人工智能技術在交通控制領域的應用-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研究交叉口的交通控制技術，們開始借鑒新的理論和技術研究交叉口的交通控制技術，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, ,對當前的對當前的研究成果進行了詳盡的分析和闡述研究成果進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)實意義。城市交通控制系統(tǒng)的控制效果具有現(xiàn)實意義。 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號進行初始化配時和控制進行初始化配時和控制,同時根據(jù)實時交通流狀況同時根據(jù)實時交通流狀況,實實時調(diào)整配時方案時調(diào)整配時方案,實現(xiàn)交通控制的優(yōu)化。交通控制從實現(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)學模型對交叉口各個一是采用數(shù)學模型對交叉口各個方向的車輛到達作準確的預測方向的車輛到達作準確的預測,根據(jù)運籌學和最優(yōu)化根據(jù)運籌學和最優(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行控制。由于城市交通系統(tǒng)具有隨機方法對交叉口進行控制。由于城市交通系統(tǒng)具有隨機性、模糊性、不確定性等特點性、模糊性、不確定性等特點,很難對其建立數(shù)學模很難對其建立數(shù)學模型。計算機的出現(xiàn)和廣泛應用促成了人工智能研究熱型。計算機的出現(xiàn)和廣泛應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,許多學者把人工智能的實用技術相繼推出并應用許多學者把人工智能的實用技術相繼推出并應用到交通控制領域。到交通控制領域。交通控制領域中人工智能基礎研究方法 交通控制領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,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,沒有自學習能力。遺傳算法遺傳學通過運用仿生原理實現(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。在解決實時交通控制系統(tǒng)中的模型及計算問題時,可以通過遺傳算法進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)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡擅長于解決非線性數(shù)學模型問題,并具有自適應、自組織和學習功能,廣泛應用于模式識別、數(shù)據(jù)分析與處理等方面,其顯著特點是具有學習功能。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研究方法,近年來Agent 技術開始應用于交通控制領域?；贛ulti2Agent 的城市交通網(wǎng)絡智能決策系統(tǒng)研究通過應用Agent 技術,實現(xiàn)了交通網(wǎng)絡系統(tǒng)理論方法,專家的知識經(jīng)驗和計算機之間的相互結合。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)具有良好的可擴展性?；贏gent 的智能交通控制系統(tǒng)建模的首要任務是將交通控制系統(tǒng)的各功能模塊轉(zhuǎn)化成有獨立功能的Agent , 并根據(jù)各個Agent 所完成的功能不同,分別建立各個Agent的功能結構,然后讓這些Agent 之間進行交互和協(xié)調(diào),共同完成系統(tǒng)任務。圖1 是一種較為通用的結構。圖圖1 1 基于基于Agent Agent 的智能交通控制系統(tǒng)體系結構的智能交通控制系統(tǒng)體系結構智能交通控制系統(tǒng)遞階控制結構各層的功能如下: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 構成,具有最高的決策權力,對整個系統(tǒng)的交通運行狀況進行評估,根據(jù)各方面的匯總信息,進行推理、規(guī)劃和決策,實現(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 構成,負責本區(qū)域內(nèi)各路口的監(jiān)測維護工作,對所控制區(qū)域的某幾個路口進行強行模式設置,以及負責對區(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 構成,負責本區(qū)域內(nèi)各路口的監(jiān)測維護工作,對所控制區(qū)域的某幾個路口進行強行模式設置,以及負責對區(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 構成, 此外, 還包括交通燈Agent 、車輛Agent等,是實現(xiàn)交通控制任務的主要承擔者。路口Agent 具有關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的控制工作。路段Agent 用以實時統(tǒng)計各條路段的具體交通信息,通過傳感器可了解車輛的數(shù)量和當前的運行位置以及路段當前的擁擠情況。一個實際交通系統(tǒng)和各交通元素Agent 之間的交互是非常頻繁和復雜的,交通元素Agent 的結構、功能以及他們之間的交互關系,需要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求進行詳細的分析和設計。 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,需要仿真軟件來進行驗證。目前有兩類驗證方法, 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行驗證。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 計劃下屬的IMAURO 項目,以及愛丁堡并行計算 中心和英國交通部合作的LINK2TIO 項目。 在這兩個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(zhuǎn)型。PARAMICS 為交通工程師和研究人員提供了一個嶄新的計算工具來理解、模擬和分析實際的道路交通狀況。PARAMICS 具有實時動態(tài)的三維可視化用戶界面,對單一車輛進行微觀處理的能力,多用戶并行計算支持,以及功能強大的應用程序接口。PARAMICS 能夠適應各種規(guī)模的路網(wǎng),從單節(jié)點到全國規(guī)模的路網(wǎng),能支持100 萬個節(jié)點,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 的功能涵蓋了實際交通路網(wǎng)的各個方面,包括:混合的城市路網(wǎng)和高速路路網(wǎng)、先進的交通信號控制、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雜、擁擠的交通路網(wǎng)中的運行,又能對整體交通狀況進行宏觀把握。 (2)Processor 允許研究者用批處理的方式進行仿真計算,并得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸出。Processor 提供圖形用戶界面以設定仿真參數(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行仿真計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)計結果。他采用靈活易用的圖形用戶界面將仿真過程中的各種結果進行可視化的輸出,例如車輛行駛路線、路段交通流量、最大車隊長度、交通密度、速度和延遲、以及服務水平參數(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 實際上基于英國的駕駛規(guī)則和車輛特性,當用于其他國家和地區(qū)時,需要研究者編制適當?shù)腁PI 程序使之適應當?shù)匦枰?。研究者也可以利用API 擴充PARAMICS 的功能,通過加入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)中所有車輛尾氣排放的數(shù)量,并在交通仿真過程中進行可視化的顯示。PARAMICS 提供了ITS 基礎上的微觀交通仿真功能,利用仿真的交通信號、匝道控制、可變速度控制標志和可變信息板(VMS) 等仿真設備,可以實現(xiàn)對仿真車輛的智能化交通誘導。另外,通過API 函數(shù)還可以實現(xiàn)特殊的控制策略,對于研究新的控制和誘導方法帶來了便利。 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 PARAMICS 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)是將先進的信息技術、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術、電子傳感技術、電子控制技術及計算機處理技術等有效的集成運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,實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)的運作方式:將采集到的各種道路交通及各種服務信息,經(jīng)過交通管理控制中心集中處理后傳送到公路運輸系統(tǒng)的各個用戶(包括駕駛者、居民、警察局、停車場、運輸公司、醫(yī)院、救險排障等部門) ,出行者可以進行實時的交通方交通路線的選擇; 交通管理部門可以自動進行交通疏導、控制和事故處理; 運輸部門可以隨時掌握所屬車輛的動態(tài)情況,進行合理調(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為車輛定位與交通導航系統(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 結語結語 智能交通系統(tǒng)對于我國交通運輸領域是一場跨世紀的技術革命,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)濟效益與社會效益。