Learning Decentralized Traffic Signal Controllers with Multi-Agent Graph Reinforcement Learning

计算机科学 强化学习 可扩展性 图形 分布式计算 网络拓扑 可观测性 分散系统 理论计算机科学 拓扑(电路) 人工智能 控制(管理) 计算机网络 数学 组合数学 数据库 应用数学
作者
Yao Zhang,Zhiwen Yu,Jun Zhang,Liang Wang,Tom H. Luan,Bin Guo,Chau Yuen
出处
期刊:IEEE Transactions on Mobile Computing [IEEE Computer Society]
卷期号:: 1-16
标识
DOI:10.1109/tmc.2023.3332081
摘要

This paper considers optimal traffic signal control in smart cities, which has been taken as a complex networked system control problem. Given the interacting dynamics among traffic lights and road networks, attaining controller adaptivity and scalability stands out as a primary challenge. Capturing the spatial-temporal correlation among traffic lights under the framework of Multi-Agent Reinforcement Learning (MARL) is a promising solution. Nevertheless, existing MARL algorithms ignore effective information aggregation which is fundamental for improving the learning capacity of decentralized agents. In this paper, we design a new decentralized control architecture with improved environmental observability to capture the spatial-temporal correlation. Specifically, we first develop a topology-aware information aggregation strategy to extract correlation-related information from unstructured data gathered in the road network. Particularly, we transfer the road network topology into a graph shift operator by forming a diffusion process on the topology, which subsequently facilitates the construction of graph signals. A diffusion convolution module is developed, forming a new MARL algorithm, which endows agents with the capabilities of graph learning. Extensive experiments based on both synthetic and real-world datasets verify that our proposal outperforms existing decentralized algorithms.
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