I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 ,   p p .   500 ~ 515   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 14 .i 1 . p p 5 0 0 - 5 1 5          500     J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   Enha ncing   traf fic   flow   t hro ug h   mu lti - a g ent   reinforc ement   lea rning   for   a da p tive   traf fic   lig h t   d ura tion   co ntrol       Na da   F a qir 1 ,   J a o ua d   B o um h idi 1 ,   Cha k ir   L o qm a n 1 ,   Yo un ess   O ub e na lla 2   1 D e p a r t m e n t   of   C o m p u t e r   S c i e n c e ,   LI S A C   L a b o r a t o r y ,   F a c u l t y   of   of   S c i e n c e s   D h a r   El   M e h r a z ,   S i d i   M o h a mm e d   Ben   A b d e l l a h   U n i v e r s i t y ,   F e s,   M o r o c c o   2 D e p a r t me n t   of   C o m p u t e r   S c i e n c e ,   F a c u l t y   of   S c i e n c e s   a n d   T e c h n o l o g i e s,   S i d i   M o h a mm e d   B e n   A b d e l l a h   U n i v e r s i t y ,   F e s,   M o r o c c o       Art icle   I nfo     AB S T RAC T   A r ticle   his to r y:   R ec eiv ed   Mar   15 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Oct   11 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Oct   18 ,   2 0 2 4       Th is   st u d y   a d d re ss e s   u r b a n   traffic   c o n g e sti o n   th r o u g h   d e e p   lea rn in g   fo r   traffi c   sig n a l   c o n t ro l   (TS C) .   In   c o n tras t   to   p re v i o u s   re se a rc h   on   sin g le   traffic   li g h t   c o n tro ll e rs,   o u r   a p p r o a c h   is   tail o r e d   to   t h e   TS C   c h a ll e n g e   with in   a   n e two rk   of   two   i n ters e c ti o n s.   Emp l o y in g   c o n v o l u ti o n a l   n e u ra l   n e two r k s   (CNN )   in   a   d e e p   Q - n e two rk   (DQ N)   m o d e l,   our   m e th o d   a d o p ts   c e n tralize d   tra in in g   a n d   d istri b u ted   e x e c u ti o n   (C TDE)   w it h in   a   m u lt i - a g e n t   re in f o rc e m e n t   lea rn in g   (M ARL)   fra m e wo rk .   Th e   p rima ry   a im   is   to   o p ti m ize   traffic   flo w   in   a   two - in ters e c ti o n   se tt in g ,   c o m p a rin g   o u tco m e s   wit h   b a se li n e   stra teg ies .   Ov e rc o m in g   sc a lab il it y   a n d   p a rt ial   o b se rv a b i li ty   c h a ll e n g e s,   o u r   a p p ro a c h   d e m o n stra tes   th e   e ffica c y   of   th e   CTDE - b a se d   M ARL   fra m e wo rk .   Ex p e rime n ts   u sin g   u r b a n   m o b i li ty   sim u latio n   ( S UMO)   e x h i b i t   a   6 8 %   p e rfo rm a n c e   e n h a n c e m e n t   o v e r   b a sic   traffic   li g h t   c o n tro l   sy ste m s,   v a li d a ti n g   our   so l u ti o n   a c ro ss   d iv e rse   sc e n a rio s.   Wh il e   t h e   st u d y   f o c u se s   on   tw o   in ters e c ti o n s,   it   h i n ts   at   b ro a d e r   a p p li c a ti o n s   in   c o m p lex   se tt in g s,   p re se n ti n g   a   p ro m isin g   a v e n u e   f o r   m it ig a ti n g   u rb a n   traffic   c o n g e sti o n .   T h e   re se a rc h   u n d e rsc o re s   t h e   imp o r tan c e   of   c o ll a b o ra ti o n   wi th i n   M ARL   f ra m e wo rk s,   c o n tri b u ti n g   si g n ifi c a n t ly   to   t h e   a d v a n c e m e n t   of   a d a p ti v e   traffic   sig n a l  c o n tro l   (ATS C)   in   u rb a n   e n v iro n m e n ts   fo r   su sta in a b le   tra n sp o r tatio n   so l u ti o n s.     K ey w o r d s :   D eep   Q - n etwo r k   Deep   r ein f o r ce m en t   lear n in g   Mu lti - ag en t   Q - lear n in g   T r af f ic   s ig n al   co n tr o l   T h is   is   an   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r   th e   CC   BY - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Nad a   Faq ir   Dep ar tm en t   of   C o m p u ter   Scie n ce ,   Facu lty   of   Scien ce s   Dh ar   El   Me h r az   Sid i   Mo h am m ed   B en   Ab d ellah   Un iv er s ity   of   Fes   Fes   30000,   M o r o cc o   E m ail:   n ad a. f aq i r @ u s m b a. ac . m a       1.   I NT RO D UCT I O N   T r af f ic   co n g esti o n   is   a   p er v asi v e   is s u e   in   u r b an   ar ea s   wo r ld wid e,   ca u s in g   s ig n if ican t   ec o n o m ic   lo s s es   due   to   th e   to tal   tim e   lo s t   by   co m m u ter s .   T h ese   ec o n o m ic   lo s s es   ar e   e s tim ated   to   r ea ch   b illi o n s   of   d o llar s   an n u ally   in   co u n tr ies   s u f f er i n g   f r o m   tr a f f ic   co n g esti o n .   As   a   r esu lt,   ad d r ess in g   th e   ec o n o m ic   im p ac t   of   allev iatin g   tr af f ic   co n g esti o n   h as   b ec o m e   a   cr u cial   p r io r ity .   Ma n ag in g   tr a f f ic   co n g esti o n   h as   em er g ed   as   a   p r ess in g   an d   u n s o lv ed   p r o b le m   in   n u m er o u s   u r b an   ar ea s   ar o u n d   t h e   wo r ld .   T h e   tr ad itio n al   s tatic   tr af f ic   li g h t   co n tr o l   s y s tem   ( T L C S)   h a s   lo n g   b ee n   t h e   co n v en tio n al   s o lu tio n   f o r   m an ag in g   tr a f f ic   f lo w.   Ho wev er ,   with   th e   in cr ea s in g   co m p l ex ity   an d   s ca le   of   u r b a n   tr an s p o r tatio n   n etwo r k s ,   tr ad itio n al   tr af f ic  lig h t  c o n tr o l   s y s tem   is   no   lo n g er   ad eq u at e   in   ef f ec tiv ely   m itig atin g   tr a f f ic   co n g esti o n .   To   o v er co m e   th ese   lim itatio n s ,   r esear ch er s   h a v e   tu r n ed   to   d ee p   r ein f o r ce m e n t   lear n in g   f r am ewo r k s ,   wh ich   lev er ag e   th e   p o wer   of   r ein f o r ce m en t  lear n in g   alg o r ith m s   an d   n eu r al   n etwo r k s   s u ch   as   d ee p   n eu r al   n etwo r k s   ( DNN)   an d   c o n v o lu tio n al   n eu r al   n etwo r k s   ( C NN)   [ 1 ] .   No tab l e   ad v an ce m en ts   in   th is   f ield   i n clu d e   s y s tem s   lik e   in tellili g h t ,   wh ich   u tili ze   d ee p   r ein f o r ce m e n t   lear n i n g   f o r   a d a p tiv e   tr af f ic   s ig n al   co n t r o l   ( AT SC ) ,   d em o n s tr atin g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E n h a n ci n g   tr a ffic flo w   th r o u g h   mu lti - a g en t rein fo r ce men t le a r n in g   fo r   a d a p tive  tr a ffic lig h t  …  ( N a d a   F a q ir )   501   s ig n if ican t   im p r o v em e n ts   in   t r af f ic   ef f icien cy   [ 2 ] .   In   a d d r e s s in g   u r b an   tr af f ic   co n g esti o n ,   o u r   f o cu s   lies   in   o p tim izin g   tr af f ic   f lo w   ef f icie n cy   with in   a   two - in ter s ec tio n   s ce n ar io .   We   em p h asize   th e   u s e   of   C NN   in   our   d ee p   Q - n etwo r k   ( DQN)   m o d e l   an d   em p lo y   a   ce n tr alize d   tr ai n in g   an d   d is tr ib u ted   ex ec u tio n   ( C T DE )   ap p r o ac h   with in   a   m u lti - ag en t  r ein f o r ce m en t le ar n in g   ( MA R L )   f r am e wo r k   [ 3 ] .   T h is   ar ticle   p r o p o s es   a   n o v el   m u lti - ag en t   p er s p ec tiv e   to   e n h an ce   t h e   p e r f o r m an ce   of   tr af f ic   lig h t   co n tr o l   s y s tem s ,   r ec o g n izin g   t h e   im p o r ta n ce   of   a g en t   co llab o r atio n   in   s u p p o r tin g   ef f icien t   tr af f ic   f lo ws   [ 4 ] .   By   ad o p tin g   a   MA R L   ap p r o ac h ,   o u r   g o al   is   to   d e v elo p   a   s y s tem   wh er e   m u ltip le   ag e n ts   r eg u lat e   tr af f ic   at   ad jace n t   in ter s ec tio n s ,   co llab o r atin g   to   o p tim ize   tr af f ic   f lo w.   We   ac k n o wled g e   th e   p o ten tial   f o r   b r o ad er   ap p licatio n s   in   more   co m p le x   s ettin g s ,   an d   o u r   wo r k   aim s   to   ad d r ess   s ca la b ilit y   an d   p ar tial   o b s er v a b ilit y   ch allen g es   in   lar g e - s ca le   m u lti - ag en t   d ee p   r ein f o r ce m en t  lear n in g   s y s tem s   [ 5 ] .   To   v alid ate   th e   ef f ec tiv en ess   of   o u r   ap p r o ac h ,   we   co n d u cte d   s ev er al   ex p er im en t s   u s in g   tr af f ic   s im u latio n s   in v o lv in g   two   in ter s ec tin g   r o ad s .   T h ese   ex p er im en ts   aim ed   to   o b s er v e   h o w   ag en ts   ac h iev e   co llab o r atio n   a n d   i m p r o v e   tr af f ic   f lo w   th r o u g h   in d ep en d en t   d ee p   Q   n etwo r k   ( I DQN)   tech n iq u es.   By   ad d r ess in g   th e   ec o n o m ic   im p ac t   of   tr af f ic   co n g esti o n   an d   in tr o d u cin g   a   n o v el   m u lti - ag en t   p er s p ec tiv e,   o u r   p r o p o s ed   ap p r o ac h   o f f er s   a   p r o m is in g   s o lu t io n   f o r   o p tim izin g   tr a f f ic   f lo w   in   co m p lex   u r b an   en v ir o n m en ts .   T h r o u g h   th e   i n teg r atio n   of   r ea l - tim e   d ata,   s ca lab ilit y ,   an d   co n s id er atio n s   f o r   m ix ed   tr af f ic   s ce n ar io s ,   we   aim   to   im p r o v e   o v er all   tr af f ic   ef f icien cy   an d   cr e ate   s m ar ter ,   more   s u s tain ab le   c ities .   T h is   r e s ea r ch   p r o v id es   v alu a b le   in s ig h ts   in to   th e   ch allen g es   an d   p o te n tial   s o lu tio n s   f o r   m an ag in g   tr af f i c   co n g esti o n   u s in g   d ee p   r ein f o r ce m e n t   lear n in g   te ch n iq u es.   Nu m er o u s   s tu d ies   h av e   d em o n s tr ated   th e   ef f ec tiv en ess   of   r ein f o r ce m e n t  lear n i n g   in   a d ap tiv e   tr af f ic   lig h t   co n tr o l,   with   a   p ar ticu la r   f o cu s   on   s in g le   tr af f ic   lig h t   co n tr o ller s   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   Ho wev er ,   wh en   ad d r ess in g   m u lti - ag en t   s y s tem s ,   th e   ch allen g e   ar is es   in   d eter m in in g   wh eth er   tr af f ic   co n tr o l   s h o u ld   be   ap p r o ac h e d   as   a   co llab o r ativ e   or   co m p etitiv e   p r o b lem   [ 8 ] .   In   s u c h   en v ir o n m e n ts ,   th e   co n f lict   b etwe en   lo ca l   an d   g lo b al   o p tim a,   co u p led   with   t h e   in ter d e p en d en ce   of   a g en t   ac tio n s ,   a d d s   c o m p lex ity   to   th e   d y n am ics   of   tr an s p o r t   n etwo r k s .   Ad d itio n ally ,   f ac to r s   s u ch   as   d r iv er   b eh a v io r   an d   co - ev o lu tio n   f u r th e r   co m p licate   th e   ch alle n g es   of   tr af f ic   lig h t   co n tr o l   in   u r b a n   en v ir o n m e n ts .   Ou r   wo r k   co n tr ib u tes   to   th is   lan d s ca p e   by   d elv in g   in t o   th e   co m p lex ities   of   tr af f ic  s ig n al  co n tr o l  ( T SC )   in   n etwo r k s   with   m u ltip le   in ter s ec tio n s .   I n tr o d u cin g   a   n o v el   MA R L   f r am ewo r k ,   our   a p p r o ac h   em p h asizes   co llab o r atio n   am o n g   ag en ts   to   en h an ce   tr af f ic   f lo w.   It   ca p italizes   on   t h e   ad v an tag es   of   in d ep en d en t   t r af f ic   lig h t   co n tr o l,   e n s u r in g   s tab le   o p e r atio n s   ev en   in   th e   e v en t   of   f ailu r es   in   o th er   co m p o n e n ts .   To   en ab le   ef f icien t   d ec is io n - m ak in g ,   we   em p lo y   C NNs   to   m o d el   our   ag en ts   an d   in co r p o r ate   a   co m p r eh e n s iv e   r ep r esen tatio n   of   th e   s tate   of   ad jace n t   in ter s ec tio n s .   W h ile   ex is tin g   s tu d ies   [ 6 ] ,   [ 7 ]   h a v e   p r ed o m in an tl y   f o cu s ed   on   s in g le   tr af f ic   lig h t   co n tr o ller s ,   o u r   wo r k   ex t en d s   th e   s co p e   to   m u lti - in ter s ec tio n   s ce n ar io s ,   p r esen tin g   a   p r o m is in g   ap p r o ac h   f o r   a d d r ess in g   tr af f ic   co n g esti o n   in   u r b an   en v ir o n m e n ts .   T h e   o u tlin ed   co m p a r is o n s   aim   to   u n d e r s co r e   th e   in n o v ativ e   asp ec ts   of   o u r   p r o p o s ed   s y s tem   with in   th e   b r o ad e r   lan d s ca p e   of   tr af f ic   lig h t   co n tr o l   m eth o d o lo g ies.   In   th e   d o m ain   of   d ee p   r ein f o r c em en t   lear n in g ,   a   DNN   ty p ically   r ep r esen ts   th e   Q   f u n ctio n .   Valu e - b ased   m eth o d s ,   s u c h   as   DQN   [ 9 ] ,   u tili ze   DNN   to   ex tr ac t   s tate   r e p r esen tatio n s   d ir ec tly   f r o m   th e   en v ir o n m e n t.   T h e   DQN   o u tp u ts   Q   v alu es   f o r   all   p o s s ib le   ac tio n s ,   en a b lin g   t h e   ap p r o x im atio n   of   o p tim al   s tr a teg ies.   To   e n h an ce   th e   p er f o r m an ce ,   s tab ilit y ,   an d   ef f ec tiv en ess   of   th e   DQN   ag e n t,   two   co m m o n ly   em p lo y e d   m ec h an is m s ,   n am ely   th e   tar g et   n etwo r k   an d   r ep lay   m em o r y ,   ar e   in teg r ated   d u r in g   tr ain in g .   Ou r   ex p l o r atio n   alig n s   with   th is   ap p r o ac h ,   a n d   we   f u r th er   co n t r ib u te   by   ex a m in in g   v ar io u s     DQN - b ased   m o d els,   in clu d in g   d o u b le  d ee p   Q - n etwo r k   ( DDQN )   [ 1 0 ] ,   d u elin g   DQN   [ 1 1 ] ,   DDQN   with   p r o p o r tio n al   p r i o r itizatio n   b ased   on   DDQN   [ 1 2 ] ,   an d   d y n a m ic  f r am e  s k ip   d ee p   Q - n etw o r k   ( DFDQN)   [ 1 3 ] .   W h ile   ar tific ial  n eu r al  n etwo r k s   ( ANN)   h av e   b ee n   wid ely   u s ed   as   m o d el   ar ch itectu r es   [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ] ,   th e r e   is   a   g r o win g   u tili za tio n   of   C NN   in   th is   co n tex t   [ 1 6 ] – [ 1 9 ] .   By   in t eg r atin g   C NN - b ased   m o d els   a n d   e x am in in g   th eir   im p ac t   on   th e   lea r n in g   q u ali ty   of   ag e n ts ,   our   p ap er   co n t r ib u tes   to   ad v a n cin g   th e   u n d er s tan d in g   of   d ee p   r ein f o r ce m e n t   lear n in g   in   tr a f f ic   lig h t   c o n tr o l.   T h e   f in d in g s   s h ed   lig h t   on   th e   s tr en g th s   an d   lim itatio n s   of   d if f er en t   n eu r al   n etwo r k   a r ch it ec tu r es,   p r o v id in g   i n s ig h ts   in to   th eir   ef f ec tiv e n ess   in   o p tim i zin g   tr af f ic   f lo w.       2.   T H E   CO M P RE H E NS I VE   T H E O RE T I CA L   B ASI S   AN D   T H E   P RO P O SE D   M E T H O D   2 . 1 .     Sin g le - a g ent   re info rc ement   lea rning   Fig u r e   1   illu s tr ates   how   a   s in g le   ag en t   in   r ein f o r ce m en t   lear n in g   lear n s   by   in ter ac tin g   with   a   d y n am ic   en v ir o n m en t   u s in g   a   tr ial - an d - er r o r   ap p r o ac h .   T h e   g o al   is   to   d er iv e   th e   b est   p o s s ib le   p o licy   by   m ax im izin g   th e   ex p ec ted   t o tal   of   cu m u lativ e   r ewa r d s .   I n   a  r ei n f o r ce m en t  le ar n in g   p r o b lem ,   t h e  ag e n t  iter ativ ely   o b s er v es  its   en v ir o n m en t,  an d   th e n   it  tak es  an   ac tio n .   C o n s eq u en tly ,   h e  r ec eiv es  f r o m   th e   en v ir o n m en t   a  r ewa r d   f o llo win g   h is   ch o s en   ac tio n ;  h is   o b jectiv e  is   to   ac cu m u late  th e  r ewa r d s   in   th e  lo n g   te r m .   T h en   ac co r d in g   to   its   r u les  an d   th e  s tate  tr an s itio n   p r o b ab ilit y ,   th e   en v i r o n m e n t  m o v es  to   th e  n ex t  s tate.   T h e  f o u n d ati o n   o f   r ein f o r ce m en t   lear n in g   is   th e  Ma r k o v   d ec is io n   p r o ce s s ,   a  s to ch asti c  m o d el  d escr ib ed   b y   th e  t u p le  ( S,  A,   R ,   P).   W h er e  S  is   th e  s tates  s et  an d   ∈   th e  s tate  o f   t h e  en v ir o n m en t  at  th e  tim e - s tep   t ,   A  th e  ac tio n s   s et  ∈   th e  ch o s en   ac tio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 :  500 - 5 1 5   502   at  th e  tim e - s tep   t  b y   th e  a g en t,  ∈   th e  im m ed iate  r ewa r d   v alu e  r ec eiv e d   b y   th e  a g en t   in   th e  s tate    p er f o r m in g   ac tio n     an d   f in ally   P th e  s tate  tr an s itio n   p r o b a b ilit y .            Fig u r e   1.   Sin g le   a g en t   r ei n f o r c em en t  lear n in g   f o r   T SC       In   tr af f ic   s ig n al   p r o b lem s ,   th e   ag en t   in ter ac ts   with   th e   i n ter s ec tio n   at   d is cr ete   tim e   s tep s   t   =   0,   1,   2,   f ir s t   o b s er v in g   th e   s tate   of   th e   in ter s ec tio n   St   at   th e   s tar t   of   th e   tim e   s tep   t,   th e n   s elec ts   an   a ctio n   At   d ep e n d in g   on   a   p o licy   π.   Af ter   th e   v eh icl e   m o v es   u n d er   th e   ac tiv e   tr af f i c   lig h t,   th e   s tate   of   th e   i n ter s ec tio n   ch an g es   to   th e   n ew   s tate   of   St+1 .   At   th e   en d   of   th e   tim e   s tep   t,   th e   ag en t   r ec eiv es   a   r ewa r d   Rt   f o llo win g   its   d ec is io n   to   ch o o s e   a   s ig n al.   Ass u m in g   th at   th e   r ewa r d   at   each   tim e   s tep   t   m u s t   be   m u ltip lied   by   t h e   d is co u n t   f ac to r   γ   ϵ   [ 0 ,   1]   to   d eter m in e   th e   im p o r tan ce   g i v en   to   im m e d iate   an d   f u t u r e   r e war d s ,   th e   cu m u lativ e   r ewa r d   f r o m   tim e   s tep   t   to   th e   en d   of   tim e   T   is   ex p r ess ed   as   f o llo ws:   = ∑   + ∞ = 0   .   T h e   v alu e   f u n ctio n   Q π   ( s , a )   r e p r esen ts   th e   ac tio n   A t   tak en   in   th e   c u r r en t   s tate   S t ,   f o llo wed   by   th e   ap p licatio n   of   p o licy   π   u n til   th e   ep is o d e   c o n clu d es.   Du r in g   t h is   p r o ce s s ,   th e   cu m u lativ e   r ewa r d s   ea r n ed   by   th e   a g en ts   can   be   ex p r ess ed   as   ( 1 ) .     ( , ) = [ |   = , = ]   ( 1 )     T he   ag e n t' s   o b jectiv e   is   to   id en tify   th e   o p tim al   p o licy   f o r   s elec tin g   ac tio n s ,   r e p r esen ted   as   π ∗   in   ( 2 ) ,   wh ich   m ax im izes   th e   cu m u lativ e   f u t u r e   r ewa r d   or   Q - v alu es   an d   e n ab les   th e   ag en t   to   ac c o m p lis h   its   o b jectiv e.     ∗ =     ( , )         ∈ ,   ∈   ( 2 )     T h e   Q - v alu es   th at   co r r esp o n d   to   th e   o p tim al   p o licy   ∗   ar e   d e n o ted   as   ∗ ( , ) = ∗ ( , )   an d   can   be   ap p r o x im ated   u s in g   lin ea r   f u n ctio n   ap p r o x im ato r s .   T h e   p r im ar y   o b jectiv e   is   to   id e n tify   th e   o p tim al   p o licy   ∗   an d   s u b s eq u e n tly ,   d eter m i n e   th e   o p tim al   Q - v alu es   ∗ ( , ) .   T h e   r ec u r s iv e   r elatio n   f o r   t h e   o p tim al   Q - v alu es   ∗ ( , )   is   p r o v id ed   by   B ellm an ' s   o p tim ality   eq u atio n .     ∗ ( , ) = [ + ∗ ( + 1 , + 1 ) |   = , = ]   ( 3 )     L in ea r   f u n ctio n   a p p r o x im ato r s ,   as   well   as   n o n lin ea r   f u n ctio n   ap p r o x im ato r s   s u ch   as   DNN ,   c an   be   em p lo y ed   to   esti m ate   ac tio n - v alu e   f u n ctio n s   or   p o licy .     2 . 2 .     M ulti - a g ent   re info rc e ment  lea rning   MA R L   is   b u ilt   ar o u n d   a   s to c h asti c   g am e   th at   r elies   on   a   Ma r k o v   d ec is io n   p r o ce s s .   T h i s   p r o ce s s   is   d ef in ed   by   th e   tu p le   , 1 , … , , 1 , … , , ,   wh er e   n   r ep r esen ts   th e   n u m b er   of   ag en ts   in v o lv ed . ,   as   s h o wn   in   Fig u r e   2.   T h e   jo in t   ac tio n   s p ac e   =   1 × … ×     an d   1 , … ,   r ep r esen t   t h e   r ewa r d s   of   ea c h   ag e n t .   In     m u lti - ag en t   en v i r o n m e n ts ,   s tate   tr an s itio n s   ar is e   f r o m   th e   co llectiv e   ac tio n s   of   all   ag en ts ,   an d   each   ag e n t' s   r ewa r d s   ar e   in f lu en ce d   by   th e   jo in t   p o licy   d e n o ted   as   :     ×     →   [ 0 , 1 ] .   T he   r ewa r d s   f o r   ea c h   ag e n t   is   ca lcu lated   as   f o llo ws:   = [ + 1 | = , , = , ] .  C o n s eq u en tly ,   t h e   B ellm an   eq u atio n   can   be   ex p r ess ed   as   ( 4 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E n h a n ci n g   tr a ffic flo w   th r o u g h   mu lti - a g en t rein fo r ce men t le a r n in g   fo r   a d a p tive  tr a ffic lig h t  …  ( N a d a   F a q ir )   503   ( , ) = [ + ( + 1 , + 1 ) |   = , = ]   ( 4 )           Fig u r e   2.   Ag e n ts '   in ter ac tio n   with   th e   en v ir o n m en t       Sto ch asti c   g am es   can   be   ca teg o r ized   i n to   th r ee   ty p es:   f u lly   c o o p er ativ e,   f u lly   c o m p etitiv e,   an d   m i x ed   g am es.   In   f u lly   co o p er ativ e   g am es,   all   ag en ts   s h ar e   th e   s a m e   r ewa r d   f u n ctio n ,   aim in g   to   m ax im ize   th e   t o tal   r ewa r d   co llectiv ely .   C o o p er ati o n   am o n g   ag e n ts   is   ess en tial   to   r ea ch   th is   o b jectiv e.   Ap p r o a ch es   b ased   on   th e   Q - lear n in g   alg o r ith m   h av e   b ee n   d ev elo p ed   to   tack le   co o r d i n a tio n   ch allen g es,   f o cu s in g   on   a   s in g le   o p tim al   jo in t   ac tio n   [ 2 0 ] .   L au e r ' s   d is tr ib u ted   Q - lear n in g   al g o r ith m   [ 2 1 ]   a d d r ess es   th e   is s u e   wh il e   m ain tain in g   lo w   co m p u tatio n al   c o m p lex ity .   Ho wev er ,   th is   alg o r ith m   o n ly   a p p lies   to   d eter m in is tic   s ce n ar io s   with   non - n eg ativ e   r ewa r d   f u n ctio n s .   W h en   d ea lin g   with   a   p er f ec tly   co m p etitiv e   g am e,   wh er e   th er e   ar e   two   ag e n ts   with   o p p o s in g   g o als   an d   R1   =   - R 2 ,   m o s t   of   th e   liter atu r e   on   r ein f o r ce m en t   lear n in g   f o cu s es   on   th e   two - ag en t   s ce n ar io .   T h e   m in im ax   p r in cip le   is   ap p lied   in   s u ch   a   s itu atio n ,   wh ich   aim s   to   m ax im ize   an   ag en t' s   p r o f it   wh ile   co n s id er in g   th e     wo r s t - ca s e   s ce n ar io ,   wh e r e   th e   o p p o n e n t   will   alwa y s   tr y   to   m i n im ize   it.   To   ac h iev e   t h is ,   ad v er s ar y - in d e p en d e n t   alg o r ith m s   ar e   u s ed ,   s u c h   as   t h e   m in im ax - Q   alg o r ith m   [ 20 ] ,   [ 2 2 ] ,   wh ich   co m p u tes   s tag e   g am e   s tr ateg ies   an d   v alu es   u s in g   th e   m in im ax   p r in cip le   an d   p r o p a g ates   v alu es   th r o u g h   s tate   p air s - s to ck   u s in g   a   tim e - d if f er e n ce   r u le   s im ilar   to   Q   lear n in g .   Mix ed   s to ch asti c   g am es   in v o l v e   ag en ts   with   d if f er en t   an d   c o r r elate d   r ewa r d s ,   wh e r e   no   c o n s tr ain ts   ar e   im p o s ed   on   th e   a g en ts '   r ewa r d   f u n ctio n s .   T h is   m o d el   is   s u itab le   f o r   s elf - in ter ested   ag en ts ,   but   e v en   co o p er atin g   ag en ts   m a y   en co u n ter   co n f licts   of   in ter est,   s u c h   as   wh en   co m p etin g   f o r   r eso u r ce s .   Gam e   th eo r y   co n ce p ts   s u ch   as   e q u ilib r iu m   p lay   a   s ig n if ica n t   r o le   in   alg o r ith m s   f o r   m ix ed   s to ch asti c   g am es.   Sin g le - ag en t   r ein f o r ce m e n t   lear n in g   to   MA R L   m eth o d s   m ak e   no   ass u m p tio n s   ab o u t   th e   task   an d   can   be   ap p lied   to   m ix ed   s to ch asti c   g am es,   alo n g   with   o th er   tech n i q u es   s u ch   as   ag e n t - in d ep e n d en t,   a g en t - tr ac k in g ,   an d   a g en t - awa r e   m eth o d s .   Ho wev er ,   th er e   is   no   g u ar an tee   of   s u cc ess   in   th ese   s ce n ar io s .   Settin g   lear n in g   g o als   f o r   ag en ts   can   be   ch allen g in g   s in c e   it   is   d if f icu lt   to   d ef in e   good   g en er a l   o b jectiv es.   T h e   two   p r im a r y   asp ec ts   of   lear n in g   g o als   ar e   s tab ilit y   an d   ad ap ta b ilit y .   Stab ilit y   r ef er s   to   an   ag e n t' s   ab ilit y   to   co n v er g e   to   a   s tab le   p o licy ,   wh ile   ad ap tab ilit y   en s u r es   th at   an   ag en t' s   p er f o r m an ce   d o es   not   d ec lin e   wh en   o th er   ag en ts   ch a n g e   th ei r   s tr ateg ies   [ 2 3 ] ,   [ 2 4 ] .         3.   M E T H O D   In   th is   s tu d y ,   we   in tr o d u ce   an   in n o v ativ e   ap p r o ac h   to   ad d r ess   th e   p er s is ten t   ch allen g e   of   u r b an   tr af f ic   co n g esti o n   u s in g   ad v a n ce d   ar t if icial   in tellig en ce   tech n iq u es.   T h e   p r im ar y   o b jectiv e   is   to   o p tim ize   tr af f ic   f lo w   at   co m p lex   in ter s ec tio n s   by   i n teg r atin g   C NN   in to   a   DQN   m o d el   with in   a   MA R L   f r am ewo r k .   Ou r   a p p r o ac h   lev er ag es   a   C T DE   a r ch itectu r e,   cr u cial   f o r   s ca lab ilit y   an d   ef f ec tiv e   co o r d in atio n   am o n g   m u ltip le   ag e n ts   co n tr o llin g   t r af f ic   s ig n als.   To   f o r m u late   th e   p r o b lem ,   th e   p r im ar y   aim   is   to   en h an ce   tr af f ic   f lo w   o p tim izatio n   in   a   s ce n ar io   with   each   in ter s ec tio n ' s   s ta te   is   d is c r etize d   in to   ir r eg u lar ly   s h ap ed   ce lls   u s in g   d is cr ete  tr af f ic  s tate   en co d in g   ( DT SE) .   T h ese   ce lls   r ep r esen t   d if f er en t   zo n es   m o n ito r ed   by   th e   ag en ts ,   ca p tu r in g   v e h icle   p r esen ce   an d   tr af f ic   d y n am ics.   T h e   ag en t' s   s tate   r ep r esen tatio n ,   d en o ted   as   two   in ter s ec tio n s ,   an d   we   b e n ch m ar k   o u r   r esu lts   ag ain s t   b aselin e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 :  500 - 5 1 5   504   ap p r o ac h es.   Ou r   in n o v ativ e   ap p r o ac h   le v er ag es   d ata   s u c h   as   v eh icle   p o s itio n s ,   q u e u e   len g t h s ,   an d   c u r r en t   tr af f ic   lig h t   s tates.   T h is   d etailed   s itu atio n al   awa r en ess   en ab les   ag en ts   to   m ak e   in f o r m e d   d ec is io n s   to   o p tim ize   t r af f ic   f lo w.   T h e   ac tio n   s p ac e   c o n s is ts   of   f o u r   d is tin ct   ac tio n s   p er   a g en t:   ad ju s tin g   tr af f ic   li g h ts   to   p r io r itize   n o r th /s o u th   or   ea s t/west   tr af f ic,   en co m p ass in g   b o th   s tr aig h t   a n d   tu r n in g   m o v em en ts .   Actio n s   ar e   s elec ted   b ased   on   th e   ag en t' s   o b s er v atio n   of   th e   cu r r en t   s tate   aim ed   to   m in im i ze   cu m u lativ e   waitin g   tim es.   T h e   r ewa r d   f u n ctio n   ac r o s s   all   v eh icles   at   th e   in te r s ec tio n   is   d ef in ed   as   th e   r ed u ctio n   in   cu m u lativ e   waitin g   tim e   f r o m   t - 1   to   t,   em p h asizin g   th e   a g en t' s   r o le   in   im p r o v in g   t r af f ic   ef f icien cy   o v er   tim e.   T h e   C T DE   f r a m ewo r k   f ac ilit ates   co llab o r ativ e   ac tio n   s elec tio n   am o n g   ag en ts   by   s h a r in g   th eir   last   ch o s en   ac tio n s ,   en h an cin g   by   s h ar in g   th eir   last   ch o s e n   ac tio n s ,   en h a n cin g   c o o r d i n atio n   an d   tr af f ic   s y n ch r o n izatio n   b etwe en   ad j ac en t   in ter s ec tio n s .   T h is   s h ar in g   m ec h a n is m   o p tim izes   tr af f ic   f lo w   ac r o s s   in ter co n n ec ted   r o a d   n etwo r k s ,   cr u cial   f o r   m itig atin g   co n g esti o n   h o ts p o ts   an d   im p r o v in g   o v e r all   u r b a n   m o b ilit y .   To   ev alu ate   th e   ef f ec tiv en ess   of   our   ap p r o ac h ,   we   s im u la te   r ea lis tic   tr af f ic   s ce n ar io s   u s in g   th e   W eib u ll   d is tr ib u tio n :   h ig h - tr a f f ic   (4 , 0 0 0   ca r s ) ,   lo w - tr af f ic   ( 6 0 0   ca r s ) ,   NS - tr af f ic   (2 , 000   ca r s ,   90%   n o r th /s o u th ) ,   an d     EW - tr af f ic   (2 , 000   ca r s ,   90%   e ast/ west).   T h ese   s ce n ar io s   s im u late   d iv er s e   tr af f ic   co n d itio n s   to   r o b u s tly   test   th e   ad ap tab ilit y   an d   p er f o r m a n ce   of   our   C T DE - b ased   MA R L   f r am ewo r k   u n d er   v ar y in g   lo ad   an d   d ir ec tio n al   tr af f i c   d is tr ib u tio n s .   T h r o u g h   r ig o r o u s   ex p er im en tatio n   a n d   s im u lat io n s ,   we   v alid ate   th e   ef f icac y   of   o u r   ap p r o ac h   we   v alid ate   th e   ef f ec tiv en ess   an d   ef f icien cy   of   o u r   C T DE - b ased   MA R L   f r am ewo r k   in   en h an cin g   tr af f ic   m an ag em en t   s tr ateg ies.   Per f o r m an ce   m et r ics   s u ch   as   a v er ag e   waitin g   tim es,   in ter s ec tio n   th r o u g h p u t,   an d   o v er all   tr af f ic   f lo w   ef f icien c y   p r o v id e   q u an titativ e   in s ig h ts   in to   th e   f r am ewo r k ' s   ca p ab ilit y   to   o p tim ize   u r b a n   tr af f ic   o p e r atio n s   ef f ec tiv ely .       3 . 1 .     E nv iro nm ent   des ig n   T h e   test   en v ir o n m en t   f o r   e v alu atin g   our   ap p r o ac h   co n s is t s   of   two   n eig h b o r in g   in t er s ec tio n s ,     as   illu s tr ated   in   Fig u r e   3.   We   i n ten tio n ally   o p te d   f o r   th is   m in i m alis t   s im u latio n   s etu p   to   en s u r e   a   s tr aig h tf o r war d   im p lem en tatio n   p r o ce s s   an d   m in im ize   u n n ec ess ar y   co m p le x ities .   T h e   s im u latio n   o f   u r b a n   m o b ilit y   ( SUMO)   to o l   was   u tili ze d   f o r   m o d elin g   an d   s im u latin g   th e   u r b an   tr af f ic   s ce n ar io s   [ 2 5 ] .             Fig u r e   3.   E n v ir o n m en t   of   th e   s im u latio n       Ou r   en v ir o n m en t   is   co m p o s e d   of   an   in teg r ated   tr af f ic   lig h t   s y s tem   wh er e   each   4 - ar m   in ter s ec tio n   ( s h o wn   in   Fig u r e   4)   co n s is ts   of   eig h t   lan es   each   ( f o u r   in b o u n d   lan es   an d   f o u r   o u tb o u n d   lan e s ) .   E ac h   ar m   is   7 5 0   m eter s   lo n g   f r o m   th e   v eh icle   ac ce s s   p o in t   to   th e   in ter s ec tio n   tr af f ic   lig h ts .   E ac h   v eh icle   c h o o s es   its   in co m i n g   lan e   ac co r d in g   to   its   d esti n atio n .   T h e   p o s s ib le   d ir ec tio n s   f o r   each   v eh icle   ar e   ex p lain e d   as f o llo ws:   −   Go   s tr aig h t   u s in g   th e   two   ce n t r al   lan es   an d   th e   one   on   th e   f a r   r ig h t.   −   T u r n   r i g h t   o n ly   u s in g   t h e   r ig h tm o s t   lan e.   −   T u r n   lef t   o n ly   u s in g   th e   lef tm o s t   lan e.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E n h a n ci n g   tr a ffic flo w   th r o u g h   mu lti - a g en t rein fo r ce men t le a r n in g   fo r   a d a p tive  tr a ffic lig h t  …  ( N a d a   F a q ir )   505       Fig u r e   4.   Deta ils   of   th e   p o s s ib le   d ir ec tio n s   of   ea c h   in ter s ec tio n       T h e   tr af f ic   lig h ts   r eg u latin g   each   in ter s ec tio n   ar is e   f r o m   th e   f o llo win g   eq u atio n   a n d   s h o wn   in     Fig u r e   5 .  As in   r ea l lif e,   th e  tr af f ic  lig h ts   ar e  eith er   r ed ,   y ell o w,   o r   g r ee n   an d   at  ea ch   tim e  s tep ,   th e  tr af f ic  lig h t  is   eith er   y ello w  o r   g r ee n   i n   p h ase.   T h e  co lo r   p h ase  tr an s itio n   is   cy clica l  ( r ed - g r ee n - y ello w - r ed )   an d   m an d at o r y   to   clea r   t h e  ce n te r   o f   th e   in ter s ec tio n   an d   to   av o i d   p r o b a b le  a cc id en ts .   T h e   d u r atio n   o f   ea ch   p h ase  is   f i x ed ,   1 0   s ec o n d s   f o r   th e  g r ee n   tim e  an d   4   s ec o n d s   f o r   th e   y ello w  tim e.   T h e  r ed   p h ase,   th e r ef o r e,   la s ts   th e  tim e  elap s ed   s in ce   th e  p r ev io u s   p h ase  ch a n g e.      = {  ,   ,  ,   ,  ,   ,  ,   }     ( 5 )           Fig u r e   5.   T r af f ic   lig h ts   f o r   ea c h   in b o u n d   la n e   of   each   in ter s e ctio n   in   th e   s im u lated   e n v ir o n m en t       3 . 2 .     Ag ent s   In   th e   co n tex t   of   MA R L ,   AT S C   in v o lv es   co o r d in atin g   th e   ac tio n s   of   m u ltip le   in ter s ec tio n   tr af f ic   lig h t   co n tr o ller s   to   ac h iev e   n etwo r k - wid e   tr af f ic   o p tim izatio n .   E ac h   in ter s ec tio n   tr af f ic   lig h t   c o n tr o ller   ac ts   as   an   ag en t   with in   th e   MA R L   f r am e wo r k ,   p er ce iv in g   tr af f ic   co n d itio n s   at   th eir   r esp ec tiv e   in ter s ec tio n s   an d   m a k in g   d ec is io n s   on   p h ase   co n tr o l   s ig n als   ac co r d in g ly .   T h r o u g h   in t er ac tio n   an d   co llab o r atio n ,   ag en t   co n tr o ller s   ad ap t   th eir   p o licies   to   ch an g in g   tr af f ic   d y n am ics,   lev er ag i n g   co llec tiv e   n etwo r k   in tellig en ce   to   o p tim ize   tr af f ic   f lo w   ac r o s s   th e   en tire   s y s tem .   T h is   co llab o r ativ e   ap p r o ac h   allo w s   o f f icer s   to   lear n   f r o m   ea c h   o th er ' s   ex p er ien ce s ,   im p r o v e   d ec is io n - m ak i n g   p r o c ess es,   an d   u ltima tely   im p r o v e   t h e   ef f icien cy   of   th e   T SC   s y s tem .   By   u s in g   MA R L   in   AT SC ,   th e   n etwo r k - wid e   c o n tr o l   lo o p   s h o wn   in   Fig u r e   6,   f ac ilit ates   th e   co o r d in atio n   a n d   s y n ch r o n izatio n   of   ag en t   ac tio n s ,   lea d in g   to   a   m o r e   ef f icie n t   an d   ad a p tiv e   tr af f ic   m an ag e m en t   s o lu tio n .   T h is   ap p r o ac h   n o t   o n ly   co n s id er s   lo ca l   o p tim izatio n   at   each   in ter s ec tio n ,   but   also   co n s id er s   th e   o v er all   im p ac t   of   s ig n al   co n tr o l   d ec is io n s ,   r esu ltin g   in   im p r o v ed   tr af f ic   f lo w,   r ed u ce d   c o n g e s tio n ,   an d   im p r o v ed   tr af f ic   o v er all   p er f o r m an ce   of   th e   tr an s p o r t   n etwo r k .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 :  500 - 5 1 5   506       Fig u r e   6.   Netwo r k - wid e  MA R L   co n tr o l l o o p :  P o licy   o p tim iz atio n   in   AT SC   as a n   in ter ac tiv e  MD P   p r o ce s s   with   2   ag en ts       Usi n g   d ee p   Q - L ea r n i n g ,   each   ag en t   in   o u r   p r o p o s ed   m et h o d   r etr iev es   th e   d is cr etize d   r ep r esen tatio n   of   th e   en v ir o n m en t   s tate,   d en o ted   as   St   =   ( , ,   ∆ , )   ( d etailed   in   th e   n e x t   s ec tio n ) .   As   our   ap p r o ac h   is   b ased   on   th e   C T DE   d esig n   of   a   m u lti - ag en t   e n v ir o n m en t,   k n o wled g e   s h ar in g   b etwe en   th e   ag en ts   of   th e   two   in ter s ec tio n s   is   cr u cial   in   a   p a r tially   o b s er v a b le   en v ir o n m en t.   To   e n ab le   t h is   k n o wled g e   s h ar in g ,   at   each   tim e   s tep   t,   each   ag en t   s h ar es   th e   last   ex ec u ted   ac tio n   at   tim e   s tep   t - 1   with   th e   o th er   a g en t.   T h is   in f o r m atio n   is   p r o v id e d   as   in p u ts   to   th e   C NN   n etwo r k ,   wh ich   esti m ates   th e   Q - v alu es   ( , , )   f o r   all   p o s s ib le   ac tio n s   in   th e   ac tio n   s p ac e,   as   s h o wn   in   Fig u r e   7.   Fu r th er m o r e ,   u s in g   th e   r e p la y   m em eo r y   m ec h an is m ,   ea c h   ag en t   r ec o r d s   th e   o b s er v ed   in ter ac tio n   ex p er ien ce     =   ( , , , + 1 )   in to   a   r ep lay   m em o r y   M   =   { 1 , 2 , ·   ·   ·   , } .   To   a d d r ess   th e   is s u e   of   o s cillatio n   d u r in g   t h e   tr ain i n g   p h ase,   we   em p lo y   th e   tar g et   n etwo r k   m ec h a n is m ,   wh ic h   u tili ze s   th e   s am e   ar ch itectu r e   as   th e   C NN   n etw o r k   d ep icte d   in   Fig u r e   7.   In   ad d itio n   to   u p d ati n g   th e   C NN   p ar am eter s ,   th e   ag en t   also   u p d ates   th e   tar g et   n etwo r k   p ar am eter s   u s in g   a   m eth o d   ca lled   s o f t   u p d atin g ,   as   ex p lai n ed   in   s ec tio n   3 . 6 .   T h e   ag en t   s y s tem   s tr u ctu r e   of   our   p r o p o s ed   m eth o d   an d   h is   tr ain in g   p r o ce s s   ar e   d ep icted   in   Fig u r e   7,   illu s tr atin g   th e   in teg r atio n   of   th ese   co m p o n en ts   an d   th e   o v er all   f l o w   of   i n f o r m atio n   an d   u p d ates   with in   th e   s y s tem .             Fig u r e   7.   Ag e n t   s y s tem   an d   tr ain in g   p r o ce s s       3 . 3 .     St a t e   re presenta t io n   To   ap p ly   r ei n f o r ce m en t   lear n i n g ,   we   n ee d   to   f o r m u late   th e   p r o b lem   as   a   Ma r k o v   p r o ce s s ,   so   we   f ir s t   n ee d   to   d ef in e   th e   s tate   r ep r esen tatio n   u s ed   by   t h e   ag e n t.   T h e   s tate   is   th e   ag en t' s   p er ce p tio n   of   th e   en v ir o n m en t   at   tim e   s tep   t   an d   is   co m m o n ly   d en o ted   by   St.   C h o o s in g   th e   r ig h t   s itu atio n al   r ep r esen tatio n   is   im p o r tan t   f o r   th e                                                                                                               1                                [ , , + 1 , + 1 ,     ]                                                                                             = +      (   ,       )   =     ,   ,   ,                   ( ,     )   2     = ( , , ∆ , )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E n h a n ci n g   tr a ffic flo w   th r o u g h   mu lti - a g en t rein fo r ce men t le a r n in g   fo r   a d a p tive  tr a ffic lig h t  …  ( N a d a   F a q ir )   507   ag en t   to   lear n   how   to   o p tim ize   tr af f ic   ef f ec tiv ely .   T h is   ch o ic e   is   al s o   m o tiv ated   by   th e   q u a n tity   an d   q u ality   of   in f o r m atio n   p r o v id ed   to   th e   a g en t.   Vid ali  et  a l.   [ 1 9 ]   u s ed   a   d is cr etize d   r ep r esen tatio n   of   ea c h   a r m   of   a   j u n ctio n   wh er e   each   ce ll   is   ir r eg u lar   b ased   on   f o r m u la   DT SE  [ 1 4 ] ,   ex ce p t   th at   less   in f o r m atio n   is   en co d ed .   No t   all   ce lls   ar e   th e   s am e   s ize,   as   s h o w n   in   Fig u r e   8.   At   each   i n ter s ec tio n ,   th er e   a r e   20   ce lls   p er   a r m ,   with   10   ce lls   allo ca ted   to   th e   lef t   lan e   an d   th e   r em ain in g   10   ce lls   co v er in g   th e   o th er   th r ee   la n es,   r esu ltin g   in   80   ce lls   p e r   in ter s ec tio n .   T h ese   ce lls   ar e   not   of   th e   s am e   s ize   an d   th eir   len g t h   is   d eter m in e d   by   th eir   d is tan ce   f r o m   th e   s to p   lin e.   It   is   i m p o r tan t   to   s tr ik e   a   b alan ce   b etwe en   ce ll   le n g th   an d   co m p u tatio n   co m p lex ity .   If   t h e   ce ll   is   to o   lo n g ,   ca r s   m ay   n o t   be   d etec ted ,   wh ile   if   it   is   to o   s h o r t,   th e   co m p u tatio n   r e q u ir ed   co v e r in g   th e   p at h   len g th   in c r ea s es.   T h e   p a p er   p r o p o s es   a   ce ll   len g th   th at   is   2   m eter s   lo n g er   th an   th e   ca r ' s   len g th   f o r   th e   s h o r test   ce ll   clo s est   to   th e   s to p   lin e.   W h en ev er   th e   ag en t   o b s er v es   th e   en v ir o n m e n t,   it   r ec eiv es   a   s et   of   ce lls   th at   in d ic ate   th e   p r esen ce   of   v e h icles   in   each   ap p r o ac h   r o a d   zo n e.             Fig u r e   8.   State   r ep r esen tatio n   d esig n   of   an   in ter s ec tio n   ar m   with   ce ll   len g th s       In   our   a p p r o ac h   an d   f o r   each   in ter s ec tio n   we   r etr iev e   th e   s tate   f r o m   s u m o ,   in   t h e   f o r m   of   f o u r   m etr ics   as   f o llo ws :   −   T h e   p h ase     of   th e   tr af f ic   s ig n al   at   tim e   s tep   t;   −   T h e   co n g esti o n   lev el     of   each   c ell   c,   at   tim e   s tep   t;     −   T h e   v ar iatio n   in   co n g esti o n   le v el   ∆   f or   ea c h   ce ll   c   d u r in g   a   s in g le   s tep ;   −   T h e   m ea n   s p ee d     of   th e   v eh icle s   of   each   ce ll   c,   at   tim e   s tep   t.   W h er e   co n g esti o n   lev el     m u s t   be   in   th e   r an g e   of   [ 0 ,   1 ] ;   A   v alu e   of   1   is   as s ig n ed   wh en   a   v eh icle   is   p r esen t ,   up   to   th e   m ax im u m   o cc u p an c y   of   th e   ce ll. ,   is   in   ce ll   c   of   ea c h   in co m in g   lan e   of   th e   in ter s ec tio n   an d   0   wh en   no   v eh icle   is   in   th is   ce ll.   We   d ef in e   th e   co n g esti o n   lev el   as   ( 6 ) .     =  ℎ (  ℎ + )   ( 6 )     W h er e    ℎ   th e   n u m b e r   of   v eh icle s   in   ce ll   c,   th e   len g th   of   t h e   c ell   c   ,    ℎ   th e   s ize   of   th e   v eh icle   v eh   an d   .   T h is   r ef e r s   to   t h e   m in im u m   d is tan ce   m ain tain e d   b etwe en   v eh icles.   ( in   SUMO    ℎ = 5   m eter s   an d   = 2 . 5 ).   To   id en tify   c o n g ested   lan es,   th e   co n g esti o n   lev el   is   em p lo y e d ,   an d   if   a   lan e   h as   h ig h   co n g esti o n   lev els,   it   s h o u ld   s h if t   to   th e   tr a f f ic   s ig n al   p h ase   th at   allo ws   tr af f ic   to   p r o ce e d   an d   r ed u ce s   co n g e s tio n .   T h e   s tatu s   of   n eig h b o r in g   tr af f ic   s ig n als   is   d eter m in ed   u s in g   th e   ch a n g e   in   co n g esti o n   d en o ted   as   ∆ .   If   th e   co n g esti o n   lev els   at   th e   lan es   of   ad jace n t   in ter s ec tio n s   in cr ea s e,   th e   s ig n alin g   p h ase   th at   p er m its   tr af f ic   to   en ter   th e   in ter s ec tio n .   m u s t   be   ad o p ted .   E ac h   tr af f ic   s ig n al   can   p o ten ti ally   ac h iev e   c o o p e r ativ e   co n tr o l   with   n eig h b o r i n g   s ig n als   by   co n s id er in g   th e   ch a n g e   in   co n g esti o n   lev el   as   a   s tate.   ∆   at   tim e   s tep   t   can   be   ca lcu lated   by   tak in g   th e   d if f er e n ce   b etwe en     an d   − 1   th en   ∆   can   be   in   t h e   r an g e   [ - 1 , 1 ] .   We   n o r m alize   ∆   as   ( 7 ) .     ∆ = 1 + −   − 1 2   ( 7 )     T he   s p ee d     i s   d eter m in ed   by   n o r m alizin g   th e   s p ee d   of   each   v eh icle   ag ain s t   th e   m ax im u m   s p ee d   allo wed   f o r   th e   ed g e.   In   s u m m ar y ,   th e   tr a f f ic   s ig n al   ag en t   in   th is   en v ir o n m en t   estab lis h es   th e   s tate   at   a   s p ec if ic   d is cr ete   tim e   s tep   t   as   St=( , ,   ∆ , ).   Ou r   ap p r o ac h   is   b ased   on   th e   C T DE   d esig n   of   a   m u lti - a g en t   en v ir o n m en t   wh er e   th e   s h ar in g   of   k n o wled g e   b etwe en   th e   ag en ts   of   th e   two   in ter s ec tio n s   in   a   p ar tially   o b s er v ab le   en v i r o n m e n t   im p lies   th at   each   ag en t   at   tim e   s tep   t   s h ar es   with   th e   o th e r   th e   last   ac tio n   ex ec u ted   at   tim e   s tep   t - 1.   T h e   d etai l   of   th e   s tate   of   th e   en v ir o n m en t   th at   we   h a v e   ad o p ted   also   tak es   th e   p ar tially   o b s er v ab le   n atu r e   of   th is   en v ir o n m e n t .   T h is   is   ju s tifie d   by   th e   c h an g e   c o n g es tio n   lev el   m etr ic   ∆   ad d ed   to   th e   r ep r esen tatio n   of   th e   s tate.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell ,  Vo l.   14 ,   No .   1 ,  Feb r u ar y   2 0 2 5 :  500 - 5 1 5   508   3 . 4 .     Act i o n   s pa ce   In   o u r   ca s e,   we   h av e   f o u r   d if f e r en t   ac tio n s   th at   can   be   tak en   by   each   a g en t   as   s h o wn   in   Fig u r e   9 .   −   A1 :   A ctiv ate   g r ee n   lig h ts   f o r   v eh icles   in   th e   n o r t h   an d   s o u th   ar m s   g o in g   s tr aig h t   or   t u r n in g   r ig h t.   −   A2 :   A ctiv ate   g r ee n   lig h ts   ex cl u s iv ely   f o r   v eh icles   co m in g   f r o m   th e   n o r th   an d   s o u th   wh o   w an t   to   tu r n   lef t.   −   A3 :   A ctiv ate   g r ee n   lig h ts   f o r   v eh icles   th at   ar e   in   th e   ea s t  an d   west  ar m   an d   wis h   to   co n tin u e   s tr aig h t   or   tu r n   r ig h t.   −   A4 :   Activ ate   g r ee n   lig h ts   ex cl u s iv ely   f o r   v eh icles   in   th e  ea s t   an d   west  ar m   tu r n in g   le f t.   W h en   th e   ac tio n   ch o s en   at   tim e   s tep   t   d if f e r s   f r o m   th e   one   s elec ted   at   tim e   s tep   t+1 ,   a   tr a n s itio n   p h ase   m u s t   be   ex ec u ted .   T h is   tr an s itio n   co n s is ts   of   ac tiv atin g   a   y ello w   lig h t   p h ase   last in g   4   s ec o n d s ,   but   o n ly   if   th e   ac tio n   at   tim e   s tep   t   is   not   th e   s am e   as   th e   p r e v io u s   o n e.   In   th is   ca s e,   th e r e   ar e   10   s im u latio n   s tep s   s ep a r atin g   two   id en tical   ac tio n s ,   as   each   s im u latio n   s te p   in   SUMO   r ep r esen ts   1   s ec o n d .   If   co n s ec u tiv e   ac tio n s   ar e   d i f f er en t,   th e   y ello w   lig h t   p h ase   ad d s   4   more   s im u latio n   s tep s ,   r esu ltin g   in   14   s tep s   b etwe en   th e   two   ac tio n s .             Fig u r e   9.   Po s s ib le   ac tio n s   f o r   each   ag en t       3 . 5 .     Rew a rd   def ini t io n   At   th e   co r e   of   r ein f o r ce m e n t   lear n in g   lies   th e   f u n d am en tal   co n ce p t   wh er e   an   a g en t   u n d er tak es   an   ac tio n   an d   s u b s eq u e n tly   g a r n e r s   f ee d b ac k   f r o m   th e   en v i r o n m en t   in   th e   f o r m   of   a   r ewa r d ,   d en o ted   as   R t.   In   our   ap p r o ac h ,   we   d ir ec t   o u r   atten tio n   s p ec if ically   to   n eg ativ e   r e war d s ,   em an atin g   f r o m   s u b o p t im al   ac tio n s ,   with   a   p r im ar y   o b jectiv e   of   m itig ati n g   th eir   im p ac t.   Ou r   o v er ar c h in g   aim   is   to   cu r tail   n eg ativ e   r ewa r d s ,   th er eb y   en h an cin g   th e   f lu i d ity   of   tr af f i c   f lo w   with in   th e   in ter s ec tio n   as   tim e   p r o g r ess es.   W h ile   n u m er o u s   tr af f ic   p ar a m eter s   s u ch   as   th r o u g h p u t,   a v er ag e   d elay ,   a n d   t r av el   tim e   o f f er   d iv e r s e   m etr ics,   our   d elib er ate   ch o ice   ce n ter s   on   th e   m etr ic   of   to tal   waitin g   tim e.   T h is   s tr ateg ic   d ec is io n   is   r o o ted   in   th e   m etr ic' s   ca p ac ity   to   f u r n is h   a   co m p r eh e n s iv e   ev alu atio n   of   T SC   s tr ateg ies   in   u r b an   en v ir o n m e n ts .   Un lik e   s in g u lar   p ar am ete r s ,   to tal   waitin g   tim e   en ca p s u lates   th e   cu m u lativ e   in f lu en ce   on   th e   en t ir e   tr af f ic   s y s tem ,   p r esen tin g   a   h o lis tic   p er s p ec ti v e   on   co n g esti o n   lev els.   C o m p u ted   by   s u m m in g   th e   waitin g   t im es   of   all   v e h icles   in   th e   en v ir o n m e n t   at   tim e   s te p   t,   a   v eh icle's   wait in g   tim e   is   i n cr em en ted   wh en   its   s p ee d   f alls   b elo w   0 . 1   m /s ,   as   d ef in ed   by   ( 8 ) .        = ∑   ,   ( 8 )     W h er e     ,   p r esen t   th e   waitin g   ti m e   of   th e   v eh icle   i   at   tim estep   t.   th en   th e   r ewa r d   ca n   be   d ef i n ed   as   ( 9 ) .           =        − 1        ( 9 )     T he   waitin g   tim e   of   a   v e h icle   is   th e   tim e   ( in   s ec o n d s )   af t er   th e   ap p ea r an ce   of   th e   v eh i cle   in   th e   en v ir o n m en t   wh e r e   its   s p ee d   is   less   th an   0 . 1   m /s   at   th e   s tep   of   th e   ag en t   t.   As   a   m etr ic,   ea ch   ag en t   co n s id er s   th e   to tal   cu m u lativ e   waitin g   tim e   f o r   s tep   t   of   ea c h   v e h icle   ( _    ).   If   th e   v eh icle   m an a g es   to   m o v e   f o r war d   b u t   f ails   to   p ass   th e   i n ter s ec tio n ,   th is   m etr ic   d o es   n o t   r eset   th e   v alu e   of   th e   to tal   cu m u lativ e   waitin g   tim e   ( 1 0 ) .   T h is   s av es   us   f r o m   m is lead in g   s tatis tic s   d u r in g   ag en t   tr ain in g .     _    = ∑  _   ,   ( 1 0 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       E n h a n ci n g   tr a ffic flo w   th r o u g h   mu lti - a g en t rein fo r ce men t le a r n in g   fo r   a d a p tive  tr a ffic lig h t  …  ( N a d a   F a q ir )   509   W h er e    _   ,   is   th e   ac cu m u lated   wa itin g   tim e   of   th e   v e h icle   i   at   ti m estep   t.   T h en   our   r ewa r d   f u n ctio n   is   th e   ac cu m u lated   to tal   waitin g   tim e   of   all   th e   ca r s   in   t h e   in te r s ec tio n   ca p tu r e d   r esp ec tiv ely   at   ag e n t   s tep   t   an d     t   –   1   p r esen ted   as   ( 1 1 ) .     =   _    − 1   _        ( 1 1 )     In   ( 9 )   a n d   ( 1 1 )   p r o d u ce   n eg ati v e   v alu es.   As   m o r e   v eh icles   a cc u m u late   in   th e   q u eu es   at   t h e   ag en t' s   s tep   t,   th e   r ewa r d   b ec o m es   in cr ea s in g l y   n eg ativ e,   p r o m p tin g   t h e   ag e n t   to   ass ess   its   ac tio n   more   ca r ef u lly .   C o n s eq u e n tly ,   in   our   r esu lts ,   we   f o cu s   on   v is u alizin g   th e   n e g ativ e   r ewa r d   at   each   tim e   s tep   to   ev alu ate   th e   b eh av io r   of   each   ag en t.     3 . 6 .     T ra ini ng   a lg o rit h m   Alg o r ith m   1   s u m m a r izes  th e  co m p lete  tr ain i n g   p r o ce s s   o f   ea ch   ag e n t.  Usi n g   d ee p   Q - l ea r n in g ,   ea ch   ag en t f ir s t r etr iev es th e   en v ir o n m en t state  St =  ( , ,  ∆ , )   an d   p r o v i d es it a s   in p u ts   to   th e  C NN  n et wo r k ,   wh ich   esti m ates  th e  Q - v alu es  ( , , )   as  o u tp u ts   f o r   all  p o s s ib le  ac tio n s   in   th e  ac tio n   s p ac e.   As  illu s tr ated   in   Fig u r e  7 .   E ac h   ag en t  r ec o r d s   o b s er v ed   in ter ac tio n   ex p er ie n ce     =   ( , , , + 1 )   in to   a  r ep lay   m e m o r y   M   =   { 1 , 2 , ·   ·   ·   , } .  As p ar t  o f   o u r   ad o p ted   C T D E   ap p r o ac h ,   ag en ts   e n g ag e   in   r ec o g n itio n - s h a r in g ,   wh er ein   ea ch   ag e n t  s h ar es   its   last   tak en   ac tio n   at  tim e   t - 1   with   o th er s ,   an d   v ice  v er s a.   T h is   co llab o r ativ e  s tr ateg y   allo ws   u s   to   h a r n ess   th e  ad v an tag es  o f   ce n tr alize d   tr ain in g   wh i le  ad d r ess in g   ch allen g es  r elate d   to   p ar tial  o b s er v a b ilit y   an d   m in im izin g   d im en s io n ality   co n ce r n s   ass o ciate d   with   ce n tr alize d   ex ec u tio n .     Alg o r ith m   1 :   DQN  with   ex p er ien ce   r ep lay   a n d   tar g et  n etwo r k   f o r   AT SC   1:  Initialize CNN network with random weights  θ 0   2:  Initialize target network  with weights   3:  Initialize hyperparameters  ϵ ,  γ ,  α , and the number of episodes  N   4: for  each episode episode = 1 , 2 ,...,N do     5:   Initialize action  A 0     6:      Start a new time step     7:       for  each time step time = 1 , 2 ,...,T do     8:   if  a new time step  t  begins  then     9:                  The agent observes the current intersection state  S t ;   10:                The agent selects an action  A  = argmax a  Q ( S t ,a ; θ ) with probability 1  −   ϵ ,  and randomly selects a random action  A t   with probability  ϵ ,     11:                 if A  ==  A t−1  then     12                         No transition phase for traffic signals;     13:                 else     14:                        Apply a transition phase for traffic signals;     15:                 end if     16:        end if     17:     Execute the selected action  A t;     18:         Vehicles move according to the current traffic signals;     19:     Increment time time = time + 1;     20:     if  the time step  t  ends  then     21:   The agent observes the reward  R  and the current intersection state   St+1 ;     22:                Store the observed experience ( S t ,A t ,R t ,S t+1 ) in replay memory  M;     23:            Randomly sample a minibatch of 100 experiences ( S i ,A i ,R i ,S i+1 ) from  M;     24:            Form the training data: input set  X  and targets  y;     25:                 Update  θ  with the training data;     26:                 Update the target network  θ ′  according to equation (12);     27:          end if     28:      end for     29: end for     T h e   r ep lay   m em o r y   M   h as   a   f in ite   ca p ac ity   of   50 , 0 0 0   s a m p les,   an d   o n ce   f u ll,   th e   o ld est   d ata   is   d is ca r d ed .   To   lear n   C NN   p ar a m eter s   th at   b est   ap p r o x im ate   ∗ ( s , a ) ,   th e   ag e n t   r e q u ir es   tr ain i n g   d ata :   in p u t   d ata   s et   X   =   { ( , ) :   t   ≥   1 }   an d   th e   co r r esp o n d in g   tar g ets   y   =   { ∗ ( , ) ∶   t   ≥   1 }   can   be   r etr iev ed   f r o m   r ep lay   m em o r y   M   f o r   th e   in p u t   d ata   s et.   Ho wev er ,   th e   tar g et   ∗ ( , )   is   u n k n o wn .   We   u s e   its   es tim at ed   v alu e   + γ          ( ( + 1 ,         )   as   th e   tar g et   in s tead ,   as   in   [ 1 6 ] ,   [ 2 6 ] – [ 2 8 ] ,   wh e r e   ( + 1 ,         )   is   th e   o u tp u t   of   a   s ep ar ate   tar g et   n etwo r k   w ith   p ar am eter s     .   T h ese   p ar am et er s   ar e   s o f tly   u p d ated   u s in g   th e   eq u atio n   ( s o f t   u p d ate   f o r   weig h ts ) ,   an d   th e   tar g et   n etwo r k ' s   in p u t   is   th e   co r r esp o n d in g   + 1   f r o m   i n ter ac tio n   ex p er ien ce       =   ( , , , + 1 ) .   T h e   tar g et   n etwo r k   em p lo y s   th e   s am e   ar ch itectu r e   as   th e   C NN   n etwo r k   d ep icted   in   Fig u r e   7.   T h u s ,   tar g ets   y   =   { + γ          ( ( + 1 ,         ) ∶   t   ≥   1 } .   We   u s e   th e   s to ch asti c   g r ad ien t   d escen t   alg o r ith m   r o o t  m e an   s q u ar ed   p r o p ag atio n   ( R MSPr o p )   [ 2 9 ]   with   a   m in i b atch   s ize   of   1 0 0   to   r e d u ce   co m p u tatio n al   c o s ts .   Du r in g   th e   tr ai n in g   p r o ce s s   of   th e   C NN   n etwo r k ,   th e   ag en t   u tili ze s   th e   ex p er ien ce   r ep lay   tech n iq u e   by   r a n d o m ly   s elec tin g   100   s am p les   f r o m   th e   r ep lay   m em o r y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.