پژوهشنامه حمل و نقل

پژوهشنامه حمل و نقل

ارزیابی عملکرد یادگیری تقویتی عمیق در کنترل تطبیقی چراغ‌های راهنمایی: تحلیل ترافیکی و زیست‌محیطی در یک شبکه شبیه‌سازی‌شده شهر تهران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
دانش آموخته کارشناس ارشد؛عمران گرایش راه و ترابری ؛دانشکده عمران؛دانشگاه رازی ؛کرمانشاه؛ایران
10.22034/tri.2026.588165.3472
چکیده
چکیده

رشد شهرنشینی، افزایش تقاضای سفر و محدودیت ظرفیت شبکه معابر شهری، موجب تشدید ازدحام، افزایش تأخیر، مصرف سوخت و انتشار آلاینده‌ها شده است. کنترل زمان‌ثابت چراغ‌های راهنمایی، به دلیل اتکا به برنامه‌های از پیش تعیین‌شده، انعطاف‌پذیری محدودی در مواجهه با تغییرات زمانی و مکانی جریان ترافیک دارد. پژوهش حاضر با هدف ارزیابی عملکرد یادگیری تقویتی عمیق در کنترل تطبیقی چراغ‌های راهنمایی و مقایسه آن با راهبردهای کنترل مرجع انجام شد. برای این منظور، یک شبکه چندتقاطعی شامل ۲۴ تقاطع در محیط شبیه‌سازی میکروسکوپی SUMO توسعه یافت و عملکرد سه راهبرد شامل کنترل زمان‌ثابت، کنترل نیمه‌هوشمند و کنترل مبتنی بر شبکه Q عمیق (DQN) تحت شرایط یکسان شبکه و تقاضای ترافیکی ارزیابی شد. هر راهبرد در ۳۰ اجرای مستقل بررسی و شاخص‌های تأخیر متوسط، طول صف، سرعت متوسط، مصرف سوخت و انتشار دی‌اکسیدکربن استخراج شد. برای بررسی معناداری اختلاف عملکرد، آزمون‌های نرمال بودن، همگنی واریانس‌ها، تحلیل واریانس یک‌طرفه و آزمون تعقیبی توکی به‌کار گرفته شد. نتایج نشان داد که در شرایط شبیه‌سازی‌شده مورد مطالعه، کنترل‌کننده DQN نسبت به کنترل زمان‌ثابت، تأخیر متوسط را از ۷۸٫۴ به ۴۵٫۲ ثانیه و طول صف متوسط را از ۴۲ به ۲۲ خودرو کاهش داد و سرعت متوسط را از ۲۱٫۵ به ۳۱٫۴ کیلومتر بر ساعت افزایش داد؛ به‌ترتیب معادل ۴۲٫۳۵ درصد کاهش تأخیر، ۴۷٫۶۲ درصد کاهش طول صف و ۴۶٫۰۵ درصد افزایش سرعت. همچنین، انتشار دی‌اکسیدکربن از ۱۲۸۰ به ۱۰۴۲ کیلوگرم بر ساعت کاهش یافت که بیانگر کاهش ۱۸٫۵۹ درصدی است. اختلاف عملکرد راهبردها در شاخص‌های اصلی از نظر آماری معنادار بود (p<0.001). یافته‌ها نشان‌دهنده عملکرد مطلوب‌تر DQN در شرایط مورد مطالعه است؛ بااین‌حال، تعمیم نتایج به شبکه‌های واقعی مستلزم کالیبراسیون مدل با داده‌های میدانی و اعتبارسنجی مستقل است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Deep Reinforcement Learning for Adaptive Traffic Signal Control: A DQN-Based Evaluation in a Simulated Multi-Intersection Network Representative of Tehran

نویسنده English

Yasin Hasanvand
Master&amp;amp;amp;amp;#039;s degree graduate; Civil Engineering, Road and Transportation Department; Faculty of Civil Engineering; Razi University; Kermanshah; Iran
چکیده English

Abstract

Rapid urbanization, increasing travel demand, and limited road capacity have intensified congestion, delays, fuel consumption, and vehicular emissions in urban transportation systems. This study evaluated a Deep Q-Network (DQN)-based adaptive traffic signal controller in a simulated multi-intersection network representative of Tehran. A microscopic traffic network comprising 24 signalized intersections was developed using the Simulation of Urban Mobility (SUMO) platform. The controller uses a 48-dimensional state representation and selects one of eight discrete control actions. Its reward function incorporates queue length, waiting time, and traffic throughput, whereas fuel consumption and CO₂ emissions are evaluated independently as environmental indicators. The DQN was compared with fixed-time and semi-adaptive signal-control strategies using average delay, queue length, average speed, fuel consumption, and CO₂ emissions. Each strategy was evaluated using 30 independent simulation replications. Normality and homogeneity of variances were assessed using the Shapiro–Wilk and Levene tests, followed by one-way analysis of variance (ANOVA) and Tukey’s honestly significant difference (HSD) post hoc test. Under simulated conditions, DQN reduced average delay from 78.4 to 45.2 s and average queue length from 42 to 22 vehicles relative to fixed-time control, corresponding to reductions of 42.35% and 47.62%, respectively. Average speed increased from 21.5 to 31.4 km/h, representing a 46.05% improvement. Fuel consumption decreased from 512 to 417 L/h, whereas CO₂ emissions decreased from 1,280 to 1,042 kg/h, corresponding to reductions of 18.55% and 18.59%, respectively. Differences among the strategies were statistically significant for the principal indicators (p < 0.001). Sensitivity analysis across demand levels of 80%–120% of the baseline indicated a stable performance. Overall, the DQN improved the selected traffic and environmental indicators under simulated conditions. However, the findings are specific to the modeled network and simulation assumptions; field calibration, independent validation, and real-world testing are required before deployment.

کلیدواژه‌ها English

Deep Reinforcement Learning
Adaptive Traffic Signal Control
Traffic Management
Traffic Delay
CO₂ emissions

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 07 شهریور 1405