Benchmarking Lane-changing Decision-making for Deep Reinforcement Learning

摘要

近年来，自动驾驶的发展受到广泛关注，对自动驾驶性能的评价至关重要。然而，在路上进行测试既昂贵又低效。虚拟测试是验证和验证自动驾驶汽车的主要方式，虚拟测试的基础是构建模拟场景。在本文中，我们从深度强化学习的角度提出了用于车道变换任务的训练、测试和评估管道。首先，我们为训练和测试设计车道变换场景，其中测试场景包括随机和确定性部分。然后，我们部署了一组由学习和非学习方法组成的基准。我们在设计的训练场景中训练了几种最先进的深度强化学习方法，并在测试场景中提供了训练模型的基准指标评估结果。设计的换道场景和基准均开放，为换道任务提供一致的实验环境。
关键词：自动驾驶、强化学习、变道场景

1. LANE CHANGE SCENARIOS（变道场景）

我们使用 CARLA模拟器，它由一个可扩展的客户端-服务器架构组成。服务器负责模拟本身：传感器渲染、物理计算、世界状态及其参与者的更新等。客户端由一系列模块组成，这些模块控制逻辑并设置演员的世界条件（演员是任何场景中的模拟世界中的实体，例如车辆、传感器、交通灯等）。

1.1训练场景

动态训练场景由随机交通流构建，借助 CARLA 模拟器 0.9.9 版中的交通管理工具实现。我们首先构建一个三车道高速公路的地图，该地图可以导入到 CARLA，并选择一个部分用于训练场景生成。对于训练，算法控制的车辆称为自我车辆，其他车辆称为社会车辆。
由于训练场景中周围社会车辆的数量、位置和速度是随机的，并且会出现意想不到的变道行为，因此可以概括出一系列具有挑战性的实例。

1.2测试场景

1.2.1随机测试

对于随机测试场景，其设置类似于训练场景。对于测试场景，如果周围车辆密度高，则自我车辆几乎无法变道。这样的测试场景意义不大。因此，将在自我车辆周围随机生成 4 到 9 辆社交车辆。同时，社交车辆不受随机变道的限制，将保持在初始车道上。

1.2.2确定性测试

我们参考组标准进行确定性测试场景设计。我们设计了5大变道测试逻辑场景，通过参数实例化得到400多个具体测试场景。对于确定性测试，变道算法控制的车辆称为测试车辆，其他环境车辆称为目标车辆。在训练场景中训练的变道模型在测试场景中使用统计指标进行测试。

设计的变道逻辑场景的演示如图 3 所示。测试车辆 (TV) 以目标速度 𝑉 在直线道路上行驶。虚线表示可以更改的车道，实线表示不能更改的车道，车道宽度为𝑋0。图 3 中的 𝑑 和 𝐷 表示 TV 和目标车辆 𝐺𝑉 之间的距离。
这里我们以子图 © 为例来解释图 3 中的参数。对于 ©，目标车辆 𝐺𝑉1 沿车道中心线以 𝑉1 的速度行驶，放置在 TV 前面，两者之间的纵向距离TV和𝐺𝑉1 是𝐷。 TV 左侧的相邻车道放置一辆目标车辆𝐺𝑉2 沿车道中心线以速度𝑉2 行驶，TV 和𝐺𝑉2 之间的纵向距离为𝑑。这些测试场景提供了一系列不同的示例来测试TV代理的智能。例如，（c）是一个三车道场景，左侧车道有车辆，右侧车道没有车辆，TV需要决定换道的方式。 (e) 是双车道场景，TV需要对突然出现的静止车辆做出及时反应。

2.强化学习公式

将自我车辆感知范围的鸟瞰图像作为算法的输入，算法的输出是高级换道命令。基于图像的车道变更决策任务被建模为马尔可夫决策过程（MDP）。 MDP 是以下形式的元组：⟨𝑆，𝐴，𝑃，𝑅⟩，其中𝑆 是状态的有限集，𝐴 是动作的有限集，𝑃 动态转换模型𝑃(𝑠𝑡+1 = 𝑠′|𝑠𝑡 = 𝑠, 𝑎𝑡 = 𝑎) 对于每个动作，𝑅 奖励函数 𝑅(𝑠𝑡 = 𝑠, 𝑎𝑡 = 𝑎) = 𝔼(𝑟𝑡|𝑠𝑡 = 𝑠, 𝑎𝑡 = 𝑎, 𝑾] 折扣因子.状态转换模型𝑃和奖励𝑅受特定行为𝑎的影响。 RL 的目标是学习最大化累积奖励的策略 𝜋∗(𝑎|𝑠) 𝐽𝜋 = argmax𝜋𝔼 ∑𝑡 𝛾𝑡−1𝑟𝑡。考虑一个环境𝐸，其中代理通过一组状态、动作和奖励与其交互。在本文中，状态、动作空间和奖励函数设置如下。

2.1 State

状态输入是大小为 64×64 的三通道 RGB 图像，对应于自我车辆前方 50 m 和后方 25 m 范围内的架空交通流。自我车辆是蓝色的；社会车辆是绿色的；车道线是红色的；马路两边各有一条单车道宽的人行道，满是灰色。自我车辆在图像中的位置是相对固定的。

2.2 Action

DRL 算法的输出是一个横向变道命令，对应一个离散的动作空间集为{保持当前车道，向左改变车道，向右改变车道}。

2.3 Reward

定义了正奖励𝑟𝑣 = 0.2 ⋅ 𝑣/𝑣𝑇，其中𝑣 是自我速度，𝑣𝑇 = 60 km/h 是自我车辆的期望速度。另一方面，当发生变道时，将给代理一个负奖励𝑟𝑙 = -1.0，此时将不再应用速度奖励。安全主要体现在不会发生碰撞，如果在决策周期内发生本车与其他车辆的碰撞，将在上述奖励的基础上给予-1.0的惩罚，并且碰撞奖励定义为𝑟𝑐。总之，总奖励函数定义为

3.BASELINE

非学习方法 MOBIL（最小化由车道变化引起的整体制动）
D3QN（Dueling Double DQN）
PPO （近端策略优化）
A2C（Advantage Actor-Critic）

4. 评估指标

许多指标可用于衡量代理的行为。对于自动驾驶系统而言，安全性和效率是最受关注的性能指标。
对于随机测试场景，定义的指标包括𝑆𝑎𝑓𝑒𝑡𝑦𝑅𝑎𝑡𝑒，即所有不碰撞的情节的百分比，以及𝐴𝑣𝑔_𝑣，𝐴𝑣𝑔_𝑙𝑐，𝐴𝑣𝑔_𝑚𝑎𝑥𝑎𝑐𝑐，𝐴𝑣𝑔_𝑡和𝐴𝑣𝑔_𝑙𝑒𝑛，分别指的是：平均速度，平均换道次数，平均最大加速度，成功运行的平均episode时间和所有测试episode平均通过距离。
对于确定性测试方案，我们使用车道更改安全率𝑆𝑎𝑓𝑒𝑡𝑦𝑅𝑎𝑡𝑒，车道更改成功率𝑆𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝑅𝑎𝑡𝑒和平均最大加速度𝐴𝑣𝑔_𝑚𝑎𝑥𝑎𝑐𝑐作为指标来评估测试剂的性能。
变道安全率是安全变道场景𝑆𝑎𝑓𝑒𝐶𝑜𝑢𝑛𝑡相对于所有场景测试实例𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝐶𝑜𝑢𝑛𝑡的百分比：

变道成功率是成功变道场景𝑆𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠𝐶𝑜𝑢𝑛𝑡占所有场景测试实例数量𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝐶𝑜𝑢𝑛𝑡的百分比：

平均最大加速度是所有场景下被测车辆最大加速度的平均值。

5. 模拟实验

5.1 Training

训练场景任务中 RL 基线的学习曲线如图 5 所示。表明 A2C 和 PPO 比 D3QN 具有更快的学习效率，但在训练场景中，这三者的最终学习性能相似。

5.2 Testing

从表1可以看出，在随机测试场景下，A2C代理几乎不能换道，而D3QN和PPO代理具有一定的换道能力。 D3QN 在几种方法中实现了最好的安全性，但其效率低于 MOBIL。值得注意的是，虽然 PPO 方法的换道次数略多，但在所有其他指标上都超过了 MOBIL，显示了基于 DRL 的方法的能力。
episode的解释：

从表 2 和表 3 可以看出，PPO 代理在确定性测试场景中的表现还是比较好的，达到了与 MOBIL 相当的性能。综合所有测试结果，PPO 方法在我们的设置下表现最好，而非学习方法 MOBIL 提供了强大的基线。 A2C 方法没有学习到好的变道行为，而 D3QN 表现相对平庸。

结论

在本文中，我们提出了一种用于变道场景的训练、测试和评估流程。在我们对强化学习问题的形式化下，我们构建了训练场景来训练几个最先进的强化学习代理，即 D3QN、A2C 和 PPO。此外，我们实现了非学习变道方法 MOBIL 作为比较基线。此外，我们构建测试场景来评估学习模型并在评估指标下提供基准结果。