随着城市化进程加快,交通拥堵已成为制约智慧城市发展的重要问题。传统的路径规划方法(如Dijkstra、A*算法)在静态场景下能够找到最优路径,但在实际交通中,由于 交通流量、道路封闭、突发事件 等不确定因素,静态算法难以快速适应。
因此,引入 AI Agent(智能体) 并结合强化学习等方法,使其具备 自适应路径规划能力,成为智能交通系统的重要研究方向。

在智能交通场景中,AI Agent可承担以下任务:


AI Agent的自适应路径规划通常基于 强化学习(Reinforcement Learning, RL):
经典算法包括:
下面以一个简化的交通网络为例(采用Python实现),展示AI Agent如何学习最优路径。
import numpy as np
import random
# 定义交通网络(邻接矩阵表示)
# 0表示无连接,其他值为行驶时间
graph = np.array([
[0, 2, 4, 0, 0],
[2, 0, 1, 7, 0],
[4, 1, 0, 3, 2],
[0, 7, 3, 0, 1],
[0, 0, 2, 1, 0]
])
n_states = graph.shape[0]
Q = np.zeros((n_states, n_states)) # 初始化Q表
gamma = 0.8 # 折扣因子
alpha = 0.5 # 学习率
episodes = 500
# 奖励矩阵:负的行驶时间(时间越短奖励越高)
R = np.where(graph > 0, -graph, -1000)
def choose_action(state):
possible_actions = np.where(graph[state] > 0)[0]
return random.choice(possible_actions)
for _ in range(episodes):
state = random.randint(0, n_states-1)
while state != n_states-1: # 目标是到达最后一个节点
action = choose_action(state)
reward = R[state, action]
Q[state, action] = Q[state, action] + alpha * (
reward + gamma * np.max(Q[action]) - Q[state, action]
)
state = action
# 打印学习到的Q表
print("学习到的Q表:")
print(Q)
# 测试最优路径
def get_optimal_path(start, end):
path = [start]
current = start
while current != end:
current = np.argmax(Q[current])
path.append(current)
return path
print("从节点0到节点4的最优路径:", get_optimal_path(0, 4))0 → 1 → 2 → 4,代表Agent在学习后找到了 耗时最少的路线。
在实际城市交通中,路网复杂、交通流量动态变化,简单的Q-Learning难以适应。针对这一问题,AI Agent可以采用以下优化策略:
将城市路网划分为多个区域,每个区域独立训练Agent,再通过高层策略进行区域间调度。
优点:
通过IoT传感器、GPS、路况API获取实时交通数据,将其融入Agent的状态表示中。
方法:
# 假设实时流量数据 traffic_flow 为节点流量字典
traffic_flow = {0:5, 1:10, 2:3, 3:8, 4:2}
# 更新奖励函数,根据流量调整
for i in range(n_states):
for j in range(n_states):
if graph[i,j] > 0:
R[i,j] = -graph[i,j] * (1 + 0.1 * traffic_flow[j])这样,AI Agent会倾向选择拥堵较少的路线,实现自适应路径规划。
在城市级交通中,每辆车可视为一个智能体,通过 Multi-Agent Reinforcement Learning (MARL) 协同优化全局交通流。
# 简化示例:两个智能体共享Q表信息
Q_agent1 = np.copy(Q)
Q_agent2 = np.copy(Q)
# 更新时考虑平均值作为共享知识
Q_shared = (Q_agent1 + Q_agent2) / 2在多目标优化下,Agent可以根据实际需求动态调整路径规划权重,例如:
权重调整公式:
$$
Reward = - (\alpha \cdot travel_time + \beta \cdot congestion + \gamma \cdot energy)
$$
相比Q-Learning,DQN利用神经网络可以处理大规模状态空间。核心实现步骤:
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import random
import numpy as np
# 定义DQN网络
class DQN(nn.Module):
def __init__(self, state_dim, action_dim):
super(DQN, self).__init__()
self.fc1 = nn.Linear(state_dim, 64)
self.fc2 = nn.Linear(64, 64)
self.fc3 = nn.Linear(64, action_dim)
def forward(self, x):
x = torch.relu(self.fc1(x))
x = torch.relu(self.fc2(x))
return self.fc3(x)
state_dim = n_states # 状态维度
action_dim = n_states # 动作维度
dqn = DQN(state_dim, action_dim)
optimizer = optim.Adam(dqn.parameters(), lr=0.001)
criterion = nn.MSELoss()
# 训练示例(简化)
for episode in range(500):
state = np.zeros(state_dim)
state[random.randint(0, n_states-1)] = 1 # 独热编码初始节点
done = False
while not done:
state_tensor = torch.FloatTensor(state)
q_values = dqn(state_tensor)
action = torch.argmax(q_values).item()
reward = R[np.argmax(state), action]
next_state = np.zeros(state_dim)
next_state[action] = 1
next_q = dqn(torch.FloatTensor(next_state)).max().item()
target = reward + gamma * next_q
loss = criterion(q_values[action], torch.tensor(target))
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
state = next_state
if action == n_states-1:
done = True本文探讨了 AI Agent在智能交通系统中的自适应路径规划方法,并通过Q-Learning实现了一个简化案例。结果表明,智能体能够在不断的交互中学习出最优路径。未来,结合 深度强化学习与多智能体协作,AI Agent将在城市级智能交通系统中发挥重要作用。

原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。
如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。
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