智能交通（8）——腾讯开悟智能交通信号灯调度赛道

本文档用于记录参加腾讯开悟智能信号灯调度赛道的模型优化过程。官方提供了dqn和target_dqn算法，模型的优化在官方提供的代码基础上进行。最终排名是在榜单16，没能进入最后的决赛。

一.赛题介绍

赛题简介：在本地赛题中，参赛团队需要在平台提供的仿真交通场景下，通过算法模型驱动交通信号灯，以在各种交通状况（高峰期、雨天等）下都能最大程度地服务车辆，使其在模拟环境中获得综合最大得分。

赛题目标：参赛团队需要在指定的时间内，本地训练并提交一个模型，并在最终考核中控制交通信号灯在场景中获得尽可能多的得分。

得分规则：参赛团队提交模型后，根据以下指标进行综合得分计算：

平均车辆排队长度：位于交叉口内进口车道上处于等待状态的平均车辆数量。

平均车辆延误：位于交叉口内进口车道上所有车辆的平均延误时间。

平均车速：位于交叉口内进口车道上所有车辆的平均速度。

排名规则：在参赛团队提交的模型评估得分后，根据得分进行排名。排名前12的团队进入专家评审环节。综合参考模型得分及专家评审成绩，形成总成绩，最后按照总成绩从高到低进行最终排名。（具体评审细则待公布）

二.特征处理

三个函数分别用于特征处理，动作处理和样本处理。官方进行了部分的特征处理，在原始的observation_process函数中获取到了车辆的位置和速度。

在原函数的处理之下，加入了加速度和等待时间。

车辆信息：

 除了车辆信息以外，尝试加入了车道信息和交叉口的信息。

车道信息：

交叉口信息：

最后的状态向量：

但是最终提交的版本中还是只用加入了车辆信息，其他的特征信息尝试加入以后效果反而变差了（也有可能是我代码设计的问题）。车辆信息主要是在原始的基础上加入了加速度和车辆等待时间.

三.奖励函数

  奖励函数分为相位奖励和持续时间奖励，相位奖励即为切换信号灯所带来的奖励，持续时间奖励指的是该信号灯持续所带来的奖励，原始的奖励函数采用了平均等待时间作为奖励，持续时间的奖励等于相位奖励，本赛题的评估指标有平均等待时间，平均排队长度，平均车辆延误。于是尝试多奖励组合，即平均等待时间，平均排队长度，平均车辆延误的加权和，公式为：W1 * 平均等待时间 + W2 * 平均排队长度 + W3 * 平均车辆延误，但经过测试，效果提升不大，有论文指出，可以用平均排队长度代替平均排队长度，它们呈线性相关，所以可能提升不大。

参考2019的论文，PressLight的压力计算方式，采用压力，平均等待时间，平均排队长度，平均车辆延误的加权和，公式为：W1 * 平均等待时间 + W2 * 平均排队长度 + W3 * 平均车辆延误 + W4 * 压力值，效果稍微好了一些，但是由于超参数过多，很难进行调参，只能凭感觉进行调参。

在此的基础上，进行了奖励的归一化。同时采取动态调整权重。

四.策略优化

dqn算法已经比较成熟，尝试在dqn的基础上使用变种dqn，尝试了Double dqn,Dueling DQN，同时也尝试了A2C算法.目前效果比较好的是Dueling DQN。

先介绍一下传统的dqn算法。

传统的dqn算法其实就是用神经网络来代替q-learing中的q表，举一个简单的列子，超级玛丽大家都玩过，其动作选择其实也比较简单，上下左右，所谓的q表就是记录选择每个动作以后的得分，假设选择上可以吃到宝箱，得3分，选择左和右不得分，选择下就死亡，扣100分，那么q表中上的评分则是最高的，下最低，选择的动作即为q值最高的动作。而如果使用 DQN，神经网络将学习一个函数，该函数可以根据当前游戏屏幕的像素值预测每个动作的预期奖励。这样，代理可以根据网络的输出来选择动作，而不需要显式地存储一个巨大的 Q 表。

Dueling DQN：

Dueling DQN是DQN的一种变种算法，它在传统Vanilla DQN的基础上只进行了微小的改动，却大幅提升了DQN的表现能力。具体来说就是Dueling DQN并未直接来估计Q值函数，而是通过估计V状态价值函数和A优势函数来间接获得Q值函数。

在标准DQN中，Q值函数表示的是在给定状态下执行某个动作的总价值。然而，在很多状态下，动作之间的价值差异很小，导致难以区分动作的优劣。Dueling DQN 引入了一种新的网络架构，旨在更有效地学习状态的价值函数与动作的优势函数。

Dueling DQN 使用一个特殊的网络结构，将 Q 值函数分解为两个部分

1状态值函数 V(s)：表示在状态 s下的预期总回报，而不考虑具体的动作。

2. 优势函数 A(s,a)：表示在状态 s下选择动作 a 相对于其他动作的优势。

网络的最后一层不再直接输出 Q 值，而是先计算状态值函数和优势函数，然后通过以下公式组合成 Q 值：

V(s) 是状态值函数，表示在状态 s下的价值。A(s,a) 是优势函数，表示在状态 s下动作 a相对于其他动作的相对优势。通过减去优势函数的平均值，消除由于相对优势引起的偏差。这个架构的优点在于，即使在一些情况下不同动作的价值相差不大，网络仍然可以通过状态值函数学到重要的信息，从而更好地评估和选择动作。

Double DQN：

Double DQN（Double Deep Q-Network）是一种改进版的DQN算法，用于解决传统DQN算法中过度估计Q值的问题。在DQN中，目标Q值是通过选择当前网络中预测的最大Q值来计算的，而这可能导致某些动作的价值被高估。Double DQN引入了双网络结构来缓解这个问题。具体来说，它使用当前Q网络来选择动作，但使用目标Q网络来评估该动作的Q值，从而更准确地计算目标Q值，减少了过估计的偏差。

软更新：

软更新（Soft Update）是一种更新目标网络的方式，区别于硬更新（Hard Update）。在硬更新中，目标网络会每隔固定的时间完全替换为当前Q网络。而在软更新中，目标网络是逐步更新的，使用指数移动平均的方法：

θ′=τθ+(1−τ)θ ′其中，θ ′是目标网络的参数，θ是当前网络的参数，τ是一个很小的系数（如0.001），表示每次只更新目标网络的一小部分权重。这样可以使目标网络的更新更加平滑，减少训练中的不稳定性。

多DQN决策：

多模型决策机制，旨在通过集成多个DQN模型（model, model2, model3）的输出，进行更加稳健的决策。这种策略通过引入多个模型，可以降低单个模型预测不准确时的风险，并通过融合机制提高决策的可靠性。

通过集成多个模型，系统能够在多个模型之间进行权衡，使得最终决策更具有鲁棒性。相比于单一模型，多个模型的集成可以有效减小预测中的偏差和方差，尤其是在面对不确定性或复杂任务时更为有效。

三种DQN模型被同时用于同一个任务，它们的作用是在给定输入特征（feature）的情况下，预测下一步的动作（action），即交通信号的相位（phase）和持续时间（duration）。

多模型的独立决策

代码首先通过三个独立的DQN模型进行推理，每个模型根据输入特征（feature）给出一个动作预测。动作被分解成两个部分：

Phase（相位）：交通信号灯的相位，可以理解为当前路口哪个方向的车流应该被放行。

Duration（持续时间）：该相位保持的时间，即信号灯持续亮灯的时间。

多模型结果的融合策略

多模型决策的关键在于如何有效地融合多个模型的输出。代码采用了以下融合策略：

(1) 相位的决策：

对于每个观测数据，三个模型各自输出一个相位。

系统会在三个模型中找到出现次数最多的相位（即投票机制）。多数投票可以减少单个模型预测出错带来的影响。

如果三个模型的相位完全不同，则会随机选择一个相位。这种情况相对较少，但在模型间预测差异较大时能保证系统继续运行。

(2) 持续时间的决策：

当多个模型的相位一致时，系统计算这些相位对应的持续时间的平均值，以平衡各个模型的预测结果。

如果相位不同（比如在三个模型都预测出不同的相位时），则使用随机选中的相位对应的持续时间。