论文阅读|图神经网络+Actor-Critic求解静态JSP（End-to-End DRL）《基于深度强化学习的调度规则学习》(附带源码)

Posted 2021-09-07 码丽莲梦露

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《Learning to Dispatch for Job Shop scheduling via Deep Reinforcemnet Learning》

NeurIPS 2020

1 摘要

优先调度规则（Priority dispatching rule,PDR）广泛用于求解JSSP问题，这篇文章通过端到端的深度强化学习代理来自动学习PDR。利用JSSP的析取图表示，提出了一种基于图神经网络（Graph Neural Network,GNN）的方案来嵌入求解过程中遇到的状态。由此产生的策略网络与大小无关，有效地实现了大规模实例的泛化。实验表明，该代理能够以基本的原始特征从头开始学习高质量的PDR，并且与现有最好的PDR相比表现出很强的性能。

2 文章解读

        这篇文章研究的问题为静态的JSP问题。出发点是通过研究析取图，通过图神经网络来挖掘析取图中蕴含的信息，以此来达到端到端的实现。

2.1 相关状态、动作、状态转移、奖励、策略的定义

2.1.1 状态(state)

        状态即为解的当前析取图状态

2.1.2 动作(action)

        动作集为当前可进行加工的工序集，从中选择一个最为合适的工作作为当前阶段的动作。

2.1.3 状态转移

        一旦确定下一步要调度的操作，我们首先要找到在所需机器上分配的最早可行时间段。然后，我们根据当前的时间关系更新该机器的析取弧的方向，并生成一个新的析取图作为新的state。

 2.1.4 奖励

        我们的目标是学会一步一步地进行调度，以便最大限度地减少完工时间。为此，我们将奖励函数R(st，at)设计为两个状态s(t+1)、s(t)对应的部分解之间的质量差，即R(at，st)=H(St)−H(st+1)，其中H(·)是质量度量。这里我们将其定义为最大完工时间的下界，即：

 2.1.5 策略

        对于状态st，随机策略π(at|st)输出动作为动作集At上的分布。如果采用传统的PDR作为策略，则分布为one-hot，并且具有最高优先级的动作的概率为1。

 2.2 将策略参数化

        将随机策略π(at|st)参数化为具有可训练参数θ的图神经网络，即πθ(at|st)，它可以学习强调度规则并泛化。

 2.2.1 Graph embedding

        这篇文章采用的是图同构网络（Graph Isomorphism Network,GIN）,对给定图G=(V，E)，GIN执行多次更新以计算每个节点v∈V的一维嵌入，并且迭代时的更新如下所示:

         GIN最初是针对无向图提出的，然而对JSP，析取图是一个即带有向弧的混合图，用于描述机器上的优先约束和操作序列等关键特征，这里有两种解决方法：

法一：

        将无向弧换为两条有向弧，这样的话在状态转移的过程中就需要去掉其余的无向图。

法二：

        忽略未定向的析取弧，通过添加弧的方式来表达状态转移，这样的一个缺点就是得到的状态表示更加稀疏。

 3 实验