大模型“上路”，干起了交通信號(hào)控制（TSC）的活～

模型名為LightGPT，以排隊(duì)及不同區(qū)段快要接近信號(hào)燈的車輛對(duì)路口交通狀況分析，進(jìn)而確定最好的信號(hào)燈配置。

該模型由香港科技大學(xué)（廣州）的研究團(tuán)隊(duì)提出，其背后關(guān)鍵是一個(gè)名為LLMLight的框架。

該框架向智能體提供詳細(xì)的實(shí)時(shí)交通狀況，并結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)成提示，利用大模型卓越的泛化能力，采用符合人類直覺的推理和決策過程來實(shí)現(xiàn)有效的交通控制。

在九個(gè)交通流數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)證明了LLMLight框架的有效性、泛化能力和可解釋性。

具體來說，在真實(shí)數(shù)據(jù)集上，LLMLight在所有基準(zhǔn)測(cè)試中始終達(dá)到了SOTA或與經(jīng)典強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法同等的性能水平，并且擁有比后者更為強(qiáng)大的泛化性。

同時(shí)，LLMLight還能在決策時(shí)提供背后的分析邏輯，這一可解釋性實(shí)現(xiàn)了信號(hào)燈控制的透明化。

TSC垂類大模型LightGPT在此任務(wù)上的決策能力顯著優(yōu)于GPT-4。

即便在濟(jì)南、杭州、紐約等復(fù)雜路網(wǎng)下，也展示出突出性能。

目前，LLMLight框架、交通信號(hào)燈控制垂類大模型LightGPT已開源。

LLM應(yīng)用于TSC有何挑戰(zhàn)？

交通信號(hào)控制（TSC）是城市交通管理的重要組成部分，旨在優(yōu)化道路網(wǎng)絡(luò)效率并減少擁堵。

現(xiàn)有的TSC研究主要分為兩類：基于交通工程和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法。

其中，交通工程方法主要側(cè)重于制定有效的啟發(fā)式算法，根據(jù)車道級(jí)交通狀況屬性，動(dòng)態(tài)調(diào)整交通信號(hào)燈配置。然而，這些方法的設(shè)計(jì)嚴(yán)重依賴人力及專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。

之后，多數(shù)研究便基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)來應(yīng)對(duì)這一任務(wù)，并在各種交通場(chǎng)景中都表現(xiàn)出了卓越的性能。

然而，基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法也存在明顯缺點(diǎn)。首先，由于他們的訓(xùn)練數(shù)據(jù)僅涵蓋有限的交通情況，致使其表現(xiàn)出局限的泛化能力，特別是在轉(zhuǎn)移到更大規(guī)模的交通網(wǎng)絡(luò)或在不常見的路況下（例如，極端高流量的情況）。

此外，由于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）的黑盒特性，基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法缺乏可解釋性，這使得研究人員很難理解其在某交通狀況下控制行為的背后邏輯。

而當(dāng)今，大語言模型憑借其卓越的零樣本學(xué)習(xí)和泛化能力，它以模仿近似人類的推理過程來解決復(fù)雜任務(wù)，徹底改變了多個(gè)領(lǐng)域。

例如在交通控制任務(wù)上，PromptGAT使用LLM生成人類知識(shí)，以此來幫助DNN模型理解TSC任務(wù)中的長(zhǎng)尾場(chǎng)景（例如極端天氣），旨在彌合現(xiàn)實(shí)世界與模擬之間的差距。

不過，雖然現(xiàn)有的研究已經(jīng)開始探索利用LLM作為輔助工具來增強(qiáng)決策，但直接利用LLM作為TSC智能體進(jìn)行類人決策的潛力還尚未探尋。

具體而言，其有兩個(gè)重要挑戰(zhàn)。

第一個(gè)挑戰(zhàn)在于如何使LLM能夠理解實(shí)時(shí)交通動(dòng)態(tài)并與交通環(huán)境做有效交互。

LLM通常在大規(guī)模自然語言語料庫上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練，但很少包含非文本的流量數(shù)據(jù)（例如傳感器讀數(shù)和GPS軌跡）。盡管它們具有跨多種任務(wù)和領(lǐng)域的泛化能力，但實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)和自然語言之間存在固有差距。

如何為信號(hào)燈控制任務(wù)選擇和開發(fā)專有垂類LLM，則是另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

首先，通才大模型往往缺乏特定領(lǐng)域的知識(shí)，容易出現(xiàn)專業(yè)領(lǐng)域的幻覺問題。盡管GPT-4等最先進(jìn)的LLM表現(xiàn)出了優(yōu)異的泛化能力，但它們的閉源性質(zhì)和高昂成本并不利于投入到實(shí)時(shí)TSC任務(wù)及其后續(xù)優(yōu)化中。

因此，訓(xùn)練專門為TSC任務(wù)量身定制的LLM成為了當(dāng)下更優(yōu)的選擇。

如何將LLM應(yīng)用于TSC？

為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究人員提出了LLMLight框架，其旨在整合大語言模型作為智能體，實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈控制。

首先該研究將TSC視為部分可觀察的馬爾可夫博弈（Partially Observable Markov Game），其中每個(gè)LLM智能體管理一個(gè)十字路口的交通燈。

在每個(gè)信號(hào)切換時(shí)間步上，智能體都會(huì)收集目標(biāo)路口的交通狀況，并將其轉(zhuǎn)換為人類可讀的文本作為實(shí)時(shí)觀察。

此外，該研究還結(jié)合了信息量豐富的任務(wù)描述及一條與控制策略有關(guān)的常識(shí)知識(shí)，以幫助LLM理解交通管理任務(wù)。交通路口的實(shí)時(shí)狀態(tài)、任務(wù)描述與控制動(dòng)作空間結(jié)合，形成了指導(dǎo)智能體決策的知識(shí)提示。

最后，LLM控制智能體利用思想鏈 (CoT) 推理來確定下一個(gè)時(shí)間片的最佳交通信號(hào)燈配置。

并且該研究還構(gòu)建了一個(gè)交通信號(hào)燈控制垂類大模型LightGPT來增強(qiáng)LLMLight框架。一方面，提出了模仿學(xué)習(xí)微調(diào)（Imitation Fine-tuning），讓學(xué)生LLM學(xué)習(xí)GPT-4產(chǎn)生的高質(zhì)量決策和推理軌跡。

另一方面，引入了一個(gè)由評(píng)論家模型指導(dǎo)的策略優(yōu)化（Critic-gudied Policy Refinement）過程，使其評(píng)估和改進(jìn)LLM智能體的控制。

優(yōu)化后的LightGPT可以產(chǎn)生比GPT-4更具成本效益且更有效的控制策略，并在不同流量場(chǎng)景中展現(xiàn)出卓越的泛化能力。

一起來看具體實(shí)現(xiàn)方法。

LLMLight框架的構(gòu)建

LLMLight的工作流包括：

• 交通狀態(tài)觀測(cè)特征構(gòu)建：收集交通路口的交通狀態(tài)觀測(cè)；
• 常識(shí)知識(shí)增強(qiáng)的智能體提示構(gòu)建：組成一則整合了常識(shí)知識(shí)的提示，用于指導(dǎo)LLM推理出下一時(shí)間片最優(yōu)的交通信號(hào)燈配置；
• 智能體的分析推理及決策：LLM使用構(gòu)建的提示進(jìn)行分析推理決策過程，隨后做出決策。其流程如下圖所示：

研究人員將交通信號(hào)控制定義為一個(gè)部分可觀察的馬爾可夫博弈?；诮徊婵趯?shí)時(shí)交通狀況的觀察、交通場(chǎng)景描述、任務(wù)描述、常識(shí)知識(shí)以及信號(hào)燈控制動(dòng)作空間，以LLM智能體的策略控制目標(biāo)交通路口的信號(hào)燈。

LLM的輸出為分析推理軌跡與調(diào)節(jié)路口信號(hào)燈的控制動(dòng)作。其目標(biāo)為優(yōu)化長(zhǎng)期內(nèi)交通路口的通行效率。其可形式地表示為：

具體來說，對(duì)于交通狀態(tài)觀測(cè)特征構(gòu)建，研究人員收集了兩種在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中可以簡(jiǎn)單獲取到的觀測(cè)特征：不同車道上排隊(duì)車的數(shù)量；同車道上，還未到達(dá)路口車的數(shù)量。

常識(shí)知識(shí)增強(qiáng)的智能體提示構(gòu)建方面，除觀測(cè)特征外，研究人員還向LLM提供了在處理交通信號(hào)控制任務(wù)中其他必不可少的信息，包括交通場(chǎng)景描述、任務(wù)描述和控制動(dòng)作空間。

這使得LLM能夠全面了解任務(wù)，從而做出合理的控制決策。

此外，該研究還整合了常識(shí)知識(shí)，以緩解通用型LLM在交通控制領(lǐng)域知識(shí)上的局限性。

這些知識(shí)規(guī)定了智能體需要優(yōu)先考慮排隊(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)的車道，而減弱對(duì)距離路口較遠(yuǎn)車輛的注意力。形式化地，該研究將智能體提示表示為：

提示符模板的簡(jiǎn)要示意如下圖所示：

在智能體的分析推理及決策方面，該研究利用上述提示LLM進(jìn)行零樣本（Zero-Shot）推理。

其決策過程包含兩個(gè)關(guān)鍵步驟：分析推理及決策。

首先，LLM會(huì)對(duì)所給任務(wù)及常識(shí)知識(shí)進(jìn)行理解，并評(píng)估各車道的當(dāng)前交通狀況。

隨后，LLM選擇合適的信號(hào)燈配置，以允許擁堵最嚴(yán)重的車道通行，從而優(yōu)化交通流量，確保車輛的順暢通過。

通過這種方式，LLMLight不僅可以制定有效的控制策略，還可以為每個(gè)決策提供其背后推理邏輯。這會(huì)極大有助于建立更具解釋性和透明性的交通控制系統(tǒng)。

形式化地，研究人員將推理和執(zhí)行行動(dòng)表示為，LLM主干的決策過程示例如下圖所示：

LightGPT模型訓(xùn)練

此外，該研究還提出了一種訓(xùn)練方法，以專門優(yōu)化用于交通信號(hào)燈控制的LLM——LightGPT。

它主要包括三個(gè)階段：

• 推理軌跡的收集和篩選：首先，該研究收集GPT-4的思維鏈推理軌跡進(jìn)行模仿學(xué)習(xí)微調(diào)，之后篩選出與長(zhǎng)期優(yōu)化目標(biāo)最相符的軌跡以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量；
• 模仿學(xué)習(xí)微調(diào)：利用GPT-4的決策及其推理軌跡對(duì)學(xué)生LLM進(jìn)行訓(xùn)練；
• 評(píng)論家模型指導(dǎo)的策略優(yōu)化：依據(jù)評(píng)論家模型的反饋進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)一步改善LLM的決策過程。

下圖展示了其訓(xùn)練流程：

推理軌跡的收集和篩選

利用上述方法構(gòu)建的提示，該研究首先讓GPT-4與模擬交通環(huán)境進(jìn)行交互，并收集其推理軌跡。

為了確保所收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，研究人員篩選出與交通信號(hào)燈控制的長(zhǎng)期目標(biāo)最相符軌跡（如最小化未來的排隊(duì)長(zhǎng)度）。這種篩選操作通過與一個(gè)預(yù)訓(xùn)練的動(dòng)作-價(jià)值網(wǎng)絡(luò)（Action-Value Network）的對(duì)齊來實(shí)現(xiàn)。

該研究通過在模擬環(huán)境中優(yōu)化貝爾曼方程（Bellman Equation）來訓(xùn)練此網(wǎng)絡(luò)：

其中和是在信號(hào)燈切換時(shí)間步時(shí)觀察和控制動(dòng)作，是獎(jiǎng)勵(lì)折扣因子。是獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，其提供了在觀察下執(zhí)行動(dòng)作的反饋（如隊(duì)列長(zhǎng)度的負(fù)值）。是動(dòng)作-價(jià)值函數(shù)，用于估計(jì)執(zhí)行后獲得的未來累積獎(jiǎng)勵(lì)。

隨后，訓(xùn)練好的動(dòng)作-價(jià)值函數(shù)被用作評(píng)論家模型來評(píng)估GPT-4的決策。研究人員僅保留選擇可得到最高未來獎(jiǎng)勵(lì)控制動(dòng)作的推理軌跡，形式化地：

其中是模擬持續(xù)時(shí)間，是智能體提示，是GPT-4的推理軌跡。

模仿學(xué)習(xí)微調(diào)

這一階段，首先研究人員采用了一種模仿學(xué)習(xí)過程，令學(xué)生LLM基于GPT-4的決策及其推理軌跡進(jìn)行訓(xùn)練。

研究人員將提視為微調(diào)指令，將包含GPT-4選擇的控制動(dòng)作的推理軌跡作為期望得到的回答，并以負(fù)對(duì)數(shù)似然（NLL）作為損失函數(shù)：

其中為在提示為的情況下生成字符的概率。

評(píng)論家模型指導(dǎo)的策略優(yōu)化

為進(jìn)一步提高LLM控制策略的有效性，研究人員提出了一種策略優(yōu)化方法，通過調(diào)整LLM的推理軌跡以得出更合理的控制決策。

類似的，該研究繼續(xù)使用上述預(yù)訓(xùn)練的動(dòng)作-價(jià)值函數(shù)作為評(píng)論家模型，以評(píng)估由LLM選擇的控制動(dòng)作。隨后，利用一種對(duì)齊微調(diào)算法來調(diào)整推理軌跡，最終引導(dǎo)LLM采取產(chǎn)生更高未來獎(jiǎng)勵(lì)的決策。

具體而言，有個(gè)在提示下由策略采樣的推理軌跡

評(píng)論家模型給出每個(gè)軌跡推導(dǎo)出的控制動(dòng)作的分?jǐn)?shù)

接著，的字符平均對(duì)數(shù)似然值表示由生成的概率：

該研究采用帶有邊界約束項(xiàng)（RBC）的排名反饋損失進(jìn)行優(yōu)化，以指導(dǎo)LLM得出產(chǎn)生得分更高控制動(dòng)作的推理軌跡：

其中

是比評(píng)分更高的且最低的推理軌跡的概率，β是超參數(shù)。

是用于提升產(chǎn)生得分更高控制動(dòng)作的軌跡的對(duì)齊項(xiàng)。

是用于防止性能下降的約束項(xiàng)。

該方法效果如何？

實(shí)驗(yàn)階段，該研究使用了五個(gè)真實(shí)世界流量數(shù)據(jù)集，其中包括了來自濟(jì)南和杭州的數(shù)據(jù)。

此外，還利用了兩個(gè)在紐約更大的路網(wǎng)下采集的數(shù)據(jù)，以測(cè)試不同方法的在大型路網(wǎng)下的可擴(kuò)展性。

為了測(cè)試在長(zhǎng)尾情況下的泛化性，研究人員還合成了兩個(gè)額外的數(shù)據(jù)集，模擬了極端擁堵的路況。

該研究使用了平均旅行時(shí)間（ATT），路口平均隊(duì)列長(zhǎng)度（AQL），以及路口平均等待時(shí)間（AWT）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

以下是具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

總體性能比較

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，配備了LightGPT的LLMLight在所有基準(zhǔn)測(cè)試中始終達(dá)到了SOTA或與經(jīng)典方法同等的性能水平。

盡管Advanced-CoLight（當(dāng)前最先進(jìn)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法）在杭州數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)優(yōu)于LLMLight（LightGPT），但它的決策需要依賴與鄰近路口之間的通信。

值得一提的是，LLMLight（LightGPT）僅利用當(dāng)前路口的觀測(cè)特征就展現(xiàn)出強(qiáng)有競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，表明了其決策顯著的有效性。

對(duì)于由通用型大模型驅(qū)動(dòng)的LLMLight，研究人員觀察到GPT-4表現(xiàn)最為出色，并展示出與最先進(jìn)強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法相當(dāng)?shù)男Ч?/p>

同時(shí)Llama2-70B和13B分別獲得第二和第三名，這表明LLM在交通信號(hào)控制任務(wù)中也遵循了規(guī)模化定律（scaling law）。

令人驚訝的是，ChatGPT-3.5的表現(xiàn)最不理想。

泛化性的比較

該研究首先測(cè)試了不同方法的可遷移性。標(biāo)有“-T”的模型是在不同的道路網(wǎng)絡(luò)上預(yù)訓(xùn)練得到的（例如，使用在濟(jì)南預(yù)訓(xùn)練的模型在杭州數(shù)據(jù)集上評(píng)估可遷移性）。反之則在相同的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。

該研究觀察到強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法在遷移后性能明顯下降，尤其在濟(jì)南1和杭州1數(shù)據(jù)集中表現(xiàn)尤為明顯。相反，LLMLight（LightGPT）始終表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，并在所有數(shù)據(jù)集上展現(xiàn)出優(yōu)異的可遷移性。

之后該研究分析了不同方法的可擴(kuò)展性，測(cè)試它們?cè)趹?yīng)用于規(guī)模更大的路網(wǎng)時(shí)的性能。

可以觀察到，大多數(shù)強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法發(fā)生了顯著性能下降，甚至表現(xiàn)出比啟發(fā)式方法Maxpressure更差的性能。雖然最先進(jìn)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法在平均旅行時(shí)間（ATT）上與LLMLight（LightGPT）相當(dāng)，但值得注意的是，它們的決策會(huì)導(dǎo)致最高延長(zhǎng)57.80%的等待時(shí)間（AWT）。

這一結(jié)果表明，強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法側(cè)重于優(yōu)化排隊(duì)車輛的總數(shù)，但可能會(huì)以犧牲少部分隊(duì)列的等待時(shí)間為代價(jià)。

在實(shí)際場(chǎng)景中，等待時(shí)間的重要性不容忽視。相比之下，LLMLight可以同時(shí)確保最短的旅行時(shí)間和等待時(shí)間，體現(xiàn)了其拓展到規(guī)模更大的路網(wǎng)時(shí)的優(yōu)良的可擴(kuò)展性和適用性。

最后該研究為了探討了在極端擁堵情況下不同模型的性能，在濟(jì)南和杭州的路網(wǎng)上生成了兩個(gè)合成交通流數(shù)據(jù)集，其流量相比原始數(shù)據(jù)集增加了約四倍。

與可擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)類似，強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法也表現(xiàn)出顯著的性能下降，表現(xiàn)出比Maxpressure更差的結(jié)果。

相比之下，LLMLight（LightGPT）始終表現(xiàn)出卓越的性能，體現(xiàn)了其在更加繁重的交通條件下的穩(wěn)健性和實(shí)用性。

可解釋性分析

為了評(píng)估LLMLight的可解釋性，研究人員在杭州數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了一個(gè)案例模擬。

在這個(gè)模擬場(chǎng)景中，北部路段出現(xiàn)了嚴(yán)重?fù)矶?，表現(xiàn)為排隊(duì)的車輛出現(xiàn)積壓。

下圖詳細(xì)展示了LightGPT在此路況下的推理分析過程。

它以理解任務(wù)開始，并分析目標(biāo)交叉口的交通情況以進(jìn)行決策推理。隨后，它明確信號(hào)燈NLSL為最優(yōu)的選擇。

與強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法不同，LLMLight不僅在制定有效的控制策略方面表現(xiàn)出色，而且還能為每個(gè)決策提供其背后的詳細(xì)解釋。這一獨(dú)特特征增強(qiáng)了LLMLight的透明度和可解釋性，有助于研究人員更全面地理解其決策行為。

最后，研究人員表示，LLMLight的下一步研究將著眼于融合多模態(tài)信息及群體協(xié)同。

多模態(tài)大模型可以直接從端到端地提取路口的交通擁堵信息，使模型能夠自行探索可用的視覺特征，進(jìn)而自我優(yōu)化出更優(yōu)的決策。

而群體協(xié)同則能夠?qū)崿F(xiàn)臨近路口、車輛和智能體之間的信息交換，從而獲得全局信息，最終達(dá)到優(yōu)化整體路網(wǎng)的交通效率的目的。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2312.16044
代碼鏈接：https://github.com/usail-hkust/LLMTSCS
主頁鏈接：https://gungnir2099.github.io/LLMLight-Page/
模型權(quán)重鏈接：https://huggingface.co/USAIL-HKUSTGZ/LLMLight-LightGPT