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是處在某個環境中的計算機系統，該系統有能力在這個環境中自主行動以實現其設計目標[1]。

1.2 多智能體技術概述

多智能體系統（Multi－Agent System，MAS）是指由多個可執行網絡計算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，能作用于自身與環境，能對環境的變化做出反應，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，能隨環境改變而修改自己的行為，并能通過網絡與其他Agent進行通信、交互、協同完成求解同一問題的分布式智能系統。這樣的系統能模擬人類社會團體、大型組織機構的群體工作，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 這種協作式問題求解方法是通過分散于不同結點上的松耦合的知識庫集合來進行協作求解；

b）采納 某一Agent把另一Agent的目標作為自己的目標來完成，以實現協同工作；

c）協作 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各自的目標，它們相互間達成互惠互利的協議，通過協作實現協同工作；

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、系統總體體系結構、交換時間以及消息接收者的數量。通信可能發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的結構與功能

Agent在信號配時中的應用主要體現在路口和車道Agent中，包括各Agent的結構與功能。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、沖突等交通現象，交通擁擠往往也主要發生在路口，因此，路口Agent是實現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信息，作為推理決策的數據，也可將本路口的交通信息實時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[4]。

路口Agent的結構如圖1所示。

圖1 路口Agent結構

路口Agent各部分的功能如下：

a）數據處理單元 可以對數據進行預處理，刪掉那些不符合要求的數據，根據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）協調單元 通過決策單元給出的信號配時方案，協調各個控制Agent之間的運行，并與其他相鄰路口進行協調與合作；

d）學習單元 根據接收的相關信息以及相關的經驗知識或學習得到的信息，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之間協調的協調Agent。前文所述的路口Agent具有協調功能，所以不再設置單獨的協調Agent，而由路口Agent代替。

車道Agent的結構如圖2所示。

圖2 車道Agent的結構

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境的信息，并對此交通環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）執行單元 可根據路口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之間的協調。車道Agent的功能是執行由路口Agent規劃的信號配時，檢測車流，并把車流信息反饋給路口Agent。它的結構為反應式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 結語

多智能體技術在當今已經成為一項熱門技術，憑借其優越的特性在各種復雜系統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構，然后通過對路口Agent的設計來實現本路口的信號配時。該體系結構由于采用了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系統引論[M].石純一，張偉，徐晉暉，等譯.北京：電子工業出版社，2003.

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

[3]沈衛明，米小珍，郝琪.多智能體技術在協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.