛數(shù)為[m]臺(tái)，則在時(shí)間段[tm]內(nèi)車輛的平均行駛速度計(jì)算公式為：

2.4 多通道的3D卷積預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合Double-DQN

3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入是通過堆疊多個(gè)連續(xù)的幀組成一個(gè)立方體，然后在立方體中運(yùn)用3D卷積核。與2D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更適合用于對(duì)時(shí)空特征的提取方面，這主要是因?yàn)?D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能更有效地建立時(shí)間相關(guān)數(shù)據(jù)模型[5]。本研究在收集路網(wǎng)狀態(tài)信息時(shí)，收集3個(gè)連續(xù)的時(shí)間片段，且每一個(gè)時(shí)間片段均對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行寬度優(yōu)先遍歷，分別收集每條道路中的四個(gè)交通狀態(tài)特征：流出車輛的密度、流入車輛的密度、流入道路車輛通過速度、流出道路車輛通過速度。這樣就可以得到12個(gè)道路狀態(tài)矩陣，如圖4所示，從而作為預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，在融合時(shí)間特征的基礎(chǔ)上收集多個(gè)通道的道路狀態(tài)特征，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入做了重要的數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)。

2.5 Inception模型在預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

受Inception V1、V2模型啟發(fā)，在3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中引進(jìn)了Inception V1、V2模型，引入1×1卷積核，以降低卷積運(yùn)算量，同時(shí)增加了網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，用多個(gè)小的卷積核代替某一個(gè)或多個(gè)大的卷積核，大大節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)的個(gè)數(shù)。

2.5.1 Inception V2網(wǎng)絡(luò)模型。借鑒Inception V2模型，以感受野尺寸25為例，用兩個(gè)3×3的卷積核代替之前5×5的卷積核，擁有相同的感受野，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的參數(shù)個(gè)數(shù)。

之前的訓(xùn)練參數(shù)：

式中：[C1]是輸入矩陣通道數(shù);[C2]是卷積核個(gè)數(shù)。

改進(jìn)后訓(xùn)練參數(shù)：

式中：[C1]是輸入矩陣通道數(shù);[C2]是卷積核個(gè)數(shù)。

改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)明顯減少，網(wǎng)絡(luò)深度加深，網(wǎng)絡(luò)的非線性映射和網(wǎng)絡(luò)的擬合能力增強(qiáng)。但是，Inception V2模型的缺點(diǎn)也很明顯，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用兩個(gè)3×3的卷積核代替之前5×5的卷積核，使得卷積運(yùn)算量變大，加入Inception V2模型后卷積運(yùn)算量變大為3.6萬。

2.5.2 解決預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積運(yùn)算量過大問題。為了解決因引入Inception V2模型使得卷積運(yùn)算量變大這一問題，考慮在預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中加入1×1卷積核。1×1卷積核有跨通道特征整合、特征通道的升維降維、降低卷積運(yùn)算量的作用。在本試驗(yàn)中以感受野尺寸25為例，在引入Inception V2模型的基礎(chǔ)上每兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中間加入6個(gè)1×1卷積核后使得原來的卷計(jì)算量由3.6萬降低為2.5萬，在加深了網(wǎng)絡(luò)深度的基礎(chǔ)上盡可能地降低卷積運(yùn)算量。預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)如表1所示，共有8層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Conv1—Conv8）。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 SUMO仿真試驗(yàn)

為了對(duì)Deep-Q-learning、Q-learning以及多通道的3D卷積結(jié)合Double-DQN配時(shí)控制策略性能進(jìn)行對(duì)比，研究者將三種控制策略同時(shí)分配在城市交通仿真系統(tǒng)（Simulation of Urban Mobility，SUMO）中，用SUMO系統(tǒng)模擬交通車輛的行駛，并記錄需要進(jìn)行對(duì)比的性能指標(biāo)，從而得出結(jié)論。仿真試驗(yàn)的路網(wǎng)設(shè)定交叉口總計(jì)160個(gè)，共有123個(gè)交叉口有紅綠燈，15個(gè)出車點(diǎn)，15個(gè)收車點(diǎn)。試驗(yàn)分為2.5 s和5 s兩個(gè)流量級(jí)別，0 s自起點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過特定間隔依序出發(fā)去向終點(diǎn)，出車總時(shí)長20 000 s。

3.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)使用兩個(gè)指標(biāo)用來衡量Q-learning、Deep-Q-learning以及多通道的3D卷積結(jié)合Double-DQN三種不同控制策略的性能。其中，指標(biāo)一是車輛在10 s內(nèi)的平均等待時(shí)間，指標(biāo)二是當(dāng)前時(shí)刻全路網(wǎng)中的車輛總數(shù)，這兩個(gè)衡量指標(biāo)都是越小代表控制策略性能越優(yōu)秀。圖6是在SUMO仿真環(huán)境下設(shè)置1、2級(jí)流量，Q-learning、Deep-Q-learning以及多通道的3D卷積結(jié)合Double-DQN三種不同控制策略的兩種性能指標(biāo)結(jié)果分析圖。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析圖可知，多通道的3D卷積結(jié)合Double-DQN的控制策略明顯優(yōu)于Q-learning和Deep-Q-learning這兩種控制策略。

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