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电气工程与系统科学 > 系统与控制

arXiv:2509.15099 (eess)
[提交于 2025年9月18日 ]

标题: 基于数字孪生的智能交叉口协同自动驾驶:一种多智能体强化学习方法

标题: Digital Twin-based Cooperative Autonomous Driving in Smart Intersections: A Multi-Agent Reinforcement Learning Approach

Authors:Taoyuan Yu, Kui Wang, Zongdian Li, Tao Yu, Kei Sakaguchi, Walid Saad
摘要: 无信号交叉口由于复杂的交通流和盲区而带来安全和效率的挑战。 在本文中,提出了一种基于数字孪生(DT)的合作驾驶系统,采用路边单元(RSU)中心架构,以提高无信号交叉口的安全性和效率。 该系统利用全面的鸟瞰图(BEV)感知来消除盲区,并采用结合离线预训练与在线微调的混合强化学习(RL)框架。 具体而言,驾驶策略首先使用保守Q学习(CQL)结合行为克隆(BC)在真实数据集上进行训练,然后通过多智能体近端策略优化(MAPPO)结合自注意力机制进行微调,以处理动态多智能体协调问题。 RSU通过车对基础设施(V2I)通信实现实时指令。 实验结果表明,所提出的方法在协调最多三辆联网自动驾驶汽车(CAVs)时,故障率低于0.03%,显著优于传统方法。 此外,该系统在推理时间低于40毫秒的情况下表现出次线性的计算扩展性。 此外,它在各种无信号交叉口场景中表现出强大的泛化能力,表明其在实际应用中的可行性和部署准备情况。
摘要: Unsignalized intersections pose safety and efficiency challenges due to complex traffic flows and blind spots. In this paper, a digital twin (DT)-based cooperative driving system with roadside unit (RSU)-centric architecture is proposed for enhancing safety and efficiency at unsignalized intersections. The system leverages comprehensive bird-eye-view (BEV) perception to eliminate blind spots and employs a hybrid reinforcement learning (RL) framework combining offline pre-training with online fine-tuning. Specifically, driving policies are initially trained using conservative Q-learning (CQL) with behavior cloning (BC) on real datasets, then fine-tuned using multi-agent proximal policy optimization (MAPPO) with self-attention mechanisms to handle dynamic multi-agent coordination. The RSU implements real-time commands via vehicle-to-infrastructure (V2I) communications. Experimental results show that the proposed method yields failure rates below 0.03\% coordinating up to three connected autonomous vehicles (CAVs), significantly outperforming traditional methods. In addition, the system exhibits sub-linear computational scaling with inference times under 40 ms. Furthermore, it demonstrates robust generalization across diverse unsignalized intersection scenarios, indicating its practicality and readiness for real-world deployment.
主题: 系统与控制 (eess.SY)
引用方式: arXiv:2509.15099 [eess.SY]
  (或者 arXiv:2509.15099v1 [eess.SY] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.15099
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Taoyuan Yu [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 9 月 18 日 15:56:20 UTC (24,776 KB)
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