基于多智能體的城市智能交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　根據(jù)中國目前的交通現(xiàn)狀及面臨的問題說明交通控制在經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程中的重大作用，并提出發(fā)展智能交通系統(tǒng)的重要目的和現(xiàn)實(shí)意義。智能交通系統(tǒng)是一個(gè)涉及面廣、綜合各種高新技術(shù)的研究領(lǐng)域。以下重點(diǎn)介紹智能交通系統(tǒng)分類及基于多智能體的城市交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　1 國內(nèi)城市交通現(xiàn)狀及面臨的問題

　　我國城市交通現(xiàn)狀是：城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度跟不上迅速增長的交通需求;常規(guī)公共交通萎縮;出租車和私人小汽車迅速增加;軌道交通開始起步;交通管理技術(shù)水平低。以上問題導(dǎo)致交通擁擠、交通事故、環(huán)境污染、以及能源問題將會(huì)日趨嚴(yán)重。

　　面臨的問題是：車型種類繁雜、混合交通嚴(yán)重;自行車等非機(jī)動(dòng)車數(shù)量驚人;城市布局和交通不相適應(yīng);出行方式單一、沒有選擇余地;步行困難、事故多發(fā)。

　　2 城市交通控制的目的和意義

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快和機(jī)動(dòng)車輛的迅猛增加，城市交通問題日益嚴(yán)重。城市交通擁擠不僅造成交通事故頻發(fā)、車輛延誤增大，而且進(jìn)一步帶來能源浪費(fèi)和環(huán)境污染的加劇，由此引起的不良社會(huì)后果更是難以估計(jì)。目前，城市交通問題已成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，是全球性的“城市病”之一。交通控制的目的是要在確定的行政規(guī)范約束下，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)手段，采用合適的運(yùn)作方式來確保公共和私人運(yùn)輸方式具有最佳的交通條件。具體來說，交通控制的目的表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：欲了解更多信息請(qǐng)登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.ttokpm.com)

　　(1)減少交通事故，增加交通安全。通過實(shí)施交通控制，可以把發(fā)生沖突的交通流從時(shí)間和空間上進(jìn)行分離，從而減少交通事故，增加交通安全。

　　(2)緩和交通擁擠，提高交通效益。合理的交通控制，可以對(duì)交通流進(jìn)行有效的引導(dǎo)與調(diào)度，使城市交通流保持在一種平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，從而避免或減緩交通擁擠，縮短在路車輛的交通延誤，提高交通運(yùn)輸?shù)恼w效益。

　　(3)減少環(huán)境污染，降低能源消耗。實(shí)施良好的交通控制，可以減少在路車輛的停車次數(shù)，保持車輛在較佳的狀態(tài)下運(yùn)行，大大減少尾氣排放和能源消耗。

　　3 城市交通控制系統(tǒng)的分類

　　城市道路交通控制系統(tǒng)可以從不同的角度進(jìn)行分類，這里分別從空間關(guān)系、控制方式上對(duì)城市道路交通控制系統(tǒng)簡單分類。

　　3.1 按空間關(guān)系劃分

　　從空間關(guān)系上可以把城市交通系統(tǒng)分劃為單交叉口控制(點(diǎn)控制)、交通干線的協(xié)調(diào)控制(線控制)和區(qū)域交叉口的網(wǎng)絡(luò)控制(面控制)三種形式。

　　(1)單個(gè)交叉口的點(diǎn)控制

　　單個(gè)交叉口的點(diǎn)控制是一種最基本的控制方式。孤立交叉口點(diǎn)控制的控制參數(shù)是信號(hào)周期和綠信比，控制的目標(biāo)一般是車輛延誤和交叉口的通行能力。在理想的情況下，希望總延誤時(shí)間最小和交叉口的通行能力得到最大的利用。由于點(diǎn)控制的設(shè)備簡單、投資省、維護(hù)方便，至今仍是應(yīng)用較多的一種信號(hào)控制方式。從技術(shù)上講，它又分為離線點(diǎn)控制和在線點(diǎn)控制兩種形式。前者采用定時(shí)信號(hào)配時(shí)技術(shù)，目前仍然是其他控制方式的配時(shí)基礎(chǔ);后者是交通響應(yīng)控制或車輛感應(yīng)控制，它是根據(jù)交叉口各個(gè)人*通流的實(shí)際分布情況，合理分配綠燈時(shí)間到各個(gè)相位，從而滿*通需求。

　　(2)干線交通的協(xié)調(diào)控制

　　城市路網(wǎng)中的交通干線承擔(dān)著很重的交通負(fù)荷，保證干線的交通暢通對(duì)改善一個(gè)地區(qū)甚至一個(gè)城市的交通狀況往往起著至關(guān)重要的作用。在城市交通路網(wǎng)中，有時(shí)交叉口相距很近，兩個(gè)相鄰的交叉口之間的距離通常不足以使一小隊(duì)車流在有限時(shí)間內(nèi)完全疏散。單個(gè)交叉口分別設(shè)置單點(diǎn)信號(hào)控制時(shí)，車輛經(jīng)常遇到紅燈，時(shí)停時(shí)開，行車不暢，環(huán)境污染嚴(yán)重。為了減少車輛在各個(gè)交叉口的停車次數(shù)，特別是當(dāng)干線的車輛比較暢通時(shí)，相鄰交叉口之間的控制方案宜采用相互協(xié)調(diào)的控制策略。最初協(xié)調(diào)信號(hào)計(jì)時(shí)的方法是基于綠波的概念，相鄰交叉口執(zhí)行相同的信號(hào)控制周期，主干線相位的綠燈開啟時(shí)刻錯(cuò)開一定的時(shí)間，交叉口的次干線在一定程度上服從主干線的交通。

　　當(dāng)一列車隊(duì)在具有許多交叉口的一條干線上行駛時(shí)，協(xié)調(diào)控制使得車輛在通過干線交叉口時(shí)總是在綠燈開始時(shí)到達(dá)，因而無需停車即可通過交叉口，形成一條交通流的綠波帶。綠波控制能有效提高車輛行駛速度和道路通行能力，確保道路暢通，減少車輛在行駛過程中的延誤時(shí)間和能源消耗。干線交通協(xié)調(diào)控制的控制參數(shù)是周期長度。綠信比和相位差，控制的目標(biāo)一般是車輛的平均延誤和停車次數(shù)。干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法的設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

　　區(qū)域交通信號(hào)控制的對(duì)象是城市或某個(gè)區(qū)域中所有交叉口的交通信號(hào)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、優(yōu)化方法、自動(dòng)控制和車輛檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們研究把一個(gè)城市區(qū)域內(nèi)或一個(gè)局部小區(qū)內(nèi)所有交叉口的交通信號(hào)聯(lián)合起來綜合加以協(xié)調(diào)控制，以使得區(qū)域內(nèi)的車輛在通過某些交叉口時(shí)所產(chǎn)生的總損失最小。在這種控制方式下，交通信號(hào)機(jī)將交通量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地通過通信網(wǎng)傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)路網(wǎng)交通量的實(shí)時(shí)變化情況，按一定時(shí)間步距不斷調(diào)整正在執(zhí)行的配時(shí)方案。上位計(jì)算機(jī)同時(shí)控制一個(gè)城市區(qū)域中的多個(gè)交叉路口，實(shí)現(xiàn)區(qū)域中交叉口之間的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高路網(wǎng)的運(yùn)行效率。通過這種控制方式，容易實(shí)現(xiàn)交通路網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度與優(yōu)化管理。區(qū)域信號(hào)協(xié)調(diào)控制配時(shí)優(yōu)化的設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　3.2 按控制方式劃分

　　按控制方式可以把城市道路交通控制分為定時(shí)控制、感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制和智能控制幾種類型。

　　(1)定時(shí)控制

　　定時(shí)控制方式以歷史交通流數(shù)據(jù)為依據(jù)，找出每個(gè)日/周和時(shí)間段的不同交通流變化規(guī)律，用人工方法或計(jì)算機(jī)仿真等手段預(yù)先準(zhǔn)備好不同日/周和不同時(shí)間區(qū)段內(nèi)使用的配時(shí)方案，它屬于開環(huán)控制，不易根據(jù)車流狀況實(shí)時(shí)調(diào)整控制方案。由于定時(shí)控制對(duì)交通信號(hào)機(jī)的要求低，無需實(shí)時(shí)交通量的檢測(cè)，因而仍然是目前城市道路交通系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的一種控制策略。

　　(2)感應(yīng)控制

　　感應(yīng)控制的原理是根據(jù)車輛檢測(cè)器測(cè)量的交通流數(shù)據(jù)調(diào)整相應(yīng)的綠燈時(shí)間的長短和時(shí)間順序，以適應(yīng)交通流的隨機(jī)變化。這種方式比定時(shí)控制有更大的靈活性。

　　(3)自適應(yīng)控制

　　自適應(yīng)控制是根據(jù)檢測(cè)到的有關(guān)道路交通信息，并基于預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)到的未來交通需求，從系統(tǒng)信號(hào)配時(shí)方案庫中選擇相應(yīng)的優(yōu)化方案，或?qū)崟r(shí)計(jì)算產(chǎn)生相應(yīng)的優(yōu)化控制方案實(shí)現(xiàn)交通自動(dòng)控制。

　　(4)智能控制

　　嚴(yán)格意義上講，智能控制不僅僅是交通信號(hào)的控制，而是整個(gè)交通系統(tǒng)的控制，即智能交通系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)是交通控制的最高層次，它將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、自動(dòng)控制理論、運(yùn)籌學(xué)、人工智能和計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)等一系列高新技術(shù)綜合運(yùn)用于交通運(yùn)輸各個(gè)子系統(tǒng)，從而建立起一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的交通運(yùn)輸綜合管理體系。智能交通系統(tǒng)把人、車、路和環(huán)境等交通運(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)整合，從而使車、路的運(yùn)行功能一體化和智能化。智能交通系統(tǒng)是解決交通問題的必由之路，安全、高效、環(huán)保、低耗、快捷、舒適的綠色交通是智能交通的發(fā)展方向。

　　4 城市智能交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　智能是一種應(yīng)用知識(shí)對(duì)一定環(huán)境進(jìn)行處理的能力，或?qū)δ繕?biāo)準(zhǔn)則進(jìn)行衡量的抽象思考能力。另一種定義是在一定環(huán)境下針對(duì)特定的目的而有效地獲取信息、處理信息和利用信息從而成功達(dá)到目的的能力。智能交通系統(tǒng)，是利用人工智能的理論和方法，解決交通問題的綜合系統(tǒng)。人工智能近年發(fā)展的成果，為智能交通系統(tǒng)的研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，可以利用這些成果解決傳統(tǒng)方法無法解決的問題。這是因?yàn)椋阂环矫娼煌ㄏ到y(tǒng)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素多、隨機(jī)性很強(qiáng)的系統(tǒng)，利用數(shù)學(xué)方法解決交通問題的難度很大，所建立的模型往往過于復(fù)雜，難于求解，同時(shí)也很難用一種或幾種模型來概括交通流系統(tǒng)的多樣性。另一方面，交通系統(tǒng)又是一個(gè)動(dòng)態(tài)的時(shí)變系統(tǒng)，交通管理與控制的實(shí)時(shí)性要求非常高。因此，從實(shí)際情況出發(fā)，基于數(shù)學(xué)描述的交通管理控制方法難以滿足在線實(shí)時(shí)控制的要求，可操作性較差。而人工智能的方法，借鑒人類求解問題的方法，通過知識(shí)的表達(dá)、推理和學(xué)習(xí)解決復(fù)雜的問題，將以往用純數(shù)學(xué)來描述交通系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛弥R(shí)或知識(shí)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合來描述。通過逐步適應(yīng)環(huán)境的學(xué)習(xí)能力，來不斷提高管理和控制效果。

　　多智能體系統(tǒng)是當(dāng)今人工智能中的前沿學(xué)科，是分布式人工智能研究的一個(gè)重要分支，其目標(biāo)是將大的復(fù)雜系統(tǒng)建造成小的、彼此相互通訊及協(xié)調(diào)的、易于管理的子系統(tǒng)，通過子系統(tǒng)的自治能力和相互協(xié)調(diào)能力來解決復(fù)雜系統(tǒng)控制問題。城市區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)由于其道路交通規(guī)模的復(fù)雜性和交通流動(dòng)態(tài)特性的實(shí)時(shí)性，使得將多智能體系統(tǒng)應(yīng)用到城市交通網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)比較關(guān)注的研究課題。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出城市智能交通控制結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

　　圖3中，左邊為基于多智能體的城市交通流系統(tǒng)，右邊為信號(hào)控制系統(tǒng)。在交通模型中，路段智能體既具有單個(gè)路段流量實(shí)時(shí)更新的能力，又能夠?yàn)橄噙B接的信口提供交通流數(shù)據(jù)，以進(jìn)行和優(yōu)化信號(hào)配時(shí);根據(jù)上級(jí)區(qū)域交通流信息進(jìn)行車流調(diào)控，同時(shí)通過路口與其他路段進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;與其相對(duì)應(yīng)的信號(hào)控制模型中，根據(jù)段智能體提供的信息，進(jìn)行信號(hào)配時(shí)，并協(xié)調(diào)路段之間交通流的動(dòng)態(tài)平衡。

　　區(qū)域智能體除了具有與路段智能體一樣的功能，如獲取交通流信息，為信號(hào)控制數(shù)據(jù)支持;相互之間獨(dú)立，能夠單獨(dú)運(yùn)行等特點(diǎn)之外，區(qū)域智能體還能夠根據(jù)區(qū)交通流運(yùn)行情況，對(duì)交通路口進(jìn)行信號(hào)協(xié)調(diào)，以最優(yōu)化控制相應(yīng)路網(wǎng)運(yùn)行的交通目標(biāo)，自主決定相應(yīng)的控制策略，并將信號(hào)配時(shí)結(jié)果及時(shí)下發(fā)鸚區(qū)域內(nèi)每個(gè)信號(hào)，同時(shí)將交通需求和控制效果傳送給上一層決策層，即交通管理中心。區(qū)域智能體在路段智能體和中央管理智能體之間起到承上啟下的作用，與單個(gè)路整個(gè)交通路網(wǎng)傳遞交通流信息;并與同級(jí)其他區(qū)域智能體進(jìn)行信息交換，為交通控制提供服務(wù)。中央管理智能體由城市交通控制決策系統(tǒng)構(gòu)成。其功能是根據(jù)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、交通檢測(cè)及交通阻塞等因素對(duì)整個(gè)交通路網(wǎng)的運(yùn)行狀況做出*估，其目的是尋求整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)最優(yōu)，運(yùn)用其優(yōu)越的推理和規(guī)劃能力使系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)。在信號(hào)控制系統(tǒng)中，路口級(jí)信號(hào)控制根據(jù)相連接路段智能體的交通流信息，通過控制決策給出路口信號(hào)配時(shí)。路口級(jí)信號(hào)控制將路*通流信息和信號(hào)配時(shí)傳遞層區(qū)域控制，而上層區(qū)域控制則反饋控制命令，若某一區(qū)域中某一路口在某方向城市交通網(wǎng)絡(luò)區(qū)域控制的應(yīng)用研究上擁擠，區(qū)域控制通過給出控制命令，調(diào)節(jié)與其在同一路段上的其他路口信號(hào)配時(shí)，達(dá)到盡快緩解擁擠，減少區(qū)域總體延誤時(shí)間的目的。區(qū)域控制之間傳遞的則是該區(qū)域內(nèi)交通流信息，若某一區(qū)域出現(xiàn)擁擠路口，調(diào)節(jié)區(qū)域內(nèi)以及相鄰區(qū)域信號(hào)配時(shí)，引導(dǎo)車流分散以緩解擁擠，并通過路邊信息指示牌或交通電臺(tái)信號(hào)引導(dǎo)車輛分流。而區(qū)域控制與交通控制中心之間傳遞的是區(qū)域交通流信息。調(diào)節(jié)路網(wǎng)交通流動(dòng)態(tài)平衡，并向中央交通控制中心提供信息，以實(shí)現(xiàn)城市交通集中與分散的控制方式。欲了解更多信息請(qǐng)登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.ttokpm.com)

　　5 結(jié)語

　　智能交通系統(tǒng)是一個(gè)涉及面廣、綜合各種高新技術(shù)的研究領(lǐng)域。限于篇幅，本文僅從城市智能交通控制角度論述了一些提高城市道路安全的措施，而未從車輛和司乘人員的角度來開展研究。提高智能交通系統(tǒng)的整體水平需要各行業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展，才能共同促進(jìn)城市交通水平的提高。