交通控制論初步：交通系統(tǒng)控制的共同規(guī)律與方法

李 斌，王笑京，李宏海，汪 林，郭宇奇

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

1948年，美國(guó)數(shù)學(xué)家維納綜合研究了二戰(zhàn)前后通信和自動(dòng)控制，以及神經(jīng)生理學(xué)等各領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)和理論，抓住一切通信和控制系統(tǒng)的共同特點(diǎn)，出版了劃時(shí)代的著作《控制論(或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué))》，創(chuàng)立了“控制論”(Cybernetics)[1]。1954年，錢(qián)學(xué)森在美國(guó)出版《工程控制論》(EngineeringCybernetics)，從技術(shù)科學(xué)的維度對(duì)各種工程技術(shù)系統(tǒng)的自動(dòng)控制理論作了全面研究，把維納提出的控制論明確為“機(jī)械和電機(jī)系統(tǒng)的控制和導(dǎo)航科學(xué)”，標(biāo)志著控制論分化產(chǎn)生了第一個(gè)學(xué)科分支。同年，維納寫(xiě)了《人有人的用處-控制論與社會(huì)》一書(shū)，指出在社會(huì)組織中存在同機(jī)器和生物體相似的控制與信息傳遞過(guò)程[2]。其后，控制論相繼產(chǎn)生了生物控制論、經(jīng)濟(jì)控制論、社會(huì)控制論、人口控制論等分支，它們將控制論的思想、觀點(diǎn)和方法引用到生物、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各方面。錢(qián)學(xué)森在晚年倡導(dǎo)系統(tǒng)工程、系統(tǒng)科學(xué)、綜合集成、開(kāi)放復(fù)雜巨系統(tǒng)、社會(huì)主義建設(shè)的總體設(shè)計(jì)部等，并積極支持社會(huì)控制論的發(fā)展[3-4]。

交通系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，小到一個(gè)路口的信號(hào)控制，再到一個(gè)城市的公交系統(tǒng)、一個(gè)區(qū)域的公路網(wǎng)絡(luò)，大到國(guó)家的綜合運(yùn)輸體系，均是交通系統(tǒng)的范疇，是一個(gè)有人、企業(yè)等參與的具有自組織特性的開(kāi)放社會(huì)系統(tǒng)。交通系統(tǒng)的復(fù)雜性體現(xiàn)在它既有工程技術(shù)問(wèn)題，又涉及社會(huì)組織和政策問(wèn)題。過(guò)去，控制論方法主要應(yīng)用于交通信號(hào)控制、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)等微觀和中觀層面，到了交通供給調(diào)節(jié)、需求管理以及運(yùn)輸結(jié)構(gòu)等宏觀層面，涉及交通治理的范疇，則很少提及控制論的應(yīng)用。本研究從控制論的思想方法出發(fā)，探討交通系統(tǒng)各種控制過(guò)程的共同規(guī)律，嘗試構(gòu)建對(duì)指導(dǎo)交通系統(tǒng)各種控制行為具有普適意義的相對(duì)穩(wěn)定的方法體系。

1 交通控制發(fā)展歷程

道路交通100多年的發(fā)展歷程表明，交通控制的驅(qū)動(dòng)力最初來(lái)源于路權(quán)競(jìng)爭(zhēng)矛盾[5-6]，即如何在時(shí)空上對(duì)道路通行權(quán)進(jìn)行合理高效的分配，解決可能發(fā)生的交通沖突問(wèn)題。王笑京研究員曾提出“車(chē)占用物理空間”這一不變的“實(shí)體資源問(wèn)題”，決定了交通系統(tǒng)與通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)有本質(zhì)的區(qū)別，即物理尺寸和速度的巨大差別。交通控制需要保證在特定的時(shí)間和空間內(nèi)最多只有一輛車(chē)存在。道路交通控制發(fā)展大致經(jīng)歷了標(biāo)志標(biāo)線控制、交通信號(hào)控制、路徑誘導(dǎo)控制和車(chē)路協(xié)同控制等階段，如表1所示。

表1 道路交通控制發(fā)展歷程

1.1 交通標(biāo)志標(biāo)線控制

1903年法國(guó)最早在全國(guó)范圍統(tǒng)一交通標(biāo)志，目前交通標(biāo)志標(biāo)線早已成為道路交通中最基本的設(shè)施。交通流的管制、控制、引導(dǎo)和分配均是交通標(biāo)志和標(biāo)線的主要功能，且標(biāo)志和標(biāo)線不僅可單獨(dú)使用，而且可配合使用。其中，文字和圖形符號(hào)是交通標(biāo)志中常用來(lái)表達(dá)特定的交通法規(guī)和交通運(yùn)行控制方法的信息，而路面標(biāo)線、箭頭、文字、立面標(biāo)志、突出路邊和道路輪廓線等組成了交通標(biāo)線。

交通標(biāo)志因其造價(jià)低廉且耐用性強(qiáng)，常被用作路權(quán)控制的靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，明確標(biāo)識(shí)了道路使用的通行權(quán)、先行權(quán)、占用權(quán)等，盡量減少人對(duì)于路權(quán)的理解歧義和紛爭(zhēng)。但當(dāng)涉及交叉路口、出入口匝道等區(qū)域中不同方向車(chē)輛的交通沖突問(wèn)題，標(biāo)志標(biāo)線則很難對(duì)路權(quán)進(jìn)行有序和安全的控制引導(dǎo)[5]。

1.2 交通信號(hào)控制

交通信號(hào)控制主要用于道路空間不同方向上的交通沖突區(qū)域，用來(lái)在時(shí)間維度上給不同方向的交通流分配路權(quán)，應(yīng)用最普遍的是位于交叉路口的信號(hào)燈[7-9]。1868年英國(guó)最早出現(xiàn)為調(diào)度馬車(chē)用的煤氣信號(hào)燈，1914年美國(guó)出現(xiàn)電氣交通信號(hào)燈[10]。早期的信號(hào)燈主要由警察根據(jù)目視所及的信息進(jìn)行手動(dòng)控制。其后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，周期、相位和綠信比作為交通信號(hào)的3個(gè)主要參數(shù)，均被設(shè)定為定時(shí)自送切換[11]。隨著交通信息化和智能化的發(fā)展，文獻(xiàn)報(bào)道了不同的交通信號(hào)控制方法[12-18]，從開(kāi)環(huán)的單點(diǎn)固定配時(shí)控制到閉環(huán)控制，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)交叉路口的交通流量，采用相應(yīng)的交通模型來(lái)自動(dòng)調(diào)整信號(hào)配時(shí)方案，大大提高交通效率。具體的信號(hào)控制方法包括單點(diǎn)交通響應(yīng)式控制，固定配時(shí)協(xié)調(diào)控制，交通響應(yīng)式協(xié)調(diào)控制等。同時(shí)在高速公路網(wǎng)上也涌現(xiàn)了一系列交通控制方法，包括單點(diǎn)匝道控制，可變限速控制，以及匝道和可變限速集成控制。

交通信號(hào)燈的引入，使?jié)撛跊_突區(qū)域的路權(quán)分配有了“權(quán)威認(rèn)證”，駕駛員們只需要按照統(tǒng)一的信號(hào)燈變化規(guī)則，與前車(chē)保持適當(dāng)?shù)木嚯x駕駛車(chē)輛，不需要將時(shí)間和精力花費(fèi)在與其他方向司機(jī)的溝通上，依次不僅能夠有效改善通行秩序，而且降低了事故發(fā)生率。而居于高處且有著明亮顏色的紅綠燈能夠被所有駕駛員一致看到并明確認(rèn)知，有效地解決了消息交互和確認(rèn)的問(wèn)題，降低了駕駛員的信息負(fù)荷[5]。無(wú)論在城市道路還是高速公路，信息在控制中起著至關(guān)重要的作用。

1.3 交通誘導(dǎo)控制

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著智能交通技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，基于車(chē)載地圖、廣播、個(gè)人移動(dòng)終端以及路側(cè)可變信息板等動(dòng)態(tài)出行信息服務(wù)開(kāi)始應(yīng)用，特別是隨著智能手機(jī)的普及，各種地圖導(dǎo)航應(yīng)用軟件已成為手機(jī)標(biāo)配。手機(jī)導(dǎo)航應(yīng)用基于電子地圖以及實(shí)時(shí)路況信息，可以實(shí)現(xiàn)出行前的最優(yōu)路徑規(guī)劃、出行途中動(dòng)態(tài)路徑調(diào)整等功能，同時(shí)隨著用戶數(shù)量的劇增持續(xù)迭代優(yōu)化其誘導(dǎo)算法和服務(wù)功能，不斷提升考慮時(shí)間優(yōu)先、成本優(yōu)先、舒適優(yōu)先等不同用戶偏好的個(gè)性化服務(wù)體驗(yàn)。

城市交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)施，使得出行前、出行中的駕駛員和出行者可被誘導(dǎo)信息影響，且可通過(guò)動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)和控制路網(wǎng)交通流的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通流的有效誘導(dǎo)[19-20]，調(diào)整交通流的合理分布，將現(xiàn)有道路基礎(chǔ)設(shè)施的利用率大大提高、交通安全明顯提升、交通擁堵有效緩解，為駕駛員提供良好的行車(chē)服務(wù)，進(jìn)而最大限度實(shí)現(xiàn)城市交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的預(yù)期均衡，使現(xiàn)有的路網(wǎng)交通設(shè)施運(yùn)行在效益最佳狀態(tài)。

1.4 車(chē)路協(xié)同控制

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信和人工智能技術(shù)的發(fā)展，特別是5G技術(shù)的應(yīng)用，車(chē)路協(xié)同控制受到越來(lái)越多關(guān)注。其核心是人、車(chē)、路等交通要素之間形成一張信息的感知、交互與共享網(wǎng)絡(luò)[21-23]，由此實(shí)現(xiàn)車(chē)載功能和路側(cè)功能的合理劃分和協(xié)同操控、信息資源在車(chē)輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間的優(yōu)化分配與平衡，能更加合理和準(zhǔn)確地決定路權(quán)[24]，并大幅地提高道路交通安全性和可靠性，同時(shí)達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、降低成本及節(jié)能減排的目的。車(chē)路協(xié)同控制系統(tǒng)主要由車(chē)載系統(tǒng)、路側(cè)系統(tǒng)和云控中心構(gòu)成。如圖1所示。在車(chē)載端，由車(chē)載傳感器感知周邊局部環(huán)境，并融合路側(cè)及中心的控制指令后進(jìn)行相應(yīng)的執(zhí)行操作；路側(cè)端可通過(guò)傳感、通信等方式對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、路段的交通運(yùn)行狀況進(jìn)行采集，并及時(shí)將決策與執(zhí)行指令下發(fā)至車(chē)載端，同時(shí)將相關(guān)的節(jié)點(diǎn)、路段信息上傳至云控中心；云控中心主要負(fù)責(zé)匯總各路側(cè)節(jié)點(diǎn)以及車(chē)輛端的信息，可進(jìn)行路段或整個(gè)路網(wǎng)的交通信息匯集與存儲(chǔ)，執(zhí)行全局優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)路網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度管控，交通控制系統(tǒng)可以借助車(chē)路協(xié)同實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛的位置，運(yùn)行速度等信息，進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)算信號(hào)燈的配時(shí)[25-28]。

圖1 車(chē)路協(xié)同控制示意圖

2 交通控制研究對(duì)象和范疇的拓展

從上述發(fā)展歷程可以看出，交通控制技術(shù)是圍繞著如何解決路權(quán)沖突問(wèn)題而產(chǎn)生并逐步發(fā)展起來(lái)的，從靜態(tài)的標(biāo)志標(biāo)線到動(dòng)態(tài)的信號(hào)控制，以及近些年逐步普及的出行誘導(dǎo)，在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中，工程控制理論對(duì)交通控制技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。在20世紀(jì)50年代工程控制論誕生前，交通控制基本是靜態(tài)控制和定時(shí)控制，隨著道路交通流量增大和擁堵延誤增加;20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了依托經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制理論的實(shí)時(shí)自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)，如SCOOT系統(tǒng)和SCATS系統(tǒng)等[15-18];20世紀(jì)90年代開(kāi)始，交通控制作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，逐步進(jìn)入智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展階段[29-30]，顯著提升了道路交通效率和安全性。

但是近年來(lái)，傳統(tǒng)的交通控制技術(shù)已經(jīng)逐漸達(dá)到性能和效果的天花板，究其原因主要有以下幾方面：首先是社會(huì)快速機(jī)動(dòng)化使出行需求呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施供給能力，日益突出的供需矛盾早已超越路權(quán)沖突成為交通問(wèn)題的主要矛盾，而供給和需求問(wèn)題屬于交通治理和社會(huì)控制領(lǐng)域，恰恰是依托工程控制理論的交通控制技術(shù)的短板。其次是傳統(tǒng)的交通控制技術(shù)本身面臨的挑戰(zhàn)。一是其對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴與交通系統(tǒng)難以精確建模之間的矛盾，隨著交通問(wèn)題日益復(fù)雜而更加突出。二是將連續(xù)多個(gè)車(chē)輛視為流體之后，不能精確測(cè)量和控制每個(gè)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，難以充分利用有限道路資源[5]。三是交通控制主要作用在路口和匝道等道路局部位置，難以覆蓋駕駛?cè)^(guò)程。

交通系統(tǒng)是由基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)載工具、交通參與者等組成的，同時(shí)又是一個(gè)國(guó)家或一個(gè)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的基本組成部分，它把分散在不同區(qū)域的生產(chǎn)和生活活動(dòng)連接起來(lái)，并在組織生產(chǎn)、安排生活、提高客貨流的有效運(yùn)轉(zhuǎn)及促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面起著重要作用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越復(fù)雜，運(yùn)載工具數(shù)量不斷增加，系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越龐大，近年來(lái)數(shù)字經(jīng)濟(jì)興起，共享出行、共享貨運(yùn)等全新運(yùn)輸組織方式和業(yè)態(tài)出現(xiàn)并不斷演進(jìn)。總之，交通系統(tǒng)正好在介于社會(huì)系統(tǒng)和物理系統(tǒng)之間的一個(gè)極為絕妙的位置上，它超越了物理學(xué)的范疇而涉及到人和社會(huì)的問(wèn)題，傳統(tǒng)的交通控制方法早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的交通問(wèn)題，迫切需要在研究對(duì)象和控制方法上對(duì)交通控制研究范疇進(jìn)行拓展。

從研究對(duì)象的層次上看，傳統(tǒng)的交通控制方法以交通流為對(duì)象，屬于中觀層面，它是在基礎(chǔ)設(shè)施資源和出行需求總量基本確定的條件下，通過(guò)對(duì)交通流或出行行為的信息引導(dǎo)或控制，提高交通運(yùn)行效率和出行可靠性。在交通控制之上的宏觀層面，應(yīng)將交通設(shè)施總量、運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、出行需求及方式等納入統(tǒng)一的研究范疇，與傳統(tǒng)交通控制相比，這類控制不像工程控制那樣用機(jī)械的或物理信號(hào)去驅(qū)動(dòng)，一般采用政策、法規(guī)、規(guī)劃、市場(chǎng)機(jī)制、經(jīng)濟(jì)杠桿以及政令等手段，其對(duì)資源的優(yōu)化和分配將是根本性和戰(zhàn)略性的，從而有望徹底解決交通供需矛盾，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在交通流控制之下的微觀層面，則需要引入針對(duì)單個(gè)車(chē)輛行使全過(guò)程、將安全作為優(yōu)先目標(biāo)的車(chē)路協(xié)同式控制應(yīng)用[31]。近年來(lái)新一代無(wú)線通信技術(shù)以及依托深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)人工智能技術(shù)快速發(fā)展，使完全受控的交通系統(tǒng)成為可能，車(chē)路協(xié)作式控制逐漸成為行業(yè)熱點(diǎn)。綜上，交通供給調(diào)節(jié)、需求管理、交通流控制、車(chē)路協(xié)同等自上而下的4個(gè)層級(jí)基本涵蓋了當(dāng)前及未來(lái)交通系統(tǒng)控制研究領(lǐng)域，如圖2所示。

圖2 廣義交通控制研究范疇

圖2所示的交通供給調(diào)節(jié)、需求管理、交通控制、車(chē)路協(xié)同等4個(gè)層級(jí)既相互獨(dú)立，又有信息的傳輸與反饋。本層控制輸出除了作為本層的控制反饋輸入外，還作為下一層級(jí)控制的輸入，對(duì)下一層級(jí)控制產(chǎn)生影響。宏觀層面的控制體現(xiàn)了交通控制的社會(huì)屬性，尤其是從政策、法規(guī)、經(jīng)濟(jì)等方面影響中觀和微觀控制效果，中觀和微觀控制輸出反過(guò)來(lái)可對(duì)宏觀控制進(jìn)行反饋，影響宏觀政策法規(guī)的制定。交通系統(tǒng)廣義控制框架，如圖3所示。

圖3 廣義交通控制架構(gòu)

3 交通系統(tǒng)的自組織屬性

交通系統(tǒng)是有人、組織等參與的開(kāi)放社會(huì)系統(tǒng)，層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜，子系統(tǒng)及元素眾多，體現(xiàn)出機(jī)械物理特性、參與者行為特性、經(jīng)濟(jì)社會(huì)屬性等各異的性質(zhì)。交通系統(tǒng)的物理系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)以及連接二者的信息系統(tǒng)，共同構(gòu)成交通信息物理社會(huì)系統(tǒng)(Transport cyber physical social system，TCPSS)，如圖4所示。TCPSS通過(guò)交通傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的連接，通過(guò)社會(huì)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了社會(huì)系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的連接。我們研究交通控制問(wèn)題，更希望能夠從統(tǒng)一工程控制和社會(huì)控制的角度分析其共性規(guī)律，找到對(duì)各種交通控制問(wèn)題普遍適用的方法手段。

圖4 交通信息物理社會(huì)系統(tǒng)框架

交通系統(tǒng)作為一個(gè)由許多子系統(tǒng)和元素組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其各子系統(tǒng)之間的相互作用以及子系統(tǒng)的自身狀態(tài)直接決定著系統(tǒng)是否能夠最大限度地發(fā)揮功能和作用。根據(jù)哈肯的協(xié)同學(xué)定義，可將系統(tǒng)內(nèi)各部分相互作用，通過(guò)信息的傳遞實(shí)現(xiàn)從無(wú)序到有序的過(guò)程稱為“自組織”。作為一個(gè)包含人、車(chē)、路、信息、能源等在內(nèi)兼具社會(huì)屬性、物理屬性和信息屬性的復(fù)雜系統(tǒng)，交通系統(tǒng)與外界之間存在著信息的交互，是一個(gè)典型的開(kāi)放系統(tǒng)，與外界信息的不斷交互，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)持續(xù)變化，系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)通過(guò)協(xié)同作用遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，形成漲落有序的新?tīng)顟B(tài)，且整個(gè)變化過(guò)程中呈現(xiàn)非線性特征。因此，交通系統(tǒng)是一個(gè)典型的自組織系統(tǒng)。

以城市道路交通系統(tǒng)為例，其自組織可通過(guò)交通擁堵進(jìn)行描述。由于過(guò)多駕駛員想在同一時(shí)間使用同一道路資源導(dǎo)致某路段發(fā)生交通擁堵，擁堵可能會(huì)從局部路段逐漸擴(kuò)展到更大范圍，交通流的運(yùn)行狀態(tài)偏離原有的路徑使得系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)的無(wú)序度大大增加，交通熵值隨之變大。在一定條件下，特別是交通供給能力充足的條件下，系統(tǒng)中的出行者在接收到擁堵信息之后會(huì)避開(kāi)此道，自發(fā)地選擇附近暢通的道路行駛，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，擁堵逐漸緩解、路段重新恢復(fù)暢通，系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。交通系統(tǒng)能夠通過(guò)自組織進(jìn)行的自我調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)從無(wú)序的不平衡不穩(wěn)定狀態(tài)最終達(dá)到有序的穩(wěn)定狀態(tài)。但是這種自組織由于信息的滯后性過(guò)大、控制策略的執(zhí)行效率偏低，導(dǎo)致系統(tǒng)的震蕩周度較長(zhǎng)、收斂速度較慢，且在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中容易導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散而無(wú)法達(dá)到新的平衡狀態(tài)，尤其是在交通供給無(wú)法滿足需求的條件下。比如上述擁堵發(fā)生后，后續(xù)交通流為減輕當(dāng)前擁堵路段的壓力，同時(shí)選擇同一條目標(biāo)路段行駛，則會(huì)打破目標(biāo)路段原有的平衡態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致新的擁堵產(chǎn)生，周而復(fù)始，整個(gè)系統(tǒng)將處于無(wú)限震蕩發(fā)散過(guò)程，而無(wú)法收斂到新的平衡態(tài)。因此，交通系統(tǒng)的自組織只能夠在一定程度上滿足控制目標(biāo)的需求，屬于低等級(jí)的控制。這一自組織特征在交通流理論中也體現(xiàn)在宏觀基本圖上，如圖5所示。在自由流狀態(tài)下，駕駛員通過(guò)換道、超車(chē)等行為可以提高交通流量，但這些自組織行為在交通密度接近關(guān)鍵密度附近時(shí)會(huì)成為系統(tǒng)的干擾，導(dǎo)致交通流從自由流崩潰到擁堵?tīng)顟B(tài)，形成沖擊波[32]。在這種情境下，自組織行為不但無(wú)效，反而成為誘發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)的誘因，因而需要外界的控制和干預(yù)。

圖5 宏觀基本圖

4 交通控制論的基本思想

4.1 信息是交通控制的基礎(chǔ)

在香農(nóng)的信息論中[33]，信息和消除不確定性是相聯(lián)系的。在英語(yǔ)里，信息和情報(bào)是同一個(gè)詞(Information)，而情報(bào)的作用就是消除不確定性。信息是消除系統(tǒng)不確定性的唯一辦法，即在沒(méi)有獲得任何信息前，一個(gè)系統(tǒng)就像是一個(gè)黑盒子，引入信息，就可以了解黑盒子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖6所示[34]。

圖6 信息的基礎(chǔ)作用

控制論認(rèn)為，信息和控制是不可分割的，信息本身就是一種控制，而且是最基本的控制。一個(gè)系統(tǒng)的信息量可以看成其組織化程度的度量，熵(Entropy)則是系統(tǒng)無(wú)組織化程度的度量。信息即負(fù)熵，使系統(tǒng)不確定性降低，趨向更高的組織化。熵是控制論非常重要的概念和方法，其概念由德國(guó)物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家克勞修斯(T.Clausius)于1854年最早提出，初期主要應(yīng)用于熱力學(xué)和物理領(lǐng)域；1948年維納和香農(nóng)幾乎同時(shí)引入熵作為信息和有序性的度量。隨機(jī)變量X(x1,x2,…,xn)的熵函數(shù)定義如下：

H(X)=-∑xip(xi)×lnp(xi)，

(1)

式中p(xi)為事件xi的概率函數(shù)。

公式(1)表明熵是一個(gè)關(guān)于概率分布的函數(shù)，也就是說(shuō)，凡是涉及概率統(tǒng)計(jì)的問(wèn)題均可用熵描述和處理，熵在自然和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域具有普適性，愛(ài)因斯坦認(rèn)為熵是自然界第一法則[35]。信息是交通控制的基礎(chǔ)和前提，為交通系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)男畔⒈旧砭褪且环N控制行為，用于解決出行和運(yùn)輸過(guò)程中的不確定性以及信息不對(duì)稱性問(wèn)題。以交通擁堵為例，該問(wèn)題源自難以預(yù)測(cè)的交通事故、車(chē)輛延誤等偶發(fā)事件，以及道路施工等出行者信息不對(duì)稱因素。人們普遍相信，準(zhǔn)確獲取相關(guān)交通信息是解決擁堵問(wèn)題的一劑良藥。研究表明，通過(guò)向出行者及時(shí)提供準(zhǔn)確而充分的交通信息來(lái)影響其對(duì)路徑的選擇，幫助其及早規(guī)劃備選方案，其駕駛的總里程數(shù)就會(huì)隨之減少，從整體上看擁堵問(wèn)題也會(huì)大大緩解[36]。在實(shí)際的控制中，信息的提供不僅要準(zhǔn)確而充分，且同時(shí)還應(yīng)該考慮信息接受者的反饋，形成信息傳輸?shù)拈]環(huán)，避免過(guò)度誘導(dǎo)情況的出現(xiàn)。

物質(zhì)、能量、信息是構(gòu)成現(xiàn)實(shí)世界的3大要素，1955年前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家索波列夫從控制角度指出它們?nèi)咧g的基本關(guān)系：即巨大質(zhì)量物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化，以及巨大能量的傳遞和轉(zhuǎn)變，可以通過(guò)帶有信息的不大的質(zhì)量和不大的能量來(lái)指引和控制[33]。交通運(yùn)輸是實(shí)現(xiàn)人和物移動(dòng)的過(guò)程，在其整個(gè)發(fā)展歷程中，不斷通過(guò)為其組成部分提供信息和指引來(lái)提高效率。過(guò)去，信息是由人和紙等材料以消息的形式，通過(guò)被運(yùn)輸?shù)娜嘶蜇浳锉旧頂y帶并傳遞的，因此信息的傳播速度就近似等于人和貨物的移動(dòng)速度。20世紀(jì)后半期，隨著電磁通信技術(shù)的出現(xiàn)，提供信息和指引的速度要比人和貨物實(shí)際移動(dòng)的速度快得多，交通系統(tǒng)出現(xiàn)了質(zhì)的提升[36]。現(xiàn)代交通系統(tǒng)從邏輯上可以看作由3部分組成：運(yùn)送人和貨物的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)、為系統(tǒng)提供能量的能源網(wǎng)絡(luò)以及傳輸信息的通信網(wǎng)絡(luò)。交通控制論本質(zhì)上就是研究如何利用通信信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)(含能源網(wǎng)絡(luò))進(jìn)行有效的控制，如圖7所示。

圖7 交通控制論本質(zhì)

4.2 交通熵的作用

無(wú)論是交通系統(tǒng)的自組織，還是自組織基礎(chǔ)上引入外界智能化信息干預(yù)的控制策略，其總的目標(biāo)都是通過(guò)各種手段期望其滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)需求，而交通系統(tǒng)及其子系統(tǒng)是否滿足需求、是否處于良性狀態(tài)，這些問(wèn)題涉及到控制的判據(jù)，不同系統(tǒng)、不同問(wèn)題會(huì)有不同的判別方法和判斷標(biāo)準(zhǔn)，但若以系統(tǒng)入手，它們應(yīng)符合一定的基本規(guī)律并建立在一定的理論基礎(chǔ)之上。交通系統(tǒng)是由大量元素構(gòu)成的，各元素狀態(tài)具有隨機(jī)性，同時(shí)系統(tǒng)宏觀態(tài)是由系統(tǒng)內(nèi)部元素的微觀態(tài)決定的，這些特點(diǎn)決定了它可以用熵來(lái)描述和研究，從而為我們提供了一個(gè)從統(tǒng)計(jì)角度認(rèn)識(shí)交通系統(tǒng)客觀規(guī)律的手段，即交通熵(Transport Entropy)。交通熵可以作為各類交通系統(tǒng)控制的判據(jù)，交通系統(tǒng)控制問(wèn)題可以等價(jià)為尋找某個(gè)正確的信息和控制序列的數(shù)學(xué)問(wèn)題，而所求序列應(yīng)使系統(tǒng)的交通熵最小或最大，如圖8所示。

圖8 基于交通熵的控制過(guò)程

根據(jù)交通系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)造交通熵的一般過(guò)程是：首先將系統(tǒng)(或問(wèn)題)劃分為若干子系統(tǒng)(若干組、若干段等)，每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的指標(biāo)ki，且0

(1)基于熱力學(xué)原理的熵構(gòu)造法

廣義熱力學(xué)熵是用描述系統(tǒng)性質(zhì)的廣延量和強(qiáng)度量之比來(lái)定義的，可以借鑒廣義熱力學(xué)原理來(lái)構(gòu)造交通熵[37]。交通狀態(tài)參量按其與交通總量的關(guān)系分為兩類：一類是與總量有關(guān)的，叫廣延量，如交通流量Q、車(chē)輛總數(shù)N、客運(yùn)量、貨運(yùn)量等;另一類與總量無(wú)關(guān)，稱強(qiáng)度量，如通行能力C(pcu/h)、速度V、密度ρ等。構(gòu)造方法舉例如下：

①令ki=(Ci-Qi)/Ci來(lái)構(gòu)造交通熵，可以反映路網(wǎng)道路資源利用程度，其中Ci為路網(wǎng)中第i個(gè)路段的通行能力，Qi為第i個(gè)路段的實(shí)際通行交通量[37]。

②令ki=歸一化[(N0i-Ni)/Vi]構(gòu)造交通熵，可以反映路網(wǎng)交通流的有序程度，其中N0i為第i個(gè)路段最大可容納車(chē)輛數(shù)，Ni為第i個(gè)路段上的實(shí)際車(chē)輛數(shù)，Vi為第i個(gè)路段車(chē)流速度。

(2)基于統(tǒng)計(jì)原理的熵構(gòu)造法

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)抽樣得到概率分布，即構(gòu)造隨機(jī)變量X(x1,x2,…,xn)，每個(gè)子元素xi對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的概率ki，例如交通量在路網(wǎng)上的分布有隨機(jī)性，利用OD矩陣的概率分布定義ki，可以構(gòu)造反映交通量分布的熵[38]；另外，將ki定義為第i類車(chē)輛數(shù)占路段總車(chē)輛數(shù)的比值，可以構(gòu)造反映路段車(chē)流混合程度的熵。

4.3 控制提升交通系統(tǒng)的組織化程度

交通運(yùn)輸包括道路、鐵路、民航、水運(yùn)等不同運(yùn)輸方式，各運(yùn)輸方式的基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)載工具形式及相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)方式差異很大，決定了運(yùn)載工具和交通參與者的行為迥異。鐵路和民航屬于定時(shí)、定場(chǎng)站、定班次的運(yùn)輸方式，水運(yùn)也屬于類似的方式，它們的交通運(yùn)輸行為的隨機(jī)性和不確定很低(除惡劣天氣等不可控因素外)，故系統(tǒng)總熵值很低，組織化程度均很高，其中鐵路運(yùn)輸組織化程度最高，民航及水運(yùn)稍次之。

相對(duì)于其他運(yùn)輸方式，道路交通方式接入性高，可以實(shí)現(xiàn)門(mén)到門(mén)服務(wù)，給予交通參與者比較大的自主權(quán)和方便性，特別是交通參與者不僅是乘客，而且可以自己駕駛車(chē)輛，從而享受到獨(dú)特的駕駛樂(lè)趣。另一方面，道路交通是一個(gè)有人深度參與的系統(tǒng)，人有其理性和非理性的兩面性，從個(gè)體出行行為來(lái)看具有自主性和趨利性，從群體出行行為看具有很大的隨機(jī)性和不確定性。交通流是人的群體出行行為的集合，每個(gè)參與者都可能產(chǎn)生新的想法，產(chǎn)生隨機(jī)行為，因此交通流是快速變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，包含了許多不確定因素[39]。道路交通系統(tǒng)存在的大量隨機(jī)性和不確定性決定了其具有較大的熵值，在綜合運(yùn)輸體系中具有最低的組織化程度。較低的組織化程度造成了道路交通兩個(gè)最突出的問(wèn)題：一是出行不可靠，交通參與者的自主性、不確定性與基礎(chǔ)設(shè)施資源的共享性之間的矛盾，極易導(dǎo)致交通擁擠，即太多的車(chē)輛想在同一時(shí)間趕到同一地點(diǎn)；二是出行不安全，人的環(huán)境感知范圍與能力、判斷決策能力、動(dòng)作反應(yīng)能力的局限直接或間接成為交通事故主要原因。

綜上，組織化程度是區(qū)分不同運(yùn)輸方式的重要特征之一，道路交通的本質(zhì)問(wèn)題和主要弱點(diǎn)就在于其較低的組織化程度，因此交通控制論將重點(diǎn)圍繞道路交通控制問(wèn)題，及其與其他運(yùn)輸方式的銜接協(xié)同問(wèn)題開(kāi)展研究，并以提升系統(tǒng)組織化程度為根本目標(biāo)。

若要實(shí)現(xiàn)對(duì)交通系統(tǒng)更為精準(zhǔn)的控制需要引入外界智能化的信息和資源，增強(qiáng)自組織的能力，如通過(guò)采用先進(jìn)的需求管理策略、誘導(dǎo)控制方法和車(chē)路協(xié)同控制手段等不斷提高交通運(yùn)行效率和運(yùn)輸能力。仍以上述城市交通系統(tǒng)中某路段的擁堵為例，僅靠系統(tǒng)的自組織往往會(huì)造成“此處暢通、彼處擁堵”的后果。若在自組織的基礎(chǔ)上引入高效的需求管理策略，再加上精準(zhǔn)的交通控制方法將會(huì)使得系統(tǒng)的控制效果更好。在某路段發(fā)生擁堵之后，通過(guò)需求分析預(yù)測(cè)路網(wǎng)中的交通流分布，利用可變情報(bào)板、廣播、車(chē)載/手機(jī)終端等將擁堵信息以及可選路段信息實(shí)時(shí)發(fā)布，同時(shí)借助于擁堵收費(fèi)、交通管控等手段對(duì)后續(xù)交通流進(jìn)行誘導(dǎo)，尤其是對(duì)網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛車(chē)輛可以采用先進(jìn)的控制算法，強(qiáng)制車(chē)輛行駛在特定的道路上，最終使交通流相對(duì)均勻地分布在不同道路上，合理利用道路資源，避免擁堵的再次發(fā)生。通過(guò)這種外界控制手段的干預(yù)，一方面可以實(shí)現(xiàn)在不增加其他路段的擁堵的前提下使事故路段的擁堵快速緩解，以此加快交通系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的收斂速度、降低震蕩周期，提升的控制效率和精度。另一方面，引入外界控制，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的自組織能力，使交通系統(tǒng)由低級(jí)的自組織系統(tǒng)升級(jí)為具備高級(jí)自組織能力的交通控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更智能化、更高效的控制目標(biāo)。

5 結(jié)論

交通系統(tǒng)正好介于社會(huì)系統(tǒng)和物質(zhì)系統(tǒng)之間的一個(gè)極為絕妙的位置上，它超越了物理學(xué)的范疇而涉及到人和社會(huì)的問(wèn)題，交通控制論有必要作為維納控制論的一個(gè)分支而建立相對(duì)獨(dú)立的體系。本研究基于這樣的考慮，從融合工程控制和社會(huì)控制的角度，將基礎(chǔ)設(shè)施供給調(diào)節(jié)、需求管理、交通流控制、車(chē)路協(xié)同等構(gòu)成的4層控制系統(tǒng)作為統(tǒng)一的研究對(duì)象，論述了信息即控制的觀點(diǎn)，提出了以提升系統(tǒng)組織化程度為根本目標(biāo)、以交通熵為基本判據(jù)、以信息為控制手段、依托通信網(wǎng)對(duì)運(yùn)輸網(wǎng)(含能源供給網(wǎng))行為進(jìn)行指引和調(diào)節(jié)的交通控制論思想，以期為設(shè)計(jì)和構(gòu)建更加科學(xué)合理的交通控制系統(tǒng)提供方法論的指導(dǎo)。

當(dāng)前，我國(guó)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，信息社會(huì)進(jìn)程更加深入，交通系統(tǒng)作為具有自組織特性、又高度開(kāi)放的社會(huì)系統(tǒng)，已經(jīng)和正在發(fā)生深刻的變革，人工智能、新一代無(wú)線通信、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等高新技術(shù)將深度地影響交通系統(tǒng)的組織形態(tài)、運(yùn)行模式和治理結(jié)構(gòu)，經(jīng)典控制論思想方法與現(xiàn)代通信信息技術(shù)的結(jié)合必將為交通系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展開(kāi)辟一條新路。