多智能體技術及其在信號配時中的應用

霍連秀，宇仁德

（山東理工大學交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049）

1 多智能體技術介紹

1.1 智能體的概念

智能體（Agent）這一概念來源于人們對人工智能的認識：人工智能的最終目標就是實現(xiàn)具有智能的能夠代替人類來處理事務的“代理”。引用W ooldrige和Jennnigs對Agent的定義：Agent是處在某個環(huán)境中的計算機系統(tǒng)，該系統(tǒng)有能力在這個環(huán)境中自主行動以實現(xiàn)其設計目標[1]。

1.2 多智能體技術概述

多智能體系統(tǒng)（Multi－Agent System，MAS）是指由多個可執(zhí)行網(wǎng)絡計算Agent組成的集合。通常，每個Agent被認為是一個物理的或者抽象的實體。每個Agent是獨立自主的，能作用于自身與環(huán)境，能對環(huán)境的變化做出反應，更重要的是能與其他Agent通信、交互，彼此協(xié)同工作，完成共同的任務。

因此，MAS可定義為：能進行問題求解，能隨環(huán)境改變而修改自己的行為，并能通過網(wǎng)絡與其他Agent進行通信、交互、協(xié)同完成求解同一問題的分布式智能系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)能模擬人類社會團體、大型組織機構(gòu)的群體工作，并運用其解決問題的工作方式，解決共同關心的復雜問題[2]。

2 Agent間的通信機制

2.1 Agent間的通信

通信能力是Agent的一個重要特征。Agent可以通過通信來改變另一個Agent的目標和信念。Agent之間的通信包括：

a）分布式問題求解 這種協(xié)作式問題求解方法是通過分散于不同結(jié)點上的松耦合的知識庫集合來進行協(xié)作求解；

b）采納 某一Agent把另一Agent的目標作為自己的目標來完成，以實現(xiàn)協(xié)同工作；

c）協(xié)作 每個Agent都有各自的目標，或者由于本身不能完成自己的任務，或者為了更好地實現(xiàn)各自的目標，它們相互間達成互惠互利的協(xié)議，通過協(xié)作實現(xiàn)協(xié)同工作；

d）影響 某個Agent的某個動作可能影響到另一個Agent實現(xiàn)其目標[2]。

2.2 Agent間通信模式與通信語言

Agent所采用的通信模式取決于Agent的種類、系統(tǒng)總體體系結(jié)構(gòu)、交換時間以及消息接收者的數(shù)量。通信可能發(fā)生在人與機器或機器與機器之間；既可以是通過信息交換的直接通信，也可以是通過信息公告的間接通信；既可以是同步通信，也可以是異步通信；通信對象可以是一個，也可以是多個[3]。

Agent的通信語言有美國ARPA的知識共享計劃中提出的兩個相關語言：一個是KQML（Konwledge Query and Manipulation Language）——知識查詢與操縱語言，另一個是KIF（Konwledge Interchange Format）——知識交換格式[2]。還有一種是由FIPA提出的FIPA ACL（Agent Communication Language），這種語言實際上是在KQML的基礎上開發(fā)出來的，因而跟KQML有相似之處。而KIF并非一種表示消息本身的語言，它是形成KQML消息的內(nèi)容部分，即為其提供一種語法格式。

3 Agent在信號配時中的應用

3.1 Agent的結(jié)構(gòu)與功能

Agent在信號配時中的應用主要體現(xiàn)在路口和車道Agent中，包括各Agent的結(jié)構(gòu)與功能。本文以車道Agent作為最基本的控制Agent，它們可以與路口Agent進行消息傳遞。每個Agent都具有各自的知識等因素，能感受外界環(huán)境的變化并做出反應，也可與其他Agent合作，共同完成信號配時任務。

3.1.1 路口Agent

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匯聚，并形成車輛的分流、沖突等交通現(xiàn)象，交通擁擠往往也主要發(fā)生在路口，因此，路口Agent是實現(xiàn)信號配時任務的主要承擔者。它可從檢測器得到實時的交通狀態(tài)信息，作為推理決策的數(shù)據(jù)，也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[4]。

路口Agent的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 路口Agent結(jié)構(gòu)

路口Agent各部分的功能如下：

a）數(shù)據(jù)處理單元 可以對數(shù)據(jù)進行預處理，刪掉那些不符合要求的數(shù)據(jù)，根據(jù)相關信息建立當前的交通流模型，并對未來一段時間的交通流狀況做出預測；

b）決策單元 通過知識庫的知識對路口的交通狀況進行評價，決定當前的控制策略，即給出合適的信號配時方案；

c）協(xié)調(diào)單元 通過決策單元給出的信號配時方案，協(xié)調(diào)各個控制Agent之間的運行，并與其他相鄰路口進行協(xié)調(diào)與合作；

d）學習單元 根據(jù)接收的相關信息以及相關的經(jīng)驗知識或?qū)W習得到的信息，更新、補充或刪除知識庫中的知識；

e）通信單元 可使用預先定義好的通信語言，與其他Agent進行消息傳遞。

3.1.2 車道Agent

對于每個交叉口，包含兩類Agent：一類是控制各自車道的車道Agent，另一類是負責不同車道Agent之間協(xié)調(diào)的協(xié)調(diào)Agent。前文所述的路口Agent具有協(xié)調(diào)功能，所以不再設置單獨的協(xié)調(diào)Agent，而由路口Agent代替。

車道Agent的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車道Agent的結(jié)構(gòu)

車道Agent其各部分功能如下：

a）感應單元 用于感知外部交通環(huán)境的信息，并對此交通環(huán)境信息做出一定的抽象；

b）通信單元 用來傳遞感應器感知的外部信息和路口Agent決策的信息，并與其他車道Agent進行通信；

c）執(zhí)行單元 可根據(jù)路口Agent決策模塊做出的信號配時方案，通過改變信號燈對交通流進行控制。

3.2 基于多智能體的信號配時方法模型

該模型包括兩部分：第一部分是車道Agent對本車道車流的控制；第二部分是路口Agent對各個車道Agent之間的協(xié)調(diào)。車道Agent的功能是執(zhí)行由路口Agent規(guī)劃的信號配時，檢測車流，并把車流信息反饋給路口Agent。它的結(jié)構(gòu)為反應式Agent，不包含推理機。路口Agent利用各個車道Agent檢測的交通流狀況，負責生成各個車道的配時方案，并同其他交叉口進行協(xié)作。

車道Agent負責控制本車道的綠燈定時，對于東西方向車道而言，它的信號控制Agent與南北方向車道的信號控制Agent一起完成交叉口的整周期控制。交叉口上的所有的車道Agent在時間上是采用順序方式，即任何時刻只有一個方向的車道是綠燈；當某一個方向的車道綠燈時長改變的時候，其他方向車道的綠燈時間也要相應改變，必須通過路口Agent進行重新的規(guī)劃，以達到對信號周期的最大利用，從而達到最佳的控制效果[5]。

4 結(jié)語

多智能體技術在當今已經(jīng)成為一項熱門技術，憑借其優(yōu)越的特性在各種復雜系統(tǒng)方面取得了較大的成功。本文研究了其在信號配時中的應用，首先提出了一種信號配時方法的體系結(jié)構(gòu)，然后通過對路口Agent的設計來實現(xiàn)本路口的信號配時。該體系結(jié)構(gòu)由于采用了Agent技術，具有可靠性高、實時性好、針對性強、靈活性高、擴展性好的優(yōu)點。

但是作為一種新技術，多智能體技術在信號配時這類復雜系統(tǒng)中的應用問題，還有待進一步研究。本文只提出了一種理論可能性，對所提出的系統(tǒng)還需要細化，對各種實踐中的問題還需要認真研究。

[1]Miehael Wooldridge.多Agent系統(tǒng)引論[M].石純一，張偉，徐晉暉，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]王汝傳，徐小龍，黃海平.智能Agent及其在信息網(wǎng)絡中的應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[3]沈衛(wèi)明，米小珍，郝琪.多智能體技術在協(xié)同設計與制造中的應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

[4]Jiming Liu.多智能體原理與技術[M].靳小龍，張世武，Jiming Liu，譯.北京：清華大學出版社，2003.

[5]申徐洲.基于Agent的智能交通控制的研究[D].大慶：大慶石油學院，2006.