基于多智能體的城市智能交通控制系統設計

　　根據中國目前的交通現狀及面臨的問(wèn)題說(shuō)明交通控制在經(jīng)濟發(fā)展及城市化進(jìn)程中的重大作用，并提出發(fā)展智能交通系統的重要目的和現實(shí)意義。智能交通系統是一個(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)介紹智能交通系統分類(lèi)及基于多智能體的城市交通控制系統設計。

　　1 國內城市交通現狀及面臨的問(wèn)題

　　我國城市交通現狀是：城市交通基礎設施建設速度跟不上迅速增長(cháng)的交通需求;常規公共交通萎縮;出租車(chē)和私人小汽車(chē)迅速增加;軌道交通開(kāi)始起步;交通管理技術(shù)水平低。以上問(wèn)題導致交通擁擠、交通事故、環(huán)境污染、以及能源問(wèn)題將會(huì )日趨嚴重。

　　面臨的問(wèn)題是：車(chē)型種類(lèi)繁雜、混合交通嚴重;自行車(chē)等非機動(dòng)車(chē)數量驚人;城市布局和交通不相適應;出行方式單一、沒(méi)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(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快和機動(dòng)車(chē)輛的迅猛增加，城市交通問(wèn)題日益嚴重。城市交通擁擠不僅造成交通事故頻發(fā)、車(chē)輛延誤增大，而且進(jìn)一步帶來(lái)能源浪費和環(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。目前，城市交通問(wèn)題已成為全球經(jīng)濟發(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范約束下，應用先進(jìn)的技術(shù)手段，采用合適的運作方式來(lái)確保公共和私人運輸方式具有最佳的交通條件。具體來(lái)說(shuō)，交通控制的目的表現在以下幾個(gè)方面：欲了解更多信息請登錄電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com)

　　(1)減少交通事故，增加交通安全。通過(guò)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，可以對交通流進(jìn)行有效的引導與調度，使城市交通流保持在一種平穩的運行狀態(tài)，從而避免或減緩交通擁擠，縮短在路車(chē)輛的交通延誤，提高交通運輸的整體效益。

　　(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(chē)輛的停車(chē)次數，保持車(chē)輛在較佳的狀態(tài)下運行，大大減少尾氣排放和能源消耗。

　　3 城市交通控制系統的分類(lèi)

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

　　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分劃為單交叉口控制(點(diǎn)控制)、交通干線(xiàn)的協(xié)調控制(線(xiàn)控制)和區域交叉口的網(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)控制的控制參數是信號周期和綠信比，控制的目標一般是車(chē)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)控制的設備簡(jiǎn)單、投資省、維護方便，至今仍是應用較多的一種信號控制方式。從技術(shù)上講，它又分為離線(xiàn)點(diǎn)控制和在線(xiàn)點(diǎn)控制兩種形式。前者采用定時(shí)信號配時(shí)技術(shù)，目前仍然是其他控制方式的配時(shí)基礎;后者是交通響應控制或車(chē)輛感應控制，它是根據交叉口各個(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(mǎn)*通需求。

　　(2)干線(xiàn)交通的協(xié)調控制

　　城市路網(wǎng)中的交通干線(xiàn)承擔著(zhù)很重的交通負荷，保證干線(xiàn)的交通暢通對改善一個(gè)地區甚至一個(gè)城市的交通狀況往往起著(zhù)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車(chē)流在有限時(shí)間內完全疏散。單個(gè)交叉口分別設置單點(diǎn)信號控制時(shí)，車(chē)輛經(jīng)常遇到紅燈，時(shí)停時(shí)開(kāi)，行車(chē)不暢，環(huán)境污染嚴重。為了減少車(chē)輛在各個(gè)交叉口的停車(chē)次數，特別是當干線(xiàn)的車(chē)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)調的控制策略。最初協(xié)調信號計時(shí)的方法是基于綠波的概念，相鄰交叉口執行相同的信號控制周期，主干線(xiàn)相位的綠燈開(kāi)啟時(shí)刻錯開(kāi)一定的時(shí)間，交叉口的次干線(xiàn)在一定程度上服從主干線(xiàn)的交通。

　　當一列車(chē)隊在具有許多交叉口的一條干線(xiàn)上行駛時(shí)，協(xié)調控制使得車(chē)輛在通過(guò)干線(xiàn)交叉口時(shí)總是在綠燈開(kāi)始時(shí)到達，因而無(wú)需停車(chē)即可通過(guò)交叉口，形成一條交通流的綠波帶。綠波控制能有效提高車(chē)輛行駛速度和道路通行能力，確保道路暢通，減少車(chē)輛在行駛過(guò)程中的延誤時(shí)間和能源消耗。干線(xiàn)交通協(xié)調控制的控制參數是周期長(cháng)度。綠信比和相位差，控制的目標一般是車(chē)輛的平均延誤和停車(chē)次數。干線(xiàn)信號協(xié)調控制方法的設計流程圖如圖1所示。

　　區域交通信號控制的對象是城市或某個(gè)區域中所有交叉口的交通信號。隨著(zhù)計算機技術(shù)、優(yōu)化方法、自動(dòng)控制和車(chē)輛檢測技術(shù)的發(fā)展，人們研究把一個(gè)城市區域內或一個(gè)局部小區內所有交叉口的交通信號聯(lián)合起來(lái)綜合加以協(xié)調控制，以使得區域內的車(chē)輛在通過(guò)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，交通信號機將交通量數據實(shí)時(shí)地通過(guò)通信網(wǎng)傳至上位機，上位機根據路網(wǎng)交通量的實(shí)時(shí)變化情況，按一定時(shí)間步距不斷調整正在執行的配時(shí)方案。上位計算機同時(shí)控制一個(gè)城市區域中的多個(gè)交叉路口，實(shí)現區域中交叉口之間的統一協(xié)調管理，提高路網(wǎng)的運行效率。通過(guò)這種控制方式，容易實(shí)現交通路網(wǎng)的統一調度與優(yōu)化管理。區域信號協(xié)調控制配時(shí)優(yōu)化的設計如圖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、感應控制、自適應控制和智能控制幾種類(lèi)型。

　　(1)定時(shí)控制

　　定時(shí)控制方式以歷史交通流數據為依據，找出每個(gè)日/周和時(shí)間段的不同交通流變化規律，用人工方法或計算機仿真等手段預先準備好不同日/周和不同時(shí)間區段內使用的配時(shí)方案，它屬于開(kāi)環(huán)控制，不易根據車(chē)流狀況實(shí)時(shí)調整控制方案。由于定時(shí)控制對交通信號機的要求低，無(wú)需實(shí)時(shí)交通量的檢測，因而仍然是目前城市道路交通系統中應用較為廣泛的一種控制策略。

　　(2)感應控制

　　感應控制的原理是根據車(chē)輛檢測器測量的交通流數據調整相應的綠燈時(shí)間的長(cháng)短和時(shí)間順序，以適應交通流的隨機變化。這種方式比定時(shí)控制有更大的靈活性。

　　(3)自適應控制

　　自適應控制是根據檢測到的有關(guān)道路交通信息，并基于預測模型預測到的未來(lái)交通需求，從系統信號配時(shí)方案庫中選擇相應的優(yōu)化方案，或實(shí)時(shí)計算產(chǎn)生相應的優(yōu)化控制方案實(shí)現交通自動(dòng)控制。

　　(4)智能控制

　　嚴格意義上講，智能控制不僅僅是交通信號的控制，而是整個(gè)交通系統的控制，即智能交通系統。智能交通系統是交通控制的最高層次，它將先進(jìn)的信息技術(shù)、數據通訊技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、自動(dòng)控制理論、運籌學(xué)、人工智能和計算機及其網(wǎng)絡(luò )等一系列高新技術(shù)綜合運用于交通運輸各個(gè)子系統，從而建立起一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準確、高效的交通運輸綜合管理體系。智能交通系統把人、車(chē)、路和環(huán)境等交通運輸系統的各個(gè)環(huán)節有機整合，從而使車(chē)、路的運行功能一體化和智能化。智能交通系統是解決交通問(wèn)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設計

　　智能是一種應用知識對一定環(huán)境進(jìn)行處理的能力，或對目標準則進(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到目的的能力。智能交通系統，是利用人工智能的理論和方法，解決交通問(wèn)題的綜合系統。人工智能近年發(fā)展的成果，為智能交通系統的研究提供了堅實(shí)的理論基礎，可以利用這些成果解決傳統方法無(wú)法解決的問(wèn)題。這是因為：一方面交通系統是結構復雜、影響因素多、隨機性很強的系統，利用數學(xué)方法解決交通問(wèn)題的難度很大，所建立的模型往往過(guò)于復雜，難于求解，同時(shí)也很難用一種或幾種模型來(lái)概括交通流系統的多樣性。另一方面，交通