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1、人工智能技術(shù)在交通控制領(lǐng)域的應(yīng)用-安朝輝 基于目前交通問題及交通系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀基于目前交通問題及交通系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀, ,近年來人近年來人們開始借鑒新的理論和技術(shù)研究交叉口的交通控制技術(shù)，們開始借鑒新的理論和技術(shù)研究交叉口的交通控制技術(shù)，介紹了城市智能交通系統(tǒng)的發(fā)展概況與趨勢介紹了城市智能交通系統(tǒng)的發(fā)展概況與趨勢, ,對當(dāng)前的對當(dāng)前的研究成果進(jìn)行了詳盡的分析和闡述研究成果進(jìn)行了詳盡的分析和闡述, , 這些研究對于提高這些研究對于提高城市交通控制系統(tǒng)的控制效果具有現(xiàn)實(shí)意義。城市交通控制系統(tǒng)的控制效果具有現(xiàn)實(shí)意義。 交通信號控制是依據(jù)路網(wǎng)交通流數(shù)據(jù)交通信號控制是依據(jù)路網(wǎng)交通流數(shù)據(jù),對交通信號對交通信

2、號進(jìn)行初始化配時和控制進(jìn)行初始化配時和控制,同時根據(jù)實(shí)時交通流狀況同時根據(jù)實(shí)時交通流狀況,實(shí)實(shí)時調(diào)整配時方案時調(diào)整配時方案,實(shí)現(xiàn)交通控制的優(yōu)化。交通控制從實(shí)現(xiàn)交通控制的優(yōu)化。交通控制從被控區(qū)域的最小延誤時間出發(fā)被控區(qū)域的最小延誤時間出發(fā),獲得最佳的配時方案獲得最佳的配時方案,是系統(tǒng)化最優(yōu)的思想。為獲得整個路口交通效益的最是系統(tǒng)化最優(yōu)的思想。為獲得整個路口交通效益的最大大,可采用兩種方法可采用兩種方法:一是采用數(shù)學(xué)模型對交叉口各個一是采用數(shù)學(xué)模型對交叉口各個方向的車輛到達(dá)作準(zhǔn)確的預(yù)測方向的車輛到達(dá)作準(zhǔn)確的預(yù)測,根據(jù)運(yùn)籌學(xué)和最優(yōu)化根據(jù)運(yùn)籌學(xué)和最優(yōu)化理論確定各個方向的綠燈時間理論確定各個方向的綠燈時

3、間;二是采用智能控制的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(tǒng)具有隨機(jī)方法對交叉口進(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)性、模糊性、不確定性等特點(diǎn),很難對其建立數(shù)學(xué)模很難對其建立數(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潮的掀起,針對傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)的固有缺陷和局限針對傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)的固有缺陷和局限性性,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。到交通控制領(lǐng)域。交通控制領(lǐng)域中人工智能基礎(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

4、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,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)時交通控制系統(tǒng)中的模型及計(jì)算問題時,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

5、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。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?；贛

6、ulti2Agent 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,專家的知識經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)之間的相互結(jié)合。系統(tǒng)的知識存儲于各個Agent 中,以便于知識的利用與獲取,該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性?；贏gent 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Agent 所完成的功能不同,分別建立各個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)。圖圖1 1 基于基于Agent Agent 的智能交通控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的智能交通控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)智

7、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,對整個系統(tǒng)的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行評估,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,對所控制區(qū)域的某幾個路口進(jìn)行強(qiáng)行模式設(shè)置,以及負(fù)責(zé)對區(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。 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,對所控

8、制區(qū)域的某幾個路口進(jìn)行強(qiáng)行模式設(shè)置,以及負(fù)責(zé)對區(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,各個方向的交通流在此會聚,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)時統(tǒng)計(jì)各條路

9、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 2 交通控制系統(tǒng)的仿真工具交通控制系統(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?，F(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PARAMI

10、CS ,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 4 。PARAMICS 源于歐洲共同體Drive2I 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LINK2TIO 項(xiàng)目。 在這兩個項(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)時動態(tài)的三維可視化用戶界面,對

11、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 萬個節(jié)點(diǎn),400 萬個路段,32 000 個區(qū)域。PARAMICS 由5 個主要工具模塊組成,分別是Mod2eller , Processor , Analyser , Programmer 和Monitor , 其中Modeller 是整個系統(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

12、各個方面,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車輛在復(fù)雜、擁擠的交通路網(wǎng)中的運(yùn)行,又能對整體交通狀況進(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

13、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,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

14、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、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。圖圖2 2 PARAMICS PAR

15、AMICS 可視化仿真圖像可視化仿真圖像 3 3 未來智能交通系統(tǒng)的功能及組成未來智能交通系統(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、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、救險排障等部門) ,出行者可以進(jìn)行實(shí)時的交通方交通路線的選擇; 交通管理部門可以自動進(jìn)行交通疏導(dǎo)、控制和事故處理; 運(yùn)輸部門可以隨時掌握所屬車輛的動態(tài)情況,進(jìn)行合理調(diào)度5 。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)、信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、及自動化公路系統(tǒng)等。 4 4 結(jié)語結(jié)語 智能交通系統(tǒng)對于我國交通運(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 將給我們的社會帶來經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。