智能體技術(shù)在城市交通信號控制系統(tǒng)中的運用

胡煒

摘要：智能體計算機技術(shù)在解決分布式復(fù)雜巨系統(tǒng)在動態(tài)環(huán)境中的不確定問題時具有顯著的優(yōu)勢，交通運輸系統(tǒng)分布于動態(tài)變化的交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的建模描述是智能體技術(shù)應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。本文將簡要介紹智能體技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上從控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制方法以及控制建模仿真三個方面對智能體技術(shù)在城市交通信號控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討研究。

關(guān)鍵詞：智能體技術(shù);城市交通信號控制;建模;仿真

前言：

當(dāng)前階段，智能體技術(shù)在交通運輸系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，涉及到了交通控制管理、系統(tǒng)建模仿真、擁堵管理以及決策支持等多個方面^[1]。城市交通信號控制系統(tǒng)具有明顯的分布式特征，面對復(fù)雜多變的交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，必須采用智能體技術(shù)才能有效的滿足分布式交通信號自適應(yīng)控制的需求，因為智能體可以基于目標(biāo)和環(huán)境的要求自主完成規(guī)劃，實現(xiàn)對交通的自動化控制。

1.智能體技術(shù)簡述

智能體技術(shù)是將系統(tǒng)分解為多個存在關(guān)聯(lián)的智能體，通過協(xié)作實期望的全局目標(biāo)，是分布式復(fù)雜巨系統(tǒng)的內(nèi)涵式解決方法之一^[2]。智能體技術(shù)針對問題通常具有以下三個方面的特征：其一，在邏輯和物理上呈現(xiàn)出分散狀態(tài)。其二，子系統(tǒng)處于不確定的動態(tài)環(huán)境中。其三，各個子系統(tǒng)之間存在信息交互需求。目前，智能體技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)管理、信息管理、生產(chǎn)制造、交通運輸?shù)戎T多領(lǐng)域。結(jié)合智能體技術(shù)目前發(fā)展情況來看，依舊存在一些問題有待解決，例如現(xiàn)階段智能體技術(shù)還無法有效的支持大規(guī)模分布式動態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用，多智能體系統(tǒng)通常采用系統(tǒng)動態(tài)—動作空間的形式完成行為表達(dá)，其系統(tǒng)學(xué)習(xí)參數(shù)將會隨準(zhǔn)狀態(tài)變量維數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)級增長，這將會對多智能體系統(tǒng)拓展的實時性帶來較大的影響。因此，在技術(shù)發(fā)展的過程中，人們應(yīng)該加強對多智能體系統(tǒng)可拓展性的研究。再如，現(xiàn)有的多智能體應(yīng)用系統(tǒng)一般采用功能固定的靜態(tài)智能體，智能體之間的協(xié)同多采用鄰近簡單交互、集中分層式以及分散網(wǎng)絡(luò)式三種結(jié)構(gòu)。受到靜態(tài)智能體特性的影響，即在系統(tǒng)運行時才會執(zhí)行系統(tǒng)功能，雖然多智能體系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)具有較強的自適應(yīng)能力和協(xié)作能力，但在動態(tài)環(huán)境中，對不確定問題的處理能力卻存在局限性。

2.智能體技術(shù)在城市交通信號控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

2.1基于智能體技術(shù)搭建交通控制系統(tǒng)架構(gòu)和平臺

以往采用的城市交通控制模型無法滿足復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下大規(guī)模交通數(shù)據(jù)通信傳輸和控制策略動態(tài)優(yōu)化的需求，系統(tǒng)自適應(yīng)能力較差，且所需的維護(hù)成本較高^[3]。而多智能體系統(tǒng)則能夠有效的適應(yīng)復(fù)雜交通條件下的控制。多智能體系統(tǒng)包含的智能體可以分為靜態(tài)智能體和移動智能體兩種，智能體模塊處于智能體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個節(jié)點上。目前，智能體技術(shù)被廣泛應(yīng)用于全息交通數(shù)據(jù)環(huán)境下交通運輸系統(tǒng)的優(yōu)化方面，一些學(xué)者已經(jīng)基于該技術(shù)完成了交通控制管理系統(tǒng)架構(gòu)和平臺的搭建，其中比較具有代表性的研究成果包括由西班牙馬德里理工大學(xué)Hernandez研究出的InTRYS和TRYSA兩個系統(tǒng)、美國加利福尼亞大學(xué)Chen提出的Mobile—C系統(tǒng)、美國亞利桑那大學(xué)中國科學(xué)院Wang提出的aDAPTS系統(tǒng)以及荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Katwijk提出的TBMCS系統(tǒng)等。

基于智能體技術(shù)的控制系統(tǒng)架構(gòu)主要有分層式、網(wǎng)絡(luò)式以及混合式三種形式，其中分層式是將系統(tǒng)分解為多個子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)則包含了許多完全分散的智能體，混合式則是兼具以上兩種形式的特征。Hernandez研究出的InTRYS和TRYSA兩個系統(tǒng)即是其在對比分析了分層式和網(wǎng)絡(luò)式兩種結(jié)構(gòu)后提出的針對城市交通網(wǎng)絡(luò)管理的多智能體系統(tǒng)，前者采用的是分層式結(jié)構(gòu)，后者采用的是網(wǎng)絡(luò)分散式結(jié)構(gòu)，相較而言，后者在同步性、拓展性上有優(yōu)于前者，但在處理復(fù)雜度較高的協(xié)調(diào)任務(wù)時，前者則更具優(yōu)勢。

Chen則是提出了一種由移動智能體構(gòu)成的多智能系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的由靜態(tài)智能體構(gòu)成的分布式智能體系統(tǒng)，Mobile—C在大范圍交通控制和管理方面具有更加優(yōu)越的靈活性和自適應(yīng)性，非常適用于交通的管理和檢查。而且移動智能體還具有靜態(tài)智能體不具備的功能，可以在系統(tǒng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，這樣可以有效的減小網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，同時還能夠支持?jǐn)嚅_控制、動態(tài)生成組件等功能。

2.2基于智能體技術(shù)的交通信號控制

首先，在交叉口信號控制方面，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的自學(xué)能力較差，且對交通模型精度的依賴性較強，為了解決這些問題，許多學(xué)者開始研究基于智能體的交通信號自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法。其中比較具有代表性的研究成果有荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Roozemond提出的IDTMIS系統(tǒng)，這是一種基于智能體技術(shù)的城市交叉口控制系統(tǒng)，Roozemond根據(jù)城市交叉口主動控制和實時控制兩個方面的需求開發(fā)了精細(xì)的控制模型和算法，搭建了由信號智能體、路段智能體、管理智能體共同組成的系統(tǒng)架構(gòu)，通過路段智能體獲得路段的交通數(shù)據(jù)，而信號智能體則能夠根據(jù)實時規(guī)則推理并制定控制方案，從而良好的使用路口交通環(huán)境的變動。

在交通集成控制和管理方面，以往的研究成果有Wang開發(fā)出的基于aDCS系統(tǒng)的架構(gòu)和運行機制，將該系統(tǒng)架構(gòu)和運行機制于網(wǎng)絡(luò)化機器人控制系統(tǒng)結(jié)合起來，開發(fā)出了一種能夠應(yīng)用于交通運輸系統(tǒng)的分布式自適應(yīng)管理平臺（aDAPTS）。在有就是有德國慕尼黑大學(xué)Logi等提出的CARTESIUS系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于高速公路走廊交通擁堵的集成管理，采用兩個相互協(xié)同并能夠提供決策支持的智能體對連續(xù)交通數(shù)據(jù)、事件檢測數(shù)據(jù)以及控制設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)檢測，在此基礎(chǔ)上同通過一定的融合分析和邏輯推理，制定相應(yīng)的優(yōu)化控制方案，實現(xiàn)對交通擁堵情況的有效解決。

2.3基于多智能體的交通控制建模和仿真

當(dāng)前階段，多智能體技術(shù)在城市交通信號控制建模和仿真中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。面對復(fù)雜多變的交通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，多智能體系統(tǒng)通常是采用直觀方法，從個體層面對各個自治實體進(jìn)行描述，以此完成交通系統(tǒng)的建模和仿真，其涉及到的領(lǐng)域包括信號控制、交通集成管理、交叉口安全、行人流量預(yù)測等多個方面。比較具有代表性的應(yīng)用研究有Zhang等提出的多智能體交通仿真框架，具體是采用智能體技術(shù)對主要交通實體進(jìn)行建模。再如，英國愛丁堡大學(xué)的Li等提出了一種基于三層智能體模型的交通協(xié)調(diào)調(diào)度和控制系統(tǒng)（COTSCS），它主要由高層的“城市交通全局智能體”、中層的“控制智能體”以及低層的“底層智能體”構(gòu)成，三者分別負(fù)責(zé)監(jiān)控城市所有區(qū)域交通智能體、底層智能體通信協(xié)調(diào)、個體交通實體運行模擬等工作。Fischer K、Chaib-Draa B等提出了一種多智能體仿真工具AGENDA，對多智能體應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如任務(wù)分配、協(xié)同規(guī)劃、任務(wù)分解等進(jìn)行了分析。Meignan等提出了一種能夠?qū)痪W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評估的多智能體仿真工具，具備公交網(wǎng)絡(luò)可視化靜態(tài)評估和公交運行控制兩項主要功能，可以基于特定的環(huán)境約束，對公共汽車、常規(guī)道路交通等智能體模型進(jìn)行移動和交互。

初次之外，隨著智能體技術(shù)研究的深入，一大批多智能體交通仿真軟件也涌現(xiàn)出來，其中包括德國宇航中心在2000年開發(fā)的城市移動行仿真器（SUMO）、德國柏林工業(yè)大學(xué)和蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)在2006年聯(lián)合開發(fā)的多智能體交通仿真工具（MATSIM）等。

結(jié)語：

綜上所述，將智能體技術(shù)應(yīng)用于城市交通信號控制系統(tǒng)中，可以有效的應(yīng)對新時期交通調(diào)度控制、交叉口交通安全、交通管理和路徑引導(dǎo)等多個領(lǐng)域，實現(xiàn)對全局路網(wǎng)的有效控制。

參考文獻(xiàn)

[1]張磊. 多智能體技術(shù)在交通系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]. 山西建筑，2016，42（18）：256-258.

（作者單位：浙江易時科技股份有限公司）