A Novel Framework Combining MPC and Deep Reinforcement Learning With Application to Freeway Traffic Control

模型预测控制 强化学习 水准点(测量) 计算机科学 测光模式 约束(计算机辅助设计) 组分(热力学) 控制(管理) 补语(音乐) 领域(数学) 工程类 控制工程 人工智能 物理 基因 表型 热力学 机械工程 化学 生物化学 互补 纯数学 地理 数学 大地测量学
作者
Dingshan Sun,Anahita Jamshidnejad,Bart De Schutter
出处
期刊:IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:25 (7): 6756-6769 被引量:14
标识
DOI:10.1109/tits.2023.3342651
摘要

Model predictive control (MPC) and deep reinforcement learning (DRL) have been developed extensively as two independent techniques for traffic management. Although the features of MPC and DRL complement each other very well, few of the current studies consider combining these two methods for application in the field of freeway traffic control. This paper proposes a novel framework for integrating MPC and DRL methods for freeway traffic control that is different from existing MPC-(D)RL methods. Specifically, the proposed framework adopts a hierarchical structure, where a high-level efficient MPC component works at a low frequency to provide a baseline control input, while the DRL component works at a high frequency to modify online the output generated by MPC. The control framework, therefore, needs only limited online computational resources and is able to handle uncertainties and external disturbances after proper learning with enough training data. The proposed framework is implemented on a benchmark freeway network in order to coordinate ramp metering and variable speed limits, and the performance is compared with standard MPC and DRL approaches. The simulation results show that the proposed framework outperforms standalone MPC and DRL methods in terms of total time spent (TTS) and constraint satisfaction, despite model uncertainties and external disturbances.
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