|
交通信號控制(Traffic Signal Control，TSC)是依據路網(wǎng)交通流數據，對交通信號進(jìn)行初始化配時(shí)和控制，同時(shí)根據實(shí)時(shí)交通流狀況，實(shí)時(shí)調整配時(shí)方案，實(shí)現交通控制的優(yōu)化。交通控制從被控區域的最小延誤時(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：一是采用數學(xué)模型對交叉口各個(gè)方向的車(chē)輛到達作準確的預測，根據運籌學(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交叉口進(jìn)行控制。由于城市交通系統具有隨機性、模糊性、不確定性等特點(diǎn)，很難對其建立數學(xué)模型。計算機的出現和廣泛應用促成了人工智能研究熱潮的掀起，針對傳統交通控制系統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 基礎研究方法 交通控制領(lǐng)域中人工智能基礎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 模糊邏輯是一種處理不確定性、非線(xiàn)性等問(wèn)題的有力工具，特別適用于表示模糊及定性知識，與人類(lèi)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)生的規則比較粗糙，沒(méi)有自學(xué)習能力。 遺傳算法遺傳學(xué)通過(guò)運用仿生原理實(shí)現了在解空間的快速搜索，廣泛用于解決大規模組合優(yōu)化問(wèn)題。在解決實(shí)時(shí)交通控制系統中的模型及計算問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)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(lái)解決面控系統中各交叉路口信號控制方案的最優(yōu)協(xié)作問(wèn)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(cháng)于解決非線(xiàn)性數學(xué)模型問(wèn)題，并具有自適應、自組織和學(xué)習功能，廣泛應用于模式識別、數據分析與處理等方面，其顯著(zhù)特點(diǎn)是具有學(xué)習功能。 1.2 城市交通網(wǎng)路區域協(xié)調 區域協(xié)調是指在交通中心的宏觀(guān)調控作用下，根據不同的交通流量，最大限度地發(fā)揮路口之間互補的優(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)現區域協(xié)調必然會(huì )引起路口之間出現一定程度的沖突。如何解決這些沖突是一個(gè)亟需解決的重要問(wèn)題。路網(wǎng)協(xié)調控制可以采用上述人工智能的基礎研究方法，近年來(lái)Agent技術(shù)開(kāi)始應用于交通控制領(lǐng)域。 基于Multi-Agent的城市交通網(wǎng)絡(luò )智能決策系統研究通過(guò)應用Agent技術(shù)，實(shí)現了交通網(wǎng)絡(luò )系統理論方法，專(zhuān)家的知識經(jīng)驗和計算機之間的相互結合。系統的知識存儲于各個(gè)Agent中，以便于知識的利用與獲聯(lián)，該系統具有良好的可擴展性。 基于A(yíng)gent的智能交通控制系統建模的首要任務(wù)是將交通控制系統的各功能模塊轉化成有獨立功能的Agent，并根據各個(gè)Agent所完成的功能不同，分別建立各個(gè)Agent的功能結構，然后讓這些Agent之間進(jìn)行交互和協(xié)調，共同完成系統任務(wù)。圖1是一種較為通用的結構。 智能交通控制系統遞階控制結構各層的功能如下： 組織層 控制系統的最高層，由智能交通控制系統決策Agent構成，具有最高的決策權力，對整個(gè)系統的交通運行狀況進(jìn)行評估，根據各方面的匯總信息，進(jìn)行推理、規劃和決策，實(shí)現所有區域控制系統間的協(xié)作，以追求總體控制效果最優(yōu)，完成交通控制系統的管理。 協(xié)調層 控制系統的中間層，由區域協(xié)調Agent構成，負責本區域內各路口的監測維護工作，對所控制區域的某幾個(gè)路口進(jìn)行強行模式設置，以及負責對區域內緊急事件的處理工作，各區域協(xié)調Agent之間還可根據需要進(jìn)行信息的交流及合作。 控制層 控制系統的最底層，主要由路口A(yíng)gent、路段Agent構成，此外，還包括交通燈Agent、車(chē)輛Agent等，是實(shí)現交通控制任務(wù)的主要承擔者。 路口A(yíng)gent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(chē)輛的分流、沖突等交通現象，交通的擁擠往往也主要發(fā)生在路口，因此，路口A(yíng)gent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域控制中心，并能根據需要完成控制中心下達的控制工作。路段Agent用以實(shí)時(shí)統計各條路段的具體交通信息，通過(guò)傳感器可了解車(chē)輛的數量和當前的運行位置以及路段當前的擁擠情況。 一個(gè)實(shí)際交通系統和各交通元素Agent之間的交互是非常頻繁和復雜的，交通元素Agent的結構、功能以及他們之間的交互關(guān)系，需要根據系統的具體要求進(jìn)行詳細的分析和設計。 2 交通控制系統的仿真工具 為了判別人工智能方法的合理性、有效性，需要仿真軟件來(lái)進(jìn)行驗證。目前有兩類(lèi)驗證方法，一種是通過(guò)Matlab、C語(yǔ)言編制仿真程序，另一種是通過(guò)專(zhuān)用的交通仿真工具進(jìn)行驗證。交通仿真軟件使用靈活、能夠更加直觀(guān)地模擬交通控制現場(chǎng)�，F介紹北京工業(yè)大學(xué)智能交通中心采用的微觀(guān)交通仿真軟件PARAMICS，該仿真軟件功能強大、使用方便靈活。 PARAMICS(PARAllel MICroscopic Simulator)意為并行微觀(guān)仿真軟件。PARAMICS源于歐洲共同體Drive-I計劃下屬的IMAURO項目，以及愛(ài)丁堡并行計算中心和英國交通部合作的LINK-TIO項目。在這兩個(gè)項目研究成果的基礎上，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)化軟件的初步轉型。PARAMICS為交通工程師和研究人員提供了一個(gè)嶄新的計算工具來(lái)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(hù)界面，對單一車(chē)輛進(jìn)行微觀(guān)處理的能力，多用戶(hù)并行計算支持，以及功能強大的應用程序接口。PARAMICS 能夠適應各種規模的路網(wǎng)，從單節點(diǎn)到全國規模的路網(wǎng)，能支持100萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)，400萬(wàn)個(gè)路段，32 000個(gè)區域。 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)系統的核心，以下是各部分的簡(jiǎn)介。 (1) Modeller提供建立交通路網(wǎng)、三維交通仿真和統計數據輸出等3大功能。所有這些功能均支持直觀(guān)的圖形用戶(hù)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)的交通信號控制、環(huán)形交叉口、左行和右行道路、公共交通、停車(chē)場(chǎng)、事故以及重型車(chē)和高容量車(chē)車(chē)道。Modeller既可以精確模擬單個(gè)車(chē)輛在復雜、擁擠的交通路網(wǎng)中的運行，又能對整體交通狀況進(jìn)行宏觀(guān)把握。 (2)Processor允許研究者用批處理的方式進(jìn)行仿真計算，并得到統計數據輸出。Processor提供圖形用戶(hù)界面以設定仿真參數、選擇輸出數據和改變車(chē)輛特征。由于用批處理的方式進(jìn)行仿真計算不顯示仿真過(guò)程車(chē)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(guò)程的統計結果。他采用靈活易用的圖形用戶(hù)界面將仿真過(guò)程中的各種結果進(jìn)行可視化的輸出，例如車(chē)輛行駛路線(xiàn)、路段交通流量、最大車(chē)隊長(cháng)度、交通密度、速度和延遲、以及服務(wù)水平參數等。除了可視化輸出，Analyser也提供直接的數字輸出或將數據存為文本文件以備進(jìn)一步的應用。 (4)Programmer為研究者提供了基于C++的應用程序接口(API)。應用程序接口使PARAMICS具備更強的可移植性和擴充性。例如，PARAMICS實(shí)際上基于英國的駕駛規則和車(chē)輛特性，當用于其他國家和地區時(shí)，需要研究者編制適當的API程序使之適應當地需要。研究者也可以利用API擴充PARAMICS的功能，通過(guò)加入API程序模塊以設計和測試特殊的交通控制和管理策略。 (5)Monitor是利用Programmer開(kāi)發(fā)的API模塊，他可以跟蹤計算仿真的交通路網(wǎng)中所有車(chē)輛尾氣排放的數量，并在交通仿真過(guò)程中進(jìn)行可視化的顯示。 PARAMICS提供了ITS基礎上的微觀(guān)交通仿真功能，利用仿真的交通信號、匝道控制、可變速度控制標志和可變信息板(VMS)等仿真設備，可以實(shí)現對仿真車(chē)輛的智能化交通誘導。另外，通過(guò)API函數還可以實(shí)現特殊的控制策略，對于研究新的控制和誘導方法帶來(lái)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(guān)地顯示出車(chē)輛的通行狀況。 3 未來(lái)智能交通系統的功能及組成 智能交通系統(Intelligent Transportation System，ITS)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數據通訊傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)、電子控制技術(shù)及計算機處理技術(shù)等有效的集成運用于整個(gè)地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。 智能交通系統的運作方式：將采集到的各種道路交通及各種服務(wù)信息，經(jīng)過(guò)交通管理控制中心集中處理后傳送到公路運輸系統的各個(gè)用戶(hù)(包括駕駛者、居民、警察局、停車(chē)場(chǎng)、運輸公司、醫院、救險排障等部門(mén))，出行者可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的交通方式和交通路線(xiàn)的選擇；交通管理部門(mén)可以自動(dòng)進(jìn)行交通疏導、控制和事故處理；運輸部門(mén)可以隨時(shí)掌握所屬車(chē)輛的動(dòng)態(tài)情況，進(jìn)行合理調度。 ITS系統主要由衛星地面站、衛星通信系統、汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統、公路電子信息系統組成。ITS研究的前沿和熱門(mén)方向為車(chē)輛定位與交通導航系統、信息系統、信號協(xié)調控制系統、及自動(dòng)化公路系統等。 4 結 語(yǔ) 智能交通系統對于我國交通運輸領(lǐng)域是一場(chǎng)跨世紀的技術(shù)革命，目前，國內已經(jīng)涌現出一批ITS的科技成果和產(chǎn)品，有些已經(jīng)得到了廣泛的應用。隨著(zhù)研究的深入和成果的推廣，ITS將給我們的社會(huì )帶來(lái)經(jīng)濟效益與社會(huì )效益。 |
