基于多智能體的城市智能交通控制系統(tǒng)設(shè)計

　　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)濟發(fā)展及城市化進程中的重大作用，并提出發(fā)展智能交通系統(tǒng)的重要目的和現(xiàn)實意義。智能交通系統(tǒng)是一個涉及面廣、綜合各種高新技術(shù)的研究領(lǐng)域。以下重點介紹智能交通系統(tǒng)分類及基于多智能體的城市交通控制系統(tǒng)設(shè)計。

　　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;自行車等非機動車數(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

　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、城市化進程的加快和機動車輛的迅猛增加，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，而且進一步帶來能源浪費和環(huán)境污染的加劇，由此引起的不良社會后果更是難以估計。目前，城市交通問題已成為全球經(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(guī)范約束下，應(yīng)用先進的技術(shù)手段，采用合適的運作方式來確保公共和私人運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。通過實施交通控制，可以把發(fā)生沖突的交通流從時間和空間上進行分離，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，提高交通運輸?shù)恼w效益。

　　(3)減少環(huán)境污染，降低能源消耗。實施良好的交通控制，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行分類，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(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)單個交叉口的點控制

　　單個交叉口的點控制是一種最基本的控制方式。孤立交叉口點控制的控制參數(shù)是信號周期和綠信比，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，希望總延誤時間最小和交叉口的通行能力得到最大的利用。由于點控制的設(shè)備簡單、投資省、維護方便，至今仍是應(yīng)用較多的一種信號控制方式。從技術(shù)上講，它又分為離線點控制和在線點控制兩種形式。前者采用定時信號配時技術(shù)，目前仍然是其他控制方式的配時基礎(chǔ);后者是交通響應(yīng)控制或車輛感應(yīng)控制，它是根據(jù)交叉口各個人*通流的實際分布情況，合理分配綠燈時間到各個相位，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)著很重的交通負荷，保證干線的交通暢通對改善一個地區(qū)甚至一個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，有時交叉口相距很近，兩個相鄰的交叉口之間的距離通常不足以使一小隊車流在有限時間內(nèi)完全疏散。單個交叉口分別設(shè)置單點信號控制時，車輛經(jīng)常遇到紅燈，時停時開，行車不暢，環(huán)境污染嚴(yán)重。為了減少車輛在各個交叉口的停車次數(shù)，特別是當(dāng)干線的車輛比較暢通時，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)信號計時的方法是基于綠波的概念，相鄰交叉口執(zhí)行相同的信號控制周期，主干線相位的綠燈開啟時刻錯開一定的時間，交叉口的次干線在一定程度上服從主干線的交通。

　　當(dāng)一列車隊在具有許多交叉口的一條干線上行駛時，協(xié)調(diào)控制使得車輛在通過干線交叉口時總是在綠燈開始時到達，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)。干線信號協(xié)調(diào)控制方法的設(shè)計流程圖如圖1所示。

　　區(qū)域交通信號控制的對象是城市或某個區(qū)域中所有交叉口的交通信號。隨著計算機技術(shù)、優(yōu)化方法、自動控制和車輛檢測技術(shù)的發(fā)展，人們研究把一個城市區(qū)域內(nèi)或一個局部小區(qū)內(nèi)所有交叉口的交通信號聯(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(shù)據(jù)實時地通過通信網(wǎng)傳至上位機，上位機根據(jù)路網(wǎng)交通量的實時變化情況，按一定時間步距不斷調(diào)整正在執(zhí)行的配時方案。上位計算機同時控制一個城市區(qū)域中的多個交叉路口，實現(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)的運行效率。通過這種控制方式，容易實現(xiàn)交通路網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度與優(yōu)化管理。區(qū)域信號協(xié)調(diào)控制配時優(yōu)化的設(shè)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)定時控制

　　定時控制方式以歷史交通流數(shù)據(jù)為依據(jù)，找出每個日/周和時間段的不同交通流變化規(guī)律，用人工方法或計算機仿真等手段預(yù)先準(zhǔn)備好不同日/周和不同時間區(qū)段內(nèi)使用的配時方案，它屬于開環(huán)控制，不易根據(jù)車流狀況實時調(diào)整控制方案。由于定時控制對交通信號機的要求低，無需實時交通量的檢測，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)車輛檢測器測量的交通流數(shù)據(jù)調(diào)整相應(yīng)的綠燈時間的長短和時間順序，以適應(yīng)交通流的隨機變化。這種方式比定時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)檢測到的有關(guān)道路交通信息，并基于預(yù)測模型預(yù)測到的未來交通需求，從系統(tǒng)信號配時方案庫中選擇相應(yīng)的優(yōu)化方案，或?qū)崟r計算產(chǎn)生相應(yīng)的優(yōu)化控制方案實現(xiàn)交通自動控制。

　　(4)智能控制

　　嚴(yán)格意義上講，智能控制不僅僅是交通信號的控制，而是整個交通系統(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，它將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、自動控制理論、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子系統(tǒng)，從而建立起一種大范圍、全方位發(fā)揮作用的實時、準(zhǔn)確、高效的交通運輸綜合管理體系。智能交通系統(tǒng)把人、車、路和環(huán)境等交通運輸系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)有機整合，從而使車、路的運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

　　智能是一種應(yīng)用知識對一定環(huán)境進行處理的能力，或?qū)δ繕?biāo)準(zhǔn)則進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(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)的研究提供了堅實的理論基礎(chǔ)，可以利用這些成果解決傳統(tǒng)方法無法解決的問題。這是因為：一方面交通系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素多、隨機性很強的系統(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