# CTM-DQN: 基于深度强化学习的动态限速控制系统

基于深度Q网络(DQN)和元胞传输模型(CTM)的高速公路动态限速控制系统。

> 声明：本 Readme 由AI辅助生成，进行了人工校对并调整了小部分内容

## 项目结构

```
ctm/
├── config.yaml          # 配置文件
├── main.py             # 主入口
├── ctm_model.py        # 元胞传输模型实现
├── dqn_agent.py        # DQN智能体与经验回放
├── environment.py      # 训练环境
├── vectorized_env.py   # 并行环境包装器
├── demand_loader.py    # CSV流量数据加载器
├── train.py            # 训练脚本
├── test.py             # 测试/评估脚本
├── utils.py            # 工具函数
├── checkpoints/        # 模型检查点（自动创建）
└── logs/              # 训练日志和图表（自动创建）
```

## 主要特性

- **CTM交通模型**: 真实的高速公路交通流仿真
- **DQN智能体**: 基于深度强化学习的限速控制
- **灵活配置**: 通过YAML配置文件轻松调整参数
- **训练与测试**: 独立的训练和评估模式
- **可视化**: 自动生成训练结果和交通模式图表
- **检查点保存**: 训练过程中定期保存模型
- **并行训练**: 支持多环境并行训练，显著提升训练效率
- **CSV流量输入**: 支持从CSV文件读取真实交通流量数据
- **随机种子固定**: 确保训练结果可重复
- **最佳模型保存**: 自动保存效果最好的模型

## 安装

1. 使用 uv 安装依赖：
```bash
uv sync
```

或手动安装：
```bash
pip install torch numpy matplotlib pyyaml tqdm pandas
```

## 快速开始

### 训练

使用默认配置训练DQN智能体：
```bash
python main.py --mode train
```

使用自定义配置训练：
```bash
python main.py --mode train --config custom_config.yaml
```

### 测试

测试训练好的模型：
```bash
python main.py --mode test
```

使用特定检查点测试：
```bash
python main.py --mode test --model checkpoints/model_best.pt
```

## 配置说明

所有参数都可以在 `config.yaml` 中调整。主要配置部分：

### 环境参数
- `num_cells`: 道路单元数量（默认：10）
- `cell_length`: 每个单元长度，单位米（默认：500.0）
- `free_flow_speed`: 自由流速度，单位m/s（默认：30.0）
- `demand_pattern`: 交通需求模式 - "constant"、"sine"、"random"、"csv"
- `demand_csv_path`: CSV流量文件路径（当使用csv模式时）
- `num_speed_actions`: 离散限速动作数量（默认：5）
- `episode_length`: 每个episode的时间步数（默认：360）

### DQN智能体参数
- `hidden_layers`: 神经网络架构（默认：[256, 256]）
- `learning_rate`: 学习率（默认：0.0001）
- `gamma`: 折扣因子（默认：0.99）
- `epsilon_start/end/decay`: 探索参数
- `buffer_size`: 经验回放缓冲区容量（默认：100000）
- `batch_size`: 训练批量大小（默认：128）
- `target_update_freq`: 目标网络更新频率（默认：10）

### 训练参数
- `num_episodes`: 训练episode数量（默认：500）
- `save_freq`: 模型检查点保存频率（默认：50）
- `log_freq`: 日志记录频率（默认：10）
- `random_seed`: 随机种子（默认：42）
- `num_parallel_envs`: 并行环境数量（默认：4）

### 奖励函数权重
- `throughput_weight`: 通行量奖励权重（默认：1.0）
- `speed_weight`: 平均速度奖励权重（默认：0.5）
- `density_weight`: 密度惩罚权重（默认：-0.3）
- `action_change_weight`: 动作变化惩罚权重（默认：-0.1）

---

## 高级功能

### 1. 并行环境训练

系统支持多环境并行训练，可显著提高训练效率。

#### 配置方法

在 `config.yaml` 中设置：

```yaml
training:
  num_parallel_envs: 4  # 使用4个并行环境
```

#### 推荐配置

- **CPU训练**: 2-4个并行环境
- **GPU训练**: 4-8个并行环境
- **高性能GPU**: 8-16个并行环境

#### 性能对比

| 并行环境数 | 相对速度 | 内存占用 | 推荐场景 |
|----------|---------|---------|---------|
| 1 | 1x | 低 | 调试、小规模实验 |
| 2 | ~1.8x | 中 | CPU训练 |
| 4 | ~3.5x | 中高 | 标准训练 |
| 8 | ~6.5x | 高 | GPU训练 |

#### 使用示例

```yaml
training:
  num_episodes: 500
  num_parallel_envs: 4
agent:
  batch_size: 128  # 建议增加批量大小
  buffer_size: 100000
```

运行训练：
```bash
python main.py --mode train
```

输出示例：
```
Random seed set to: 42
Created 4 parallel environments
Using 4 parallel environments
Starting training for 500 episodes...
```

### 2. CSV流量输入

系统支持从CSV文件读取真实交通流量数据。

#### CSV文件格式

**格式1：单列格式（推荐）**
```csv
demand
1500
1600
1700
1800
```

**格式2：带时间列**
```csv
time,demand
0,1500
10,1600
20,1700
```

**注意事项：**
- 流量单位：车辆/小时 (vehicles/hour)
- 每行代表一个时间步的流量需求
- 流量值必须为非负数
- 如果episode长度超过CSV数据长度，数据会循环使用

#### 配置方法

在 `config.yaml` 中设置：

```yaml
environment:
  demand_pattern: "csv"
  demand_csv_path: "demand_example.csv"
  demand_csv_column: "demand"
```

#### 使用示例

使用提供的示例文件：
```yaml
environment:
  demand_pattern: "csv"
  demand_csv_path: "demand_example.csv"
```

使用自定义CSV文件：
```yaml
environment:
  demand_pattern: "csv"
  demand_csv_path: "data/my_traffic_data.csv"
  demand_csv_column: "flow"
```

切换回内置流量模式：
```yaml
environment:
  demand_pattern: "sine"  # 或 "constant"、"random"
```

---

## 模型架构

### DQN智能体
- **状态**: 所有单元的交通密度和限速值的拼接
- **动作**: 离散的限速值（在最小和最大限速之间均匀分布）
- **网络**: 全连接层 + ReLU激活函数
- **训练**: 经验回放 + 目标网络，实现稳定学习

### CTM模型
元胞传输模型基于以下原理模拟交通流：
- **发送流**: 受密度和限速限制
- **接收流**: 受下游容量限制
- **守恒性**: 车辆在单元边界守恒
- **基本图**: 密度、流量和速度之间的关系

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## 输出文件

训练和测试后会生成以下文件：

- `checkpoints/model_episode_*.pt`: 训练过程中保存的模型检查点
- `checkpoints/model_best.pt`: 效果最好的模型（基于episode奖励）
- `checkpoints/model_final.pt`: 最终训练的模型
- `logs/training_results.png`: 训练曲线（奖励、损失、通行量）
- `logs/test_results.png`: 测试可视化（密度热图和限速控制）

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## 使用示例工作流

1. **调整配置**: 根据你的场景修改 `config.yaml`
2. **训练模型**: `python main.py --mode train`
3. **监控进度**: 查看控制台输出和 `logs/training_results.png`
4. **测试模型**: `python main.py --mode test`
5. **分析结果**: 查看 `logs/test_results.png`
6. **迭代优化**: 根据需要调整参数并重新训练

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## 故障排查

### 训练相关

**问题：CUDA内存不足**
```yaml
agent:
  batch_size: 64  # 减小批量大小
  device: "cpu"   # 或切换到CPU
```

**问题：训练速度慢**
```yaml
training:
  num_parallel_envs: 4  # 启用并行环境
  num_episodes: 200     # 减少episode数量
environment:
  episode_length: 180   # 减少episode长度
```

**问题：训练不稳定**
```yaml
agent:
  learning_rate: 0.00005  # 降低学习率
  target_update_freq: 20  # 增加目标网络更新频率
```

**问题：性能不佳**
```yaml
reward:
  throughput_weight: 2.0   # 调整奖励权重
  speed_weight: 1.0
agent:
  hidden_layers: [256, 256, 128]  # 增加网络容量
```

### 并行训练相关

**问题：并行训练速度提升不明显**
- 检查GPU利用率是否已经很高
- 瓶颈可能在网络训练而非数据收集
- 尝试减少训练频率

**问题：内存不足**
```yaml
training:
  num_parallel_envs: 2  # 减少并行环境数
agent:
  buffer_size: 50000    # 减小缓冲区
```

### CSV流量输入相关

**问题：找不到CSV文件**
- 检查文件路径是否正确（相对路径或绝对路径）
- 确保文件存在于指定位置

**问题：CSV数据格式错误**
- 确保CSV文件包含指定的列名
- 检查数据是否为非负数
- 验证CSV文件编码（建议使用UTF-8）

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## 技术细节

### 随机种子固定
系统在训练开始时会固定所有随机种子（Python、NumPy、PyTorch），确保：
- 训练结果可重复
- 便于调试和对比实验
- 默认种子值为42，可在配置文件中修改

### 最佳模型保存
训练过程中会自动跟踪并保存效果最好的模型：
- 基于episode总奖励评估
- 保存为 `checkpoints/model_best.pt`
- 训练结束时显示最佳奖励值

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## 许可证

本项目仅供学术研究使用。