شماره مدرك
21111
شماره راهنما
18100
پديد آورنده
كياني ابري، زهرا
عنوان
استفاده از يادگيري تقويتي و شبكههاي عصبي گراف براي بهينه سازي مسيريابي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
علم داده
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
دوازده،87ص. :مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
يادگيري تقويتي عميق , شبكه هاي عصبي گراف , بهينه سازي مسيريابي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/03/20
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
رياضي كاربردي
دانشكده
رياضي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/03/20
كد ايرانداك
23217200
چكيده فارسي
يادگيري تقويتي عميق (DRL) روشي نوين در حوزهي هوش مصنوعي است كه با تركيب يادگيري تقويتي و شبكههاي عصبي عميق، قابليتهاي هر دو را در يك چارچوب ادغام كرده است. در سال هاي اخير DRL بهبود چشمگيري در حل مسائل مختلف از خود نشان داده است. يادگيري Q عميق(DQN) يكي از محبوبترين گونههايDRL است كه در معماري آن از تركيب يادگيري Q و شبكهي عصبي استفاده ميشود. از مهمترين مزيتهاي DRL ميتوان به توانايي آن در يادگيري مستقيم از دادههاي خام اشاره كرد. علاوه بر اين،DRL بهراحتي ميتواند با رويكردهاي ديگر همچون يادگيري چند عاملي تركيب شود و دامنه كاربردهاي آن گسترش يابد. با وجود اين مزايا، روش هاي مبتني بر DRL با چالش هاي مختلفي رو به رو هستند. از مهم ترين اين چالش ها مي توان به عدم قابليت تعميم پذيري اشاره كرد. مدلهاي DRL غالباً براي محيط خاصي آموزش ميبينند و در صورت تغيير در ديناميك محيط، كارايي آن به طور چشم گيري كاهش مي يابد. به بياني ديگر آنها قادر به عملكرد صحيح در هنگام اعمال بر روي توپولوژيهاي شبكهاي كه در طول آموزش مشاهده نشدهاند، نيستند و تنها بر روي توپولوژي هاي ديده شده عملكرد قابل قبولي دارند. DRLمعمولاً در محيطهايي كه روابط ساده دارند، عملكرد خيلي خوبي از خود نشان ميدهد. اما وقتي صحبت از روابط پيچيده و بلندمدت بين اجزاي محيط به ميان ميآيد، دچار مشكل ميشود. به بيان سادهتر DRL معمولاً براي درك تأثير تغييرات در يك بخش از محيط بر ساير بخشها، به اطلاعات واضح و مستقيم نياز دارد. اما در بسياري از محيطهاي واقعي، اين روابط ساده نيستند. مثلاً در يك شبكه حملونقل، اگر در يك خيابان تصميمي گرفته شود (مثلاً تغيير در جريان ترافيك)، اثر آن ميتواند چند خيابان دورتر و بعد از چند مرحله آشكار شود. اين تعاملات زنجيرهاي و غيرمستقيم مسئله اي است كه DRL به سختي ميتواند آن را ياد بگيرد، زيرا معمولاً به دادههاي زياد و تجربههاي طولاني نياز دارد تا چنين وابستگيهاي پيچيدهاي را كشف كند. در اين پاياننامه براي حل اين قبيل مشكلات از شبكه هاي عصبي گراف GNNاستفاده مي كنيم. اين شبكه با استفاده از اطلاعات موجود در ساختار گراف، ويژگيهاي هر گره و يال را استخراج ميكند و با استفاده از اين ويژگيها، به تحليل و پيشبيني ويژگيهاي ديگر مي پردازد. از GNN براي رمزگذاري ساختار گراف استفاده ميشود و به سيستم اين امكان را مي دهد كه تصميمات آگاهانهتري را اتخاذ كند. ادغام GNN و DQN سبب مي شود با بهرهگيري از قابليت GNN براي رمزگذاري دادهها و مدلسازي تعاملات درون ساختارهاي گراف، توانايي DQN براي عملكرد در محيطهاي پيچيده افزايش يابد.
چكيده انگليسي
.This thesis mainly concerns with incorporating deep reinforcement learning and graph neural networks to handle
routing optimization problems. Deep reinforcement learning (DRL) is a modern approach in artificial intelligence
that integrates reinforcement learning with deep neural networks, unifying the strengths of both within a single framework.
Deep Q-learning (DQN) is one of the most popular variants of DRL, which uses a combination of Q-learning
and neural networks in its architecture. In recent years, DRL has demonstrated remarkable improvements across a
range of problem domains. One of its key advantages is the ability to learn directly from raw data, which enables DRL
to remain effective even in environments with highly complex structures. In addition, DRL can be readily combined
with other paradigms, such as multi-agent learning, thereby broadening its applications. Despite these advantages,
DRL-based methods face several challenges. Chief among them is limited generalization capability. DRL models
are often trained for a specific environment and their performance can degrade substantially when the environment’s
dynamics change. In other words, they typically fail to operate reliably when applied to network topologies not encountered
during training and tend to perform satisfactorily only on previously seen topologies. DRL generally excels
in environments with simple relationships but it struggles when confronted with complex, long-range dependencies
among environment components. Put simply, DRL often requires clear and direct information to infer how a change
in one part of the environment affects other parts. However, in many real-world settings such relationships are not
straightforward. For example, in a transportation network a decision on one street (such as altering traffic flow) may
exert its effects several streets away and only after multiple time steps. These cascading and indirect interactions are
difficult for DRL to learn because uncovering such intricate dependencies typically demands large amounts of data
and long-horizon experience. To address these issues, we employ graph neural networks (GNNs). By leveraging the
structural information encoded in graphs GNNs extract features for nodes and edges and use these features to analyze
and infer other properties. GNNs are used to encode graph structure, enabling the system to make more informed
decisions. Integrating GNNs with DRL enhances the latter’s performance in complex environments by harnessing
GNNs’ capabilities for data encoding and modeling interactions within graph-structured domains. In summary, by
providing generalizable representations, GNNs help DRL move from a policy tailored to a specific environment toward
a more transferable and broadly applicable policy. This combination yields significant performance gains in
tasks where understanding relationships and dependencies is critical for decision-making. The synergy effectively
induces a problem-specific solution space while facilitating generalization. Owing to GNNs’ strengths in information
propagation and in capturing underlying structure and relationships, this approach can leverage such information to
support more accurate and efficient decision-making. By capturing spatial dependencies and learning effectively from
past experiences, it outperforms traditional techniques and unlocks a wide range of new capabilities. Despite its many
advantages, the DQN + GNN model faces various challenges, including overestimation of Q values. To overcome
these problems, In this thesis, we proposed the Double DQN + GAT model. This model reduces the overestimation
of Q values by using DDQN. This feature increases the stability of learning.
استاد راهنما
رامين جوادي
استاد داور
رضا مختاري , ساره گلي فروشاني