城市智能交通控制系統研究與設計

摘 要:智能交通系統是當前我國交通運輸領域的前沿研究課題。研究的核心是針對日益嚴重的交通需求和交通資源的壓力，采用信息技術、通信技術、計算機技術，從城市交通系統的分類出發，分析基于城市交通控制系統的可行性，并提出城市智能交通控制系統研究與設計，指出智能交通系統的系統控制理論、交通信息的智能處理、應用及其性能改善。 關鍵詞:智能交通系統; 交通控制; 多智能體; 自適應控制

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0189-04

Design and Application of Urban Intelligent Traffic Control System

WEI Xiao-wei1，2

(1.Shaanxi College of Communication Technology， Xi’an 710021， China; 2.College of Electronics and Control， Chang’an University， Xi’an 710064， China)

Abstract: The intelligent transportation system is the forefront of the current research subject in the transportation field. Aiming at the increasing traffic demand and the lack of the transportation resources，the information technology， communications technology and computer technology are adopted in the research. Proceeding from the classification of the urban transportation system， the feasibility of the intelligent transportation system based on the urban intelligent traffic control system is analyzed， the design scheme of the urban traffic control system is proposed， and the control theory of the intelligent transport system is offered. The intelligent processing of traffic information， and the application and performance improvement of the system are discussed.Keywords: intelligent transportation system; traffic control; multi-agent; adaptive control

0 引 言

根據中國目前的交通現狀及面臨的問題說明交通控制在經濟發展及城市化進程中的重大作用，并提出發展智能交通系統的重要目的和現實意義。智能交通系統是一個涉及面廣、綜合各種高新技術的研究領域。以下重點介紹智能交通系統分類及基于多智能體的城市交通控制系統設計。

1 國內城市交通現狀及面臨的問題

我國城市交通現狀是:城市交通基礎設施建設速度跟不上迅速增長的交通需求;常規公共交通萎縮;出租車和私人小汽車迅速增加;軌道交通開始起步;交通管理技術水平低。以上問題導致交通擁擠、交通事故、環境污染、以及能源問題將會日趨嚴重。

面臨的問題是:車型種類繁雜、混合交通嚴重;自行車等非機動車數量驚人;城市布局和交通不相適應;出行方式單一、沒有選擇余地;步行困難、事故多發。

2 城市交通控制的目的和意義

隨著社會經濟的發展、城市化進程的加快和機動車輛的迅猛增加，城市交通問題日益嚴重。城市交通擁擠不僅造成交通事故頻發、車輛延誤增大，而且進一步帶來能源浪費和環境污染的加劇，由此引起的不良社會后果更是難以估計。目前，城市交通問題已成為全球經濟發展的瓶頸，是全球性的“城市病”之一。

交通控制的目的是要在確定的行政規范約束下，應用先進的技術手段，采用合適的運作方式來確保公共和私人運輸方式具有最佳的交通條件。具體來說，交通控制的目的表現在以下幾個方面:

(1) 減少交通事故，增加交通安全。通過實施交通控制，可以把發生沖突的交通流從時間和空間上進行分離，從而減少交通事故，增加交通安全。

(2) 緩和交通擁擠，提高交通效益。合理的交通控制，可以對交通流進行有效的引導與調度，使城市交通流保持在一種平穩的運行狀態，從而避免或減緩交通擁擠，縮短在路車輛的交通延誤，提高交通運輸的整體效益。

(3) 減少環境污染，降低能源消耗。實施良好的交通控制，可以減少在路車輛的停車次數，保持車輛在較佳的狀態下運行，大大減少尾氣排放和能源消耗。

3 城市交通控制系統的分類

城市道路交通控制系統可以從不同的角度進行分類，這里分別從空間關系、控制方式上對城市道路交通控制系統簡單分類。

3.1 按空間關系劃分

從空間關系上可以把城市交通系統分劃為單交叉口控制(點控制)、交通干線的協調控制(線控制)和區域交叉口的網絡控制(面控制)三種形式。

(1) 單個交叉口的點控制

單個交叉口的點控制是一種最基本的控制方式。孤立交叉口點控制的控制參數是信號周期和綠信比，控制的目標一般是車輛延誤和交叉口的通行能力。在理想的情況下，希望總延誤時間最小和交叉口的通行能力得到最大的利用。由于點控制的設備簡單、投資省、維護方便，至今仍是應用較多的一種信號控制方式。從技術上講，它又分為離線點控制和在線點控制兩種形式。前者采用定時信號配時技術，目前仍然是其他控制方式的配時基礎;后者是交通響應控制或車輛感應控制，它是根據交叉口各個入口交通流的實際分布情況，合理分配綠燈時間到各個相位，從而滿足交通需求。

(2) 干線交通的協調控制

城市路網中的交通干線承擔著很重的交通負荷，保證干線的交通暢通對改善一個地區甚至一個城市的交通狀況往往起著至關重要的作用。在城市交通路網中，有時交叉口相距很近，兩個相鄰的交叉口之間的距離通常不足以使一小隊車流在有限時間內完全疏散。單個交叉口分別設置單點信號控制時，車輛經常遇到紅燈，時停時開，行車不暢，環境污染嚴重。為了減少車輛在各個交叉口的停車次數，特別是當干線的車輛比較暢通時，相鄰交叉口之間的控制方案宜采用相互協調的控制策略。最初協調信號計時的方法是基于綠波的概念，相鄰交叉口執行相同的信號控制周期，主干線相位的綠燈開啟時刻錯開一定的時間，交叉口的次干線在一定程度上服從主干線的交通。

當一列車隊在具有許多交叉口的一條干線上行駛時，協調控制使得車輛在通過干線交叉口時總是在綠燈開始時到達，因而無需停車即可通過交叉口，形成一條交通流的綠波帶。綠波控制能有效提高車輛行駛速度和道路通行能力，確保道路暢通，減少車輛在行駛過程中的延誤時間和能源消耗。干線交通協調控制的控制參數是周期長度、綠信比和相位差，控制的目標一般是車輛的平均延誤和停車次數。干線信號協調控制方法的設計流程圖如圖1所示。

圖1 干線信號協調控制方法的設計流程圖

(3) 區域交通網絡的協調控制

區域交通信號控制的對象是城市或某個區域中所有交叉口的交通信號。隨著計算機技術、優化方法、自動控制和車輛檢測技術的發展，人們研究把一個城市區域內或一個局部小區內所有交叉口的交通信號聯合起來綜合加以協調控制，以使得區域內的車輛在通過某些交叉口時所產生的總損失最小。在這種控制方式下，交通信號機將交通量數據實時地通過通信網傳至上位機，上位機根據路網交通量的實時變化情況，按一定時間步距不斷調整正在執行的配時方案。上位計算機同時控制一個城市區域中的多個交叉路口，實現區域中交叉口之間的統一協調管理，提高路網的運行效率。通過這種控制方式，容易實現交通路網的統一調度與優化管理。區域信號協調控制配時優化的設計如圖2所示。

圖2 區域信號協調控制配時優化的設計流程圖

3.2 按控制方式劃分

按控制方式可以把城市道路交通控制分為定時控制、感應控制、自適應控制和智能控制幾種類型。

(1) 定時控制

定時控制方式以歷史交通流數據為依據，找出每個日/周和時間段的不同交通流變化規律，用人工方法或計算機仿真等手段預先準備好不同日/周和不同時間區段內使用的配時方案，它屬于開環控制，不易根據車流狀況實時調整控制方案。由于定時控制對交通信號機的要求低，無需實時交通量的檢測，因而仍然是目前城市道路交通系統中應用較為廣泛的一種控制策略。

(2) 感應控制

感應控制的原理是根據車輛檢測器測量的交通流數據調整相應的綠燈時間的長短和時間順序，以適應交通流的隨機變化。這種方式比定時控制有更大的靈活性。

(3) 自適應控制

自適應控制是根據檢測到的有關道路交通信息，并基于預測模型預測到的未來交通需求，從系統信號配時方案庫中選擇相應的優化方案，或實時計算產生相應的優化控制方案實現交通自動控制。

(4) 智能控制

嚴格意義上講，智能控制不僅僅是交通信號的控制，而是整個交通系統的控制，即智能交通系統。智能交通系統是交通控制的最高層次，它將先進的信息技術、數據通訊技術、檢測傳感技術、自動控制理論、運籌學、人工智能和計算機及其網絡等一系列高新技術綜合運用于交通運輸各個子系統，從而建立起一種大范圍、全方位發揮作用的實時、準確、高效的交通運輸綜合管理體系。智能交通系統把人、車、路和環境等交通運輸系統的各個環節有機整合，從而使車、路的運行功能一體化和智能化。智能交通系統是解決交通問題的必由之路，安全、高效、環保、低耗、快捷、舒適的綠色交通是智能交通的發展方向。

4 城市智能交通控制系統設計

智能是一種應用知識對一定環境進行處理的能力，或對目標準則進行衡量的抽象思考能力。另一種定義是在一定環境下針對特定的目的而有效地獲取信息、處理信息和利用信息從而成功達到目的的能力。智能交通系統，是利用人工智能的理論和方法，解決交通問題的綜合系統。人工智能近年發展的成果，為智能交通系統的研究提供了堅實的理論基礎，可以利用這些成果解決傳統方法無法解決的問題。這是因為:一方面交通系統是結構復雜、影響因素多、隨機性很強的系統，利用數學方法解決交通問題的難度很大，所建立的模型往往過于復雜，難于求解，同時也很難用一種或幾種模型來概括交通流系統的多樣性。另一方面，交通系統又是一個動態的時變系統，交通管理與控制的實時性要求非常高。因此，從實際情況出發，基于數學描述的交通管理控制方法難以滿足在線實時控制的要求，可操作性較差。而人工智能的方法，借鑒人類求解問題的方法，通過知識的表達、推理和學習解決復雜的問題，將以往用純數學來描述交通系統轉變為用知識或知識與數學模型相結合來描述。通過逐步適應環境的學習能力，來不斷提高管理和控制效果。

多智能體系統是當今人工智能中的前沿學科，是分布式人工智能研究的一個重要分支，其目標是將大的復雜系統建造成小的、彼此相互通訊及協調的、易于管理的子系統，通過子系統的自治能力和相互協調能力來解決復雜系統控制問題。城市區域交通網絡由于其道路交通規模的復雜性和交通流動態特性的實時性，使得將多智能體系統應用到城市交通網絡控制學比較關注的研究課題。本文在此基礎上設計出城市智能交通控制結構圖，如圖3所示。

圖3 城市智能交通控制結構圖

圖3中，左邊為基于多智能體的城市交通流系統，右邊為信號控制系統。在交通模型中，路段智能體既具有單個路段流量實時更新的能力，又能夠為相連接的信口提供交通流數據，以進行和優化信號配時;根據上級區域交通流信息進行車流調控，同時通過路口與其他路段進行數據交換;與其相對應的信號控制模型中，根據段智能體提供的信息，進行信號配時，并協調路段之間交通流的動態平衡。

區域智能體除了具有與路段智能體一樣的功能，如獲取交通流信息，為信號控制數據支持;相互之間獨立，能夠單獨運行等特點之外，區域智能體還能夠根據區交通流運行情況，對交通路口進行信號協調，以最優化控制相應路網運行的交通目標，自主決定相應的控制策略，并將信號配時結果及時下發到區域內每個信號，同時將交通需求和控制效果傳送給上一層決策層，即交通管理中心。區域智能體在路段智能體和中央管理智能體之間起到承上啟下的作用，與單個路整個交通路網傳遞交通流信息;并與同級其他區域智能體進行信息交換，為交通控制提供服務。中央管理智能體由城市交通控制決策系統構成。其功能是根據路網結構、交通檢測及交通阻塞等因素對整個交通路網的運行狀況做出評估，其目的是尋求整個系統的性能指標最優，運用其優越的推理和規劃能力使系統運行在最優狀態。在信號控制系統中，路口級信號控制根據相連接路段智能體的交通流信息，通過控制決策給出路口信號配時。路口級信號控制將路口交通流信息和信號配時傳遞層區域控制，而上層區域控制則反饋控制命令，若某一區域中某一路口在某方向城市交通網絡區域控制的應用研究上擁擠，區域控制通過給出控制命令，調節與其在同一路段上的其他路口信號配時，達到盡快緩解擁擠，減少區域總體延誤時間的目的。區域控制之間傳遞的則是該區域內交通流信息，若某一區域出現擁擠路口，調節區域內以及相鄰區域信號配時，引導車流分散以緩解擁擠，并通過路邊信息指示牌或交通電臺信號引導車輛分流。而區域控制與交通控制中心之間傳遞的是區域交通流信息。調節路網交通流動態平衡，并向中央交通控制中心提供信息，以實現城市交通集中與分散的控制方式。

5 結 語

智能交通系統是一個涉及面廣、綜合各種高新技術的研究領域。限于篇幅，本文僅從城市智能交通控制角度論述了一些提高城市道路安全的措施，而未從車輛和司乘人員的角度來開展研究。提高智能交通系統的整體水平需要各行業協調發展，才能共同促進城市交通水平的提高。

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