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LATS:面向交通信号控制的多智能体强化学习中的大语言模型辅助师生框架
LATS: Large Language Model Assisted Teacher-Student Framework for Multi-Agent Reinforcement Learning in Traffic Signal Control

作者: Yifeng Zhang, Peizhuo Li, Tingguang Zhou 等5人
arXiv: 2603.24361v1
分类: cs.RO
📝 论文摘要
自适应交通信号控制旨在通过实时调整交通信号灯来优化交通流并最小化延误。多智能体强化学习的最新进展为该领域带来了希望,但现有方法仍受限于表征能力不足,往往导致在复杂动态交通环境中性能欠佳且泛化能力较弱。另一方面,大语言模型在语义表征、推理和分析方面表现卓越,但其易产生幻觉和推理速度较慢的特点常阻碍其在决策任务中的直接应用。为应对这些挑战,我们提出了一种名为LATS的新型学习范式,该范式融合了大语言模型与多智能体强化学习,利用前者的强大先验知识与归纳能力来增强后者的决策过程。具体而言,我们引入了一个即插即用的师生学习模块:经过训练的嵌入大语言模型作为教师,生成捕捉每个交叉口拓扑结构与交通动态的丰富语义特征;随后通过潜在空间的知识蒸馏,一个更简洁的(学生)神经网络学习模拟这些特征,使得最终模型能够独立于大语言模型运行,应用于强化学习决策过程。这种集成显著提升了整体模型在不同交通场景下的表征能力,从而产生更高效且可泛化的控制策略。在多样化交通数据集上的大量实验证明,我们的方法增强了强化学习模型的表征学习能力,相较于传统强化学习方法和纯大语言模型方法,实现了整体性能与泛化能力的双重提升。[...]

📊 核心分析

🎯 研究动机
该论文旨在解决自适应交通信号控制(Adaptive Traffic Signal Control, ATSC)中的两个关键问题: - 现有基于多智能体强化学习(Multi-agent Reinforcement Learning, MARL)的方法在复杂动态交通环境中表征能力有限,导致性能欠佳和泛化能力差。 - 大语言模型(Large Language Models, LLMs)虽具有强大的语义表征和推理能力,但其幻觉(hallucination)倾向和推理速度慢的问题阻碍了其在实时决策任务中的直接应用。
🔧 核心方法
论文提出了一种名为LATS的新型学习范式,核心是一个即插即用(plug-and-play)的师生学习(teacher-student learning)模块: 1. **教师模型**:使用一个经过训练的嵌入大语言模型(embedding LLM)作为教师,其输入是每个交叉口的拓扑结构(topology structures)和交通动态(traffic dynamics)信息,输出是丰富的语义特征(semantic features)。 2. **学生模型**:一个更简单的神经网络作为学生,在潜在空间(latent space)中通过知识蒸馏(knowledge distillation)学习模仿教师模型生成的特征。 3. **集成与决策**:最终模型在强化学习(Reinforcement Learning, RL)的决策过程中可以独立于大语言模型运行,利用蒸馏得到的增强表征进行下游决策。
💡 核心创新
论文的核心创新点在于提出了一种新颖的、将大语言模型与多智能体强化学习深度融合的范式,具体独特之处包括: - **范式创新**:首次提出利用大语言模型的强先验知识和归纳能力来增强多智能体强化学习在交通控制中的决策过程,克服了两类技术各自的固有缺陷。 - **模块设计**:设计了即插即用的师生学习模块,其中大语言模型仅作为离线的“特征教师”,避免了其直接参与实时决策带来的幻觉和延迟问题。 - **知识迁移机制**:通过潜在空间的知识蒸馏,将大语言模型强大的语义表征能力高效地迁移到一个轻量级的学生网络中,从而显著提升了最终模型的表征能力和泛化性,而无需在部署时依赖大语言模型。
🏆 总体贡献
论文对该领域的整体贡献主要体现在: - **方法论贡献**:为自适应交通信号控制领域提供了一种结合大语言模型与强化学习的新颖、有效的学习范式(LATS),开辟了利用大语言模型先验知识提升强化学习智能体性能的新途径。 - **性能提升**:通过大量实验证明,该方法能显著增强强化学习模型在多样交通场景下的表征学习能力(representation learning capability),从而在整体性能和泛化能力上均优于传统的强化学习方法以及纯大语言模型方法。 - **实践价值**:所提出的框架实现了性能与效率的平衡,学生网络继承了教师的知识但运行高效,更适合实际交通信号控制系统的部署需求。