Deep multi-agent reinforcement learning for dynamic and stochastic vehicle routing problems - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Access content directly
Theses Year : 2020

Deep multi-agent reinforcement learning for dynamic and stochastic vehicle routing problems

Apprentissage par renforcement multi-agent profond pour les problèmes de planification de tournées dynamiques et stochastiques

Abstract

Routing delivery vehicles in dynamic and uncertain environments like dense city centers is a challenging task, which requires robustness and flexibility. Such logistic problems are usually formalized as Dynamic and Stochastic Vehicle Routing Problems (DS-VRPs) with a variety of additional operational constraints, such as Capacitated vehicles or Time Windows (DS-CVRPTWs). Main heuristic approaches to dynamic and stochastic problems simply consist in restarting the optimization process on a frozen (static and deterministic) version of the problem given the new information. Instead, Reinforcement Learning (RL) offers models such as Markov Decision Processes (MDPs) which naturally describe the evolution of stochastic and dynamic systems. Their application to more complex problems has been facilitated by recent progresses in Deep Neural Networks, which can learn to represent a large class of functions in high dimensional spaces to approximate solutions with high performances. Finding a compact and sufficiently expressive state representation is the key challenge in applying RL to VRPs. Recent work exploring this novel approach demonstrated the capabilities of Attention Mechanisms to represent sets of customers and learn policies generalizing to different configurations of customers. However, all existing work using DNNs reframe the VRP as a single-vehicle problem and cannot provide online decision rules for a fleet of vehicles.In this thesis, we study how to apply Deep RL methods to rich DS-VRPs as multi-agent systems. We first explore the class of policy-based approaches in Multi-Agent RL and Actor-Critic methods for Decentralized, Partially Observable MDPs in the Centralized Training for Decentralized Control (CTDC) paradigm. To address DS-VRPs, we then introduce a new sequential multi-agent model we call sMMDP. This fully observable model is designed to capture the fact that consequences of decisions can be predicted in isolation. Afterwards, we use it to model a rich DS-VRP and propose a new modular policy network to represent the state of the customers and the vehicles in this new model, called MARDAM. It provides online decision rules adapted to the information contained in the state and takes advantage of the structural properties of the model. Finally, we develop a set of artificial benchmarks to evaluate the flexibility, the robustness and the generalization capabilities of MARDAM. We report promising results in the dynamic and stochastic case, which demonstrate the capacity of MARDAM to address varying scenarios with no re-optimization, adapting to new customers and unexpected delays caused by stochastic travel times. We also implement an additional benchmark based on micro-traffic simulation to better capture the dynamics of a real city and its road infrastructures. We report preliminary results as a proof of concept that MARDAM can learn to represent different scenarios, handle varying traffic conditions, and customers configurations.
La planification de tournées de véhicules dans des environnements urbains denses est un problème difficile qui nécessite des solutions robustes et flexibles. Les approches existantes pour résoudre ces problèmes de planification de tournées dynamiques et stochastiques (DS-VRPs) sont souvent basés sur les mêmes heuristiques utilisées dans le cas statique et déterministe, en figeant le problème à chaque fois que la situation évolue. Au lieu de cela, nous proposons dans cette thèse d’étudier l’application de méthodes d’apprentissage par renforcement multi-agent (MARL) aux DS-VRPs en s’appuyant sur des réseaux de neurones profonds (DNNs). Plus précisément, nous avons d’abord contribuer à étendre les méthodes basées sur le gradient de la politique (PG) aux cadres des processus de décision de Markov (MDPs) partiellement observables et décentralisés (Dec-POMDPs). Nous avons ensuite proposé un nouveau modèle de décision séquentiel en relâchant la contrainte d’observabilité partielle que nous avons baptisé MDP multi-agent séquentiel (sMMDP). Ce modèle permet de décrire plus naturellement les DS-VRPs, dans lesquels les véhicules prennent la décision de servir leurs prochains clients à l’issu de leurs précédents services, sans avoir à attendre les autres. Pour représenter nos solutions, des politiques stochastiques fournissant aux véhicules des règles de décisions, nous avons développé une architecture de DNN basée sur des mécanismes d’attention (MARDAM). Nous avons évalué MARDAM sur un ensemble de bancs de test artificiels qui nous ont permis de valider la qualité des solutions obtenues, la robustesse et la flexibilité de notre approche dans un contexte dynamique et stochastique, ainsi que sa capacité à généraliser à toute une classe de problèmes sans avoir à être ré-entraînée. Nous avons également développé un banc de test plus réaliste à base d’une simulation micro-traffic, et présenté une preuve de concept de l’applicabilité de MARDAM face à une variété de situations différentes.
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Dates and versions

tel-03098433 , version 1 (05-01-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03098433 , version 1

Cite

Guillaume Bono. Deep multi-agent reinforcement learning for dynamic and stochastic vehicle routing problems. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Université de Lyon, 2020. English. ⟨NNT : 2020LYSEI096⟩. ⟨tel-03098433⟩
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