基于多智能體的城市智能交通控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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.elecfans.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