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交通信號(hào)控制(Traffic Signal Control，TSC)是依據(jù)路網(wǎng)交通流數(shù)據(jù)，對(duì)交通信號(hào)進(jìn)行初始化配時(shí)和控制，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)交通流狀況，實(shí)時(shí)調(diào)整配時(shí)方案，實(shí)現(xiàn)交通控制的優(yōu)化。交通控制從被控區(qū)域的最小延誤時(shí)間出發(fā)，獲得最佳的配時(shí)方案，是系統(tǒng)化最優(yōu)的思想。 為獲得整個(gè)路口交通效益的最大，可采用兩種方法：一是采用數(shù)學(xué)模型對(duì)交叉口各個(gè)方向的車輛到達(dá)作準(zhǔn)確的預(yù)測，根據(jù)運(yùn)籌學(xué)和最優(yōu)化理論確定各個(gè)方向的綠燈時(shí)間；二是采用智能控制的方法對(duì)交叉口進(jìn)行控制。由于城市交通系統(tǒng)具有隨機(jī)性、模糊性、不確定性等特點(diǎn)，很難對(duì)其建立數(shù)學(xué)模型。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用促成了人工智能研究熱潮的掀起，針對(duì)傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)的固有缺陷和局限性，許多學(xué)者把人工智能的實(shí)用技術(shù)相繼推出并應(yīng)用到交通控制領(lǐng)域。 1 交通控制領(lǐng)域中人工智能研究方法 1.1 基礎(chǔ)研究方法 交通控制領(lǐng)域中人工智能基礎(chǔ)研究方法有模糊控制、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，另外還有蟻群算法、粒子群優(yōu)化算法等。 模糊系統(tǒng) 模糊邏輯是一種處理不確定性、非線性等問題的有力工具，特別適用于表示模糊及定性知識(shí)，與人類思維的某些特征相一致，故嵌入到推理技術(shù)中具有良好效果。模糊控制能有效處理模糊信息，但是產(chǎn)生的規(guī)則比較粗糙，沒有自學(xué)習(xí)能力。 遺傳算法遺傳學(xué)通過運(yùn)用仿生原理實(shí)現(xiàn)了在解空間的快速搜索，廣泛用于解決大規(guī)模組合優(yōu)化問題。在解決實(shí)時(shí)交通控制系統(tǒng)中的模型及計(jì)算問題時(shí)，可以通過遺傳算法進(jìn)行全局搜索和確定公共周期，也可以利用遺傳算法來解決面控系統(tǒng)中各交叉路口信號(hào)控制方案的最優(yōu)協(xié)作問題，有效避免可能由此引起的交通方案組合爆炸后果。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長于解決非線性數(shù)學(xué)模型問題，并具有自適應(yīng)、自組織和學(xué)習(xí)功能，廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別、數(shù)據(jù)分析與處理等方面，其顯著特點(diǎn)是具有學(xué)習(xí)功能。 1.2 城市交通網(wǎng)路區(qū)域協(xié)調(diào) 區(qū)域協(xié)調(diào)是指在交通中心的宏觀調(diào)控作用下，根據(jù)不同的交通流量，最大限度地發(fā)揮路口之間互補(bǔ)的優(yōu)勢，均衡每個(gè)路口的交通流量，從而提高道路的通行能力。他要求路口之間(即包括城市道路與快速路、城市道路與城市道路)的良好協(xié)作，然而路口之間是相互影響、相互作用的，因此為實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)必然會(huì)引起路口之間出現(xiàn)一定程度的沖突。如何解決這些沖突是一個(gè)亟需解決的重要問題。路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制可以采用上述人工智能的基礎(chǔ)研究方法，近年來Agent技術(shù)開始應(yīng)用于交通控制領(lǐng)域。 基于Multi-Agent的城市交通網(wǎng)絡(luò)智能決策系統(tǒng)研究通過應(yīng)用Agent技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論方法，專家的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)之間的相互結(jié)合。系統(tǒng)的知識(shí)存儲(chǔ)于各個(gè)Agent中，以便于知識(shí)的利用與獲聯(lián)，該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性。 基于Agent的智能交通控制系統(tǒng)建模的首要任務(wù)是將交通控制系統(tǒng)的各功能模塊轉(zhuǎn)化成有獨(dú)立功能的Agent，并根據(jù)各個(gè)Agent所完成的功能不同，分別建立各個(gè)Agent的功能結(jié)構(gòu)，然后讓這些Agent之間進(jìn)行交互和協(xié)調(diào)，共同完成系統(tǒng)任務(wù)。圖1是一種較為通用的結(jié)構(gòu)。 智能交通控制系統(tǒng)遞階控制結(jié)構(gòu)各層的功能如下： 組織層 控制系統(tǒng)的最高層，由智能交通控制系統(tǒng)決策Agent構(gòu)成，具有最高的決策權(quán)力，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)各方面的匯總信息，進(jìn)行推理、規(guī)劃和決策，實(shí)現(xiàn)所有區(qū)域控制系統(tǒng)間的協(xié)作，以追求總體控制效果最優(yōu)，完成交通控制系統(tǒng)的管理。 協(xié)調(diào)層 控制系統(tǒng)的中間層，由區(qū)域協(xié)調(diào)Agent構(gòu)成，負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)各路口的監(jiān)測維護(hù)工作，對(duì)所控制區(qū)域的某幾個(gè)路口進(jìn)行強(qiáng)行模式設(shè)置，以及負(fù)責(zé)對(duì)區(qū)域內(nèi)緊急事件的處理工作，各區(qū)域協(xié)調(diào)Agent之間還可根據(jù)需要進(jìn)行信息的交流及合作。 控制層 控制系統(tǒng)的最底層，主要由路口Agent、路段Agent構(gòu)成，此外，還包括交通燈Agent、車輛Agent等，是實(shí)現(xiàn)交通控制任務(wù)的主要承擔(dān)者。 路口Agent具有關(guān)于本路口以及其所連接路段的信息，各個(gè)方向的交通流在此會(huì)聚，并形成車輛的分流、沖突等交通現(xiàn)象，交通的擁擠往往也主要發(fā)生在路口，因此，路口Agent非常重要，他可將本路口的交通信息實(shí)時(shí)通知給其相鄰路口或區(qū)域控制中心，并能根據(jù)需要完成控制中心下達(dá)的控制工作。路段Agent用以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)各條路段的具體交通信息，通過傳感器可了解車輛的數(shù)量和當(dāng)前的運(yùn)行位置以及路段當(dāng)前的擁擠情況。 一個(gè)實(shí)際交通系統(tǒng)和各交通元素Agent之間的交互是非常頻繁和復(fù)雜的，交通元素Agent的結(jié)構(gòu)、功能以及他們之間的交互關(guān)系，需要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求進(jìn)行詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。 2 交通控制系統(tǒng)的仿真工具 為了判別人工智能方法的合理性、有效性，需要仿真軟件來進(jìn)行驗(yàn)證。目前有兩類驗(yàn)證方法，一種是通過Matlab、C語言編制仿真程序，另一種是通過專用的交通仿真工具進(jìn)行驗(yàn)證。交通仿真軟件使用靈活、能夠更加直觀地模擬交通控制現(xiàn)場。現(xiàn)介紹北京工業(yè)大學(xué)智能交通中心采用的微觀交通仿真軟件PARAMICS，該仿真軟件功能強(qiáng)大、使用方便靈活。 PARAMICS(PARAllel MICroscopic Simulator)意為并行微觀仿真軟件。PARAMICS源于歐洲共同體Drive-I計(jì)劃下屬的IMAURO項(xiàng)目，以及愛丁堡并行計(jì)算中心和英國交通部合作的LINK-TIO項(xiàng)目。在這兩個(gè)項(xiàng)目研究成果的基礎(chǔ)上，Quadstone公司于1993年和1994年與英國工商部合作完成了 PARAMICS向商業(yè)化軟件的初步轉(zhuǎn)型。PARAMICS為交通工程師和研究人員提供了一個(gè)嶄新的計(jì)算工具來理解、模擬和分析實(shí)際的道路交通狀況。 PARAMICS具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維可視化用戶界面，對(duì)單一車輛進(jìn)行微觀處理的能力，多用戶并行計(jì)算支持，以及功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口。PARAMICS 能夠適應(yīng)各種規(guī)模的路網(wǎng)，從單節(jié)點(diǎn)到全國規(guī)模的路網(wǎng)，能支持100萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，400萬個(gè)路段，32 000個(gè)區(qū)域。 PARAMICS由5個(gè)主要工具模塊組成，分別是Modeller，Processor，Analyser，Programmer。和Monitor，其中Modeller是整個(gè)系統(tǒng)的核心，以下是各部分的簡介。 (1) Modeller提供建立交通路網(wǎng)、三維交通仿真和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)輸出等3大功能。所有這些功能均支持直觀的圖形用戶界面。Modeller的功能涵蓋了實(shí)際交通路網(wǎng)的各個(gè)方面，包括：混合的城市路網(wǎng)和高速路路網(wǎng)、先進(jìn)的交通信號(hào)控制、環(huán)形交叉口、左行和右行道路、公共交通、停車場、事故以及重型車和高容量車車道。Modeller既可以精確模擬單個(gè)車輛在復(fù)雜、擁擠的交通路網(wǎng)中的運(yùn)行，又能對(duì)整體交通狀況進(jìn)行宏觀把握。 (2)Processor允許研究者用批處理的方式進(jìn)行仿真計(jì)算，并得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)輸出。Processor提供圖形用戶界面以設(shè)定仿真參數(shù)、選擇輸出數(shù)據(jù)和改變車輛特征。由于用批處理的方式進(jìn)行仿真計(jì)算不顯示仿真過程車輛的位置和路網(wǎng)，因此大大加快了仿真的速度。 (3) Analyser用于顯示由Modeller或Processor的仿真過程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。他采用靈活易用的圖形用戶界面將仿真過程中的各種結(jié)果進(jìn)行可視化的輸出，例如車輛行駛路線、路段交通流量、最大車隊(duì)長度、交通密度、速度和延遲、以及服務(wù)水平參數(shù)等。除了可視化輸出，Analyser也提供直接的數(shù)字輸出或?qū)?shù)據(jù)存為文本文件以備進(jìn)一步的應(yīng)用。 (4)Programmer為研究者提供了基于C++的應(yīng)用程序接口(API)。應(yīng)用程序接口使PARAMICS具備更強(qiáng)的可移植性和擴(kuò)充性。例如，PARAMICS實(shí)際上基于英國的駕駛規(guī)則和車輛特性，當(dāng)用于其他國家和地區(qū)時(shí)，需要研究者編制適當(dāng)?shù)腁PI程序使之適應(yīng)當(dāng)?shù)匦枰Ｑ芯空咭部梢岳肁PI擴(kuò)充PARAMICS的功能，通過加入API程序模塊以設(shè)計(jì)和測試特殊的交通控制和管理策略。 (5)Monitor是利用Programmer開發(fā)的API模塊，他可以跟蹤計(jì)算仿真的交通路網(wǎng)中所有車輛尾氣排放的數(shù)量，并在交通仿真過程中進(jìn)行可視化的顯示。 PARAMICS提供了ITS基礎(chǔ)上的微觀交通仿真功能，利用仿真的交通信號(hào)、匝道控制、可變速度控制標(biāo)志和可變信息板(VMS)等仿真設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真車輛的智能化交通誘導(dǎo)。另外，通過API函數(shù)還可以實(shí)現(xiàn)特殊的控制策略，對(duì)于研究新的控制和誘導(dǎo)方法帶來了便利。 圖2用PARAMICS仿真時(shí)的交叉口路況的可視化界面，圖中可以直觀地顯示出車輛的通行狀況。 3 未來智能交通系統(tǒng)的功能及組成 智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效的集成運(yùn)用于整個(gè)地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。 智能交通系統(tǒng)的運(yùn)作方式：將采集到的各種道路交通及各種服務(wù)信息，經(jīng)過交通管理控制中心集中處理后傳送到公路運(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)用戶(包括駕駛者、居民、警察局、停車場、運(yùn)輸公司、醫(yī)院、救險(xiǎn)排障等部門)，出行者可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的交通方式和交通路線的選擇；交通管理部門可以自動(dòng)進(jìn)行交通疏導(dǎo)、控制和事故處理；運(yùn)輸部門可以隨時(shí)掌握所屬車輛的動(dòng)態(tài)情況，進(jìn)行合理調(diào)度。 ITS系統(tǒng)主要由衛(wèi)星地面站、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、公路電子信息系統(tǒng)組成。ITS研究的前沿和熱門方向?yàn)檐囕v定位與交通導(dǎo)航系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、及自動(dòng)化公路系統(tǒng)等。 4 結(jié) 語 智能交通系統(tǒng)對(duì)于我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域是一場跨世紀(jì)的技術(shù)革命，目前，國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出一批ITS的科技成果和產(chǎn)品，有些已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著研究的深入和成果的推廣，ITS將給我們的社會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。 |
