Aprendizado por reforço multiagente : uma avaliação de diferentes mecanismos de recompensa para o problema de aprendizado de rotas

Abstract

Esta dissertação de mestrado apresenta um estudo sobre os efeitos de diferentes funções de recompensa, aplicadas em aprendizado por reforço multiagente, para o problema de roteamento de veículos, em redes de tráfego. São abordadas duas funções de recompensas que diferem no alinhamento do sinal numérico enviado do ambiente ao agente. A primeira função, chamada função individual, é alinhada à utilidade individual do agente (veículo ou motorista) e busca minimizar seu tempo de viagem. Já a segunda função, por sua vez, é a chamada difference rewards, essa é alinhada à utilidade global do sistema e tem por objetivo minimizar o tempo médio de viagem na rede (tempo médio de viagem de todos os motoristas). Ambas as abordagens são aplicadas em dois cenários de roteamento de veículos que diferem em: quantidade de motoristas aprendendo, topologia e, consequentemente, nível de complexidade. As abordagens são comparadas com três técnicas de alocação de tráfego presentes na literatura. Resultados apontam que os métodos baseados em aprendizado por reforço apresentam desempenho superior aos métodos de alocação de rotas. Além disso, o alinhamento da função de recompensa à utilidade global proporciona uma melhora significativa nos resultados quando comparados com a função individual. Porém, para o cenário com maior quantidade de agentes aprendendo simultaneamente, ambas as abordagens apresentam soluções equivalentes.

This dissertation presents a study on the effects of different reward functions applyed to multiagent reinforcement learning, for the vehicles routing problem, in traffic networks. Two reward functions that differ in the alignment of the numerical signal sent from the environment to the agent are addressed. The first function, called individual function is aligned with the agent’s (vehicle or driver) utility and seeks to minimize their travel time. The second function, is called difference rewards and is aligned to the system’s utility and aims to minimize the average travel time on the network (average travel time of all drivers). Both approaches are applied to two routing vehicles’ problems, which differ in the number of learning drivers, network topology and therefore, level of complexity. These approaches are compared with three traffic assignment techniques from the literature. Results show that reinforcement learning-based methods yield superior results than traffic assignment methods. Furthermore, the reward function alignment to the global utility, provides a significant improvement in results when compared with the individual function. However, for scenarios with many agents learning simultaneously, both approaches yield equivalent solutions.