（管理科学与工程专业论文）基于multiagent的区域交通信号控制系统的研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 摘要 交通问题是全球普遍关注的重要问题，交通问题已经严重影响了人类社会经 济的正常运行，为此采用最新的科学技术成果，意在解决交通问题的“智能运输 系统”的研究正在全球范围迅速兴起，a g e n t 技术是计算机和分布式人工智能领 域的最新研究成果，是面向对象技术的新发展。a g e n t 技术为复杂问题的解决提 供了重要手段，是当今计算机领域的一大研究热点。a g e n t 技术为解决交通问题 提供了新的思路。本文根据交通领域的这一研究背景，结合a g e n t 技术以及智能 控制技术的发展，探讨解决交通问题的新方法。 本文首先分析了交通信号控制的发展历程，交通控制系统的发展方向。在分 析了a g e n t 理论的基础上，总结了a g e n t 的概念、特征和结构模型。紧接着介绍 了交通信号控制的分类、方法，并着重讨论了单交叉路口信号控制的主要参数和 评价指标。 城市交通是一个复杂系统，a g e n t 特有的自治性、协作性等特点，为进行仿 真提供了更好的方法。为此，本文给出了基于m u l t i - - a g e n t 的区域交通信号控 制系统的框架结构，并在此基础上提出了区域信号控制系统的二级控制模式。 o - l e a r n i n g 算法是近期所提出的在线强化学习算法。本文简单介绍了 q - l e a r n i n g 算法的基本思想和适用条件，并给出了在线ql e a r n i n g 算法的方法 步骤。以o - l e a r n i n g 算法为基础，给出了单交叉路口和区域信号控制算法，描 述了算法所涉及的条件、计算步骤，并论证了该算法的可行性、有效性。 通过试验和数据采样，是验证系统性能的有效手段。首先阐述了利用m f c 进行a g e n t 设计的方法和手段，并进行了系统仿真所需要的四类a g e n t 的定义， 工作流程和相互配合关系。在系统实现的基础上，用仿真数据进行了基于a g e n t 的区域信号控制系统的模拟，并同常规区域信号控制系统进行了多方面的比较， 显示出基于a g e n t 系统比常规系统的优越。 在进行系统分析的基础上，结合当前智能交通系统研究的发展方向，提出了 系统进一步的改进方案。为完善和发展系统，解决城市交通问题提出了需要继续 做的工作。 山东师范大学硕士学位论文 关键词：m u l t i a g e n t 交通信号控制区域q - l e a r n i n g 分类号：t p 3 9 1 2 山东师范大学硕十学位论文 a b s t r a c t t r a f f i cp r o b l e mi sa l li m p o r t a n tp r o b l e ma l lo v e rt h ew o r l di th a ss e r i o u s l y i n f l u e n c e dt h es o c i 5 e t y , h o wt os o l v ei t i st h ek e yp r o b l e mp e o p l ep a ya t t e n t i o nt o ，n o w , “i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ”，w h i c ha i m st os o l v et h et r a f f i cp r o b l e mu s i n gt h e a d v a n c e ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i sb e c o m i n ga n dd i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ， r e g a r d e da st h ed e v e l o p m e n to ft h eo b j e c t - o r i e n t e d ，p r o v i d e s an e ww a y sf o rt h e r e s e a r c ho fc o m p l i c a t e ds y s t e m sa n di st h ef o c u so fc o m p u t e rs c i e n c e ，i ta l s og i v e sa n e wh o p e f u ld i r e c t i o nf o rt r a f f i cp r o b l e m t h e r e f o r e ，a c c o r d i 吨t ot h i st r a f f i cs i t u a t i o n a n dt h en e w l ya g e n tt e c h n o l o g y , a l o n gw i t ht h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h i s t h e s i sd i s c u s s e san e wm e t h o dt od e a lw i t ht r a f f i cp r o b l e m f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l a n dt h ef i e n do ft r a f f i cc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n tw i t ht h ee x p l a i n i n go ft h et h e o r y o fa g e n t ，t h ep a p e rg i v e sac o n c l u s i o no ft h ec o n c e p t i o n ，f e a t u r e ，m o u l da n d c o m p o s i t i o no fa g e n t 、n e x t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o n sa n dm e t h o d so f t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l ，a n ds t r e s s e st h em a i np a r a m e t e r sa n dt h ee s t i m a t i o ni n d e x e so f t h es i g n a lc o n t r o lo f i s o l a t e di n t e r s e c t i o n u r b a nt r a n s p o r t a t i o ni sv e r yc o m p l e x f o ri t sa u t o n o m ya n dc o o p e r a t i o n ，a g e n t p r o v i d e sab e t t e rw a y t ot a k et h es i m u l a t i o no ft h et r a f f i cs y s t e mt h a no t h e r s t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h ec o n s t r u c t i o no ft h em u l t i - - a g e n t b a s e d d i s t r i c tt r a f f i cs i g n a l c o n t r o ls y s t e m o nt h es u m m a r yt h ep a p e rb r i n g su pat w o l e v e lm o d e lo fd i s t r i c t s i g n a lc o n t r o ls y s t e m q l e a r n i n gm e t h o d i sa no n l i n er e i n f o r c e m e n tl e a r n i n gr e c e n t ly t h i sp a p e rs i m p l yi n t r o d u c e st h em a i nt h e o r e ma n dt h es u i t a b l ec o n d i t i o n ，a n dg i v e s t h es t e p sf o ro n l i n em e t h o d t h ep a p e rg i v e sam e t h o do fs i n g l ei n t e r s e c t i o nt r a f f i c s i g n a lc o n t r o la n dd i s t r i c tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o lu s i n gq l e a m i n gm e t h o d t h i sp a p e r d e s c r i b e st h ec o n d i t i o n s 、c a l c u l a t es t e pi n v o l v e di nt h en e wm e t h o d ，a n dd i s c u s st h e f e a s i b i l i t ya n dt h ev a l i d i t yo f t h en e w m e t h o d i ti sa ne f f e c t i v ew a yt ov e i l f yt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e ma c c o r d i n gt ot h et e s t a n dd a t as a m p l i n g t h em e t h o do fd e s i g na g e n tu s i n gm f ci si n t r o d u c e di nt h ep a p e r a n dt h ep a p e re x p l a i n st h ed e f i n i t i o n s 、w o r k i n gf l o w sa n dt h ec o o p e r a t i v er e l a t i o n s 山东师范大学硕士学位论文 b e t w e e nt h ef o u rc l a s s e so fa g e n td e f i n i t i o n su s i n gi nt h es y s t e ms i m u l a t i o n u s i n g e m u l a t ed a t at e s tt h es y s t e m ，a n dt a k et h er e s u l tt oc o m p a r ew i t ht h eg e n e r a ls y s t e m ， d r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ea g e n t b a s e ds y s t e mi sb e t t e rt h a nt h en o o - a g e n ts y s t e mi n a d j u s t i n gt h et r a f f i cf l o w t h i sp a p e rp o i n t so u tt h es h o r t c o m i n go ft h el l e _ 、, vs y s t e mo nt h ea n a l y s i so f s y s t e m ，a n dg i v e st h ea d v i c eo ni m p r o v et h es y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f m o d e mi n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m k e y w o r d ：m u l t i a g e n t ，t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l ，d i s t r i c t ，q l e a r n i n g c l a s s i f i c a t i o n ：t p 3 91 d 山东师范大学顶十学位论文 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要 特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名多数峄 导师擗参砗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解生璧有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂 坠可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签字：参磊备气 签字日期：2 0 0 缉，月如日 山东师范大学帧士芈位论受 第一章绪论 交通问题是当今世界人们普遍关注的重要j u 】题，交通问题所带来的严重危害 日益影响j cj j 人们日常生活与社会经济的发展。计算机技术是当今世界重要的技术 成果，更好的运用计算机技术解决交通控制中的问题，是提高交通质量的重要解 决方法。 1 1 城市交通信号控制的研究意义 交通是现代社会的基础，是人类社会经济的大动脉，人们社会的行为与交通 息息卡h 关。城市交通状况的好坏是衡量一个城市文明进步的标志，对于城市经济 的发展和人民牛活水平的提高起着十分重要的作用。2 0 世纪以来，随着汽车工 业的迅速发展，汽车已成为人们日常生活中必不可少的交通工具。汽车工业在给 人们带来各种便利的同时，也带来了一系列的问题，如环境污染、交通拥挤、交 通事故等等。因此城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素。 在国外，特别是西方国家，由于经济发展较早较快，早在6 0 年代，交通阅 题便日渐突出，交通拥挤日益严重，特别是一些大中城市，交通拥挤已成为制约 城市经济发展的瓶颈。交通问题每年给世界各国都造成了巨大经济损失。 在我国，随着经济的发展和城市化进程的加快，机动车保有量迅速增长，导 致了交通需求与道路设施之间的尖锐矛盾。为了改变这种状况，我国于1 9 8 8 年 颁布了“中华人民共和国道路交通管理条例”，以法律的形式和权威来维护基本 的交通秩序，保障交通安全、舒适和畅通。据有关资料不完全显示，1 9 7 8 年至 1 9 9 5 年全国城市机动车保有量的增长速度是道路增长速度的8 0 倍，而且这种趋 势随着人们生活水甲的提高，私家车数量的急剧增加而显的更j 【l 严峻1 3 6 1 。 城市道路增长的有限性与车辆增长的近似无限性之问的矛盾，足导致城市交 通拥挤的根本原因。为了适应交通量的迅猛增长的趋势，缓解道路交通拥挤状况， 国内许多城市采用了延长道路，拓宽路面，建高架路等措施，收效比较明显，但 是成果还是很有限。只有在不断拓展基础设施的同时，利用更高效的管理手段， 提高现有设施的利f _ = j 率和负荷，加强对交通需求的管理，加强对城市道路网的智 能管理和优化控制，才能更好的满足人们出行的要求。 城市交通信号控制是通过对道路交通信号的渊节，达到对交通流的调节、警 告和诱导，以达到改善人和货物的安全运输。提高运营效率，改善交通流的质量， 山东师范大学硕士学位论文 更好的利用现有的交通运输能力，实现交通流的安全性、快速性和舒适性。 作为城市交通网的基本部分，平面交叉口是道路通行能力的瓶颈和交通阻塞 及事故多发地。城市的交通拥挤，大部分是由于交叉口的通行能力不足或没有充 分合理的利用造成的，这导致车流中断、延误严重。对交叉口实行科学的管理与 控制是交通控制工程的重要课题。 在城市交通中，交叉口密集，相对路程较短，交叉口之间的影响非常大，在 考虑单个交叉口调节的同r 寸，必须要通盘考虑整个区域各个交叉口之问的联动 性，才能发挥每个交叉口调节的能动性；因此，建立在单个交叉口调节基础上的 区域交通调节，是从全局方面综合调节的结果，也是解决城市交通问题的有效途 径1 2 8 j 1 2 城市交通信号控制的发展过程。 城市交通信号控制是随着城市交通量的增加而发展起来的。从1 8 6 8 年伦敦 第一次使用燃汽色灯信号用于管理交通开始1 2 3 1 01 9 1 3 年，在美国俄亥俄州出现 了世界上最早的交通信号控制。采用了人工操作的电气照明信号灯。1 9 2 6 年， 美国的芝加哥采用了交通灯控制方案，每个交叉路口有唯一的交通灯控制方案， 适应单一的交通流。从此，交通控制技术和相关控制算法的发展，逐渐改善了控 制的安全性、有效性。在交通信号不断进步和发展的同时，用于多个路口协调统 一控售4 的交通信号控制方式也在不断进步。1 9 1 7 年，盐湖城安装使用了人工控 制的干道信号协调系统。1 9 2 2 年，休斯顿建立了一个采用电子计时器的干道信 号协调系统。1 9 2 8 年，美国研制成功一种灵活的步进式定周期干道信号定时系 统。交通信号控制由手动到自动，由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控 制到线控和面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历的漫长的历程。到1 9 6 3 年，加拿大多伦多市投入使用了一套由i b m 6 5 0 计算机组成的集中协调感应控制 信号系统，这标志着城市道路交通控制系统进入了个新的阶段。随后，美国、 英国、日本等国家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统。交通控制系统进 入了智能控制的阶段。 目前，国外的典型城市交通控制系统有英国的t r a n s y t 系统和s c o o t 系 统、澳大利亚的s c a t 系统、日本k y o s a n 电器制作有限公司的交通控制系统 等1 3 5 1 0 山东师范大学硕士学位论文 欧洲的城市交通控制系统( u r b a nt r a f f i cc o n t r o l ，u t c ) 在世界上比较先进。 目前，专门用于道路车辆安全系统检测与控制的u t c 系统表现在减少时问延误 和提高路网效率上。欧洲的交通控制系统主要有英国的u t c 系统被称为s p l i t c y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ( s c o o t ) 即绿信比相位差优化技术，意大利 的u t o p i a 系统，法国的p r u d y n 系统以及德国的m o t i o n 系统。澳大利 亚的s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i cs y s t e m ) ，它们属于自适应式 的区域实时交通控制系统，而美国的t r a n s y t 系统属于固定信号配时的区域 协调信号控制系统。美国运输部联邦公路局近年来在从事自适应式交通信号控制 系统的研究后得到结论：当城市交叉路口采用了先进的交通信号控制系统后，减 少了行车延误时间，提高了路口的通行能力，降低了车辆的停车次数，减少了燃 料消耗和汽车排放的有害物质等。 随着通信技术和信息技术的飞速发展，日本开始着手用新技术、新方法对这 些系统进行改造，并于1 9 9 3 年4 月由国家警示厅( m ) a ) 发起、由新交通管 理系统推进协会开始实施新的交通管理系统计划，即新交通管理系统( u t m s ， u n i v e r s a lt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 的研究、开发与实用化。新的系统对交通 流进行全面的管理，以先进的控制系统为中心，以现有的交通控制系统为基础发 展而成。u t m s 的最终目标是实现主动管理，将管理中心对交通需求和交通流 的措施准确无误地传送给驾驶员( 车辆) ，以避免交通阻塞，实现先进的管理信 息系统( a m i s ) 。u t m s 以综合交通管制系统为中心，由六个子系统组成：综 合交通管制系统、先进的交通信息系统、动态路径诱导系统、公共运输优先系统、 车辆行驶管理系统、环境保护管理系统1 3 6 1 0 o p a c ( o p t i m i z a t i o np o l i c i e sf o r a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 交通信号控制系统是1 9 8 3 年由美国提出的较先进的一代智能控制交通系统，并已在9 0 年代初开始试运 行。该系统采用了动态规划原理来优化控制策略及d y p i c 程序，并在动态编程 算法中提出离散时间周期性滚动优化的方法：同时采用分散式控制结构以减少网 络通信量、分布并行处理以便将危险分散，并使优化过程可以达到最少的约束条 件。第一个离散时间区间滚动优化信号控制系统是在o p a c 基础上最新改进的 u t o p l a 系统。该系统决策间隔为3 秒，滚动区间长度为1 2 0 秒，系统控制结 构是完全的分散式结构。初始或缺省的信号策略由交通控制计算机提供给交叉口 山东师范大学硕士学位论文 节点控制器，然后各节点控制器用启发式优化过程根据自己的实际情况在滚动区 间部分或全部修改信号策略。作为优化的一部分，各节点都将相邻节点当前信号 优化策略上的开销考虑到自己的优化过程中，通过这种方式节点之间可以在分散 式结构中得到良好的协调，从而局部对初始信号策略的优化可以使整个系统的性 能得到提高。在优化方法上，该系统将滚动区间内的所有决策系列以决策树的方 式表示，对滚动区间求取优化信号策略的问题就可转化为求解最短路径问题，其 中决策树里的连线长度与滚动水平线中相应的决策开销对应成比例。 最新一代智能化交通信号控制系统是将人工智能和知识工程等先进的前沿 科学应用于交通信号控制的交通信号控制系统，其研究已取得了一系列重要成 果。智能控制主要是指基于专家系统的控制、模糊控制、神经网络控制、基于遗 传算法的控制等。智能控制方法的最大特点是其控制算法具有较强的逼近非线性 函数的能力，不依赖于精确的数学模型，这对于交通系统这样复杂难以建立较好 数学模型的系统是一个有效方法。美国和荷兰等国目前正在研究基于智能a g e n t 的u t c ，主要原理是在城市交通网络中的一系列重要节点部署智能a g e n t ，用 于对所属的网络区域实现信号灯控制，它不但具有交通管理专家的经验知识，还 具有不断学习的能力，具有本区域的交通流信息；这些智能a g e n t 之间通过通 信层( 规范、内容、协议) 进行信息( 路由信息、交通流信息、控制信息) 交流， 解决单智能a g e n t 信息不完整性，并通过协调层进行目标协同，解决交通网络 中的资源、目标和结果冲突，最终实现交通控制的优化。 1 3 交通信号控制方式 城市交通信号控制的方式有多种，根据不同的分类方法，可以有很多分类。 1 、根据所采用的控制装置不同，交通信号控制一般有3 种类型： 预定周期式信号控制：这种信号的周期时长、相位、绿灯时间长度及转换间 隔都是事先确定的。信号周期时长以不变的形式运行，每个周期的周期长和相位 恒定不变。也可以有几种预定配时方案，每种都自动在一天的规定时间内交替使 用。这是一种最简单的信号控制方法，但是成本最低，在交通流量不是很大的情 况下效果并不是很差。 半感应式信号控制：这种信号控制主要目的是尽量保证主干道的绿灯时长， 只有当次干道上的检测器检测出有车辆到达，这时信号经过一个适当的转换间隔 d 山东师范大学硕士学位论文 后，才为次干道显示绿灯，该次干道绿灯时长将维持到次干道车辆全部通过或一 个预先设定的最大绿灯时长为止，其他时长部被应用于主干道的通行。这种交通 控制方式比较适用于绿波信号系统中。 全感应式信号控制：在这种信号控制方式中，信号的所有相位全由传感器来 控制。一般每一个相位都有最小和最大绿灯时长。周期中的相位可以任意选择使 用，当某个方向上的监测器没有发现交通量时，该时刻该相位所对应的相位就可 以相应取消。因此这种控制方式的周期长度和绿灯时长可以根据要求作很大变 动。 2 、如果根据信号控制系统控制的范围划分，可以分为： 点控方式：点控制方式是指道路交叉口的信号灯互补相关的各自独立运行的 方式。点控制方式是最基本的控制方式，因其设备简单，维护方便，仍被广泛采 用。在技术上，又分为离线点控制和在线点控制。 线控方式：一般又称为干线协调控制。在城市道路网中，如果交通干线上几 个距离较近的交叉口的控制信号互不相关，当各交叉口分别设置单点信号控制 时，从上游驶出的车辆很可能在下游遇到红灯，从而造成行车不畅。为此提出一 种基于绿波概念的干线相邻交叉口协调控制策略，把这些交叉口的信号在时间上 连接起来协调控制，使得- y f j 车队在干线行驶时，总是在绿灯开始时到达交叉口， 无需停车通过交叉口，这样确保道路畅通，减少干线的停车次数和行车延误。绿 波控制虽然早在3 0 年代就被人所认识，但是在复杂的城市网络中，通常不可能 同时将所有道路设置成绿波，在交通密度较大的情形下，绿波会导致拥挤以及在 交叉口的阻塞。而且当一列车队恰好在清车时间后到达交叉口，反而会导致负面 效应。 面控方式：又称为区域协调控制或在线网络控制，系统的控制对象是城市或 某个区域中所有交叉口的交通信号。面控方式是线控方式的扩展。总的目标是使 得区域内的各个车辆在通过区域所产生的总损失最小。面控系统适用于城市中若 干道路相互交错的路网结构。面控系统也有两种控制方式，一种是离线优化在线 控制，一种是在线优化在线控制 12 , 2 3 , 3 5 , 3 6 】。 1 4 交通信号控制的发展方向 城市街道网络上的交通容量的不断增加，表明车辆对道路容量的要求仍然很 山东师范大学硕士学位论文 高，短期内还不可能改善。因此需要在道路交通控制方面进行更深刻的研究。从 目前的发展趋势来看，城市交通信号控制研究主要集中在以下三个方面： 人工智能( a i ) 在城市交通信号控制问题中的应用有利于提高当前交通信号 控制系统的性能。越来越多的人们开始把注意力集中在人工智能技术应用于交通 工程问题上。城市交通信号控制系统在操作方面分为三个重要阶段，即交通数据 采集、数据分析与处理、判断与控制。从数据采集和处理，到确定最好的控制动 作，以及动作的实施，关键是全面提高信息决策过程的质量。这些都和相当多的 专门知识相关，在很大程度上涉及相关的规章制度，并且受眼与现实中的实际约 束。从上述问题来看，用a i 途径来提高相应的基本职能是可能的。难题集中于 。精确交通信号方案选择体系。 利用离散时间、滚动区域法研究交通信号控制系统。滚动区域法利用最近检 测到的数据，对系统现行状态进行评估，为滚动区域的持续时问内搜寻一种优化 信号控制方案。滚动的时间应该足够长，时间分为两个部分，前一段时间执行滚 动区域法的优化方案。在最后一段时问内，以最终代价函数的形式验证滚动区域 法基础上优化的信号方案。若满足要求，则继续执行该方案，否则停止执行，重 新优化 1 , 1 2 , 3 1 , 3 5 , 3 7 】。 山东师范大学硕士学位论文 第二章a g e n t 技术的发展及应用 多a g e n t 系统是当今人工智能中的前沿学科，是分布式人工智能研究的一个 重要分支，其目标是将大的复杂系统经过分割，建造成小的、彼此相互通信及协 调的、易于管理的系统。多a g e n t 的研究涉及a g e n t 的知识、目标、技能、规划 以及如何使a g e n t 协调行动解决问题等。多a g e n t 系统的应用研究开始于2 0 世 纪8 0 年代中期，近几年呈明显增长的趋势。多a g e n t 技术已成为当今人工智能 研究的热点之一。 2 1a g e n t 的概念和特征口5 ”1 a g e n t 的概念出现于2 0 世界7 0 年代的人工智能中，8 0 年代后期成长起来。 虽然a g e n t 的使用日趋广泛，但是对于a g e m 的定义，一直没有个统一的定义 形式。但是，大家对a g e m 的一般特征有着共同的认识。那就是，a g e n t 一般具有 自主性、交互性、反应性和主动性的特征： l 、自主性：a g e n t 具有属于其自身的计算资源和局限于自身行为控制的机 制，能在无外界直接操纵的情况下，根据其内部状态和感知到的( 外部) 的环境 信息，决定和控制自身的行为； 2 、交互性：能与其他a g e m 进行多种形式的交互，能有效地与其他a g e n t 协同工作； 3 、反应性：能感知所处的环境，并对相关事件做出适时反应； 4 、主动性：能遵循承诺采取主动行动，表现出面向目标的行为。 不少学者称具有上述特征l 3 的实体称为反应式a g e m 。有些对a g e n t 赋予 了更多拟人化的要求。 般来说，多a g e n t 系统中一个自主的a g e m 应具有如下基本能力： 1 、感知能力：一个a g e n t 必须具有感知周围环境变化的能力，这样才能在 变化的环境中保持决策的正确性以及具有适应性。 2 、通信能力：a g e n t 具有与其它a g e m 通信的能力。这样才能相互协作，共 同完成作业任务。 3 、行动及控制能力：a g e n t 对环境应该有作用和控制能力。 4 、推理能力：a g e n t 必须对自身的活动以及其它a g e n t 的活动做出判断和推 理，以决定活动的有效性及做出下一步的行动规划。 山东师范大学碱上学位论文 这些特征正是复杂的交通信号控制系统所需要的。 2 2a g e n t 的模型和结构”2 _ 矧 由于a g e n t 模型结构是a g e n t 技术的基础，凶此，关 二a g e n t 模型结构 的研究是目前主要的研究领域之一。对于a g e n t 的模型构成，存在着各种不同 的观点。一般认为一个a g e n t 应包括感应器、决策控制器、精神状态、知识库、 通信器等几部分组成口。 在这方面，b a r t m a l l 的b d i 模型( 图2 一1 ) 是一种被普遍接受的a g e n t 的 理论基础，从哲学上对人的行为意图进行了深入的研究，认为只有保持信念 ( b e l i e f ) 、愿望( d e s i r e ) 和意图( i n t e n t i o n ) 的理性平衡才能有效地解决问题。 他认为在开放世界中，理性a g e n t 的行为不能直接由信念与愿望以及由这两者 组成的规划所驱动，在愿望与规划之问应有一个基于信念的意图存在。一个理性 a g e n t 的行为是受制于意图的。a g e n t 不会毫无理由地随意改变自己的意图，也 不会坚持不合实际的意图。 图2 1b d i 模型示意图 另外一些学者将a g e n t 模型认为由h e a d 、b o d y 、c o m m u n i c a t o r 组成的实体， h e a d 是控制的决策部分，b o d y 是a g e n t 所具有的功能或能力，c o n u n u n i c a t o r 是与 外界进行联系的通道。对于单个a g e n t ，都具有自己的不完整数据库、智能系统、 处理单元、执行机构以及对外通讯接口，如图2 2 。 图2 - 2单a g e n t 结构示意图 山东师范大学硕士学位论文 m a s ( m u l t i a g e n ts y s t e m ) 的体系结构是指多a g e n t 系统中a g e n t 间的 信息关系和控制关系，以及问题求解能力的分布模式，它是结构和控制的有机结 合，是提供a g e n t 活动和交互的框架。它描述了组成a g e n t 的基本成分及其作 用，以及各个成分之间的联系及交互机制等，m a s 的体系结构大致可分为三类： 1 、审慎式体系结构( d e l i b e r a t i v ea r c h i t e c t u r e ) 该体系结构的特点是a g e n t 中包含了显式表示的世界符号模型，a g e n t 的 决策是通过基于模板匹配和符合操作的逻辑推理做出的，如同人们通过深思熟 虑、精心推敲后作出决策一样，因此称为审慎式体系结构。该体系结构在d a i 中占主导地位； 2 、反应式体系结构( r e a c t i v e a r c h i t e c t u r e ) 其特点是a g e n t 中包含了感知内外部状态变化的感知器，一组对相关事件 做出反应的过程，和一个依据感知器信息激活某过程执行的控制系统。a g e n t 的 行动是由于受到某种刺激而引发的，因此被称为反应式体系结构。该体系结构在 目前主流分布式体系中占主导地位； 3 、混合式体系结构( h y b r i da r c h i t e c t u r e ) 其特点是a g e n t 中包含了审慎式和反应式两种结构框架，而且是分层组织 的，前者建立在后者的基础之上。 2 3a g e n t 间的协作 多a g e n t 协调、协作与协商问题是d a i ( d i s t r i b u t e da r t i f i c i a ls y s t e m ) 研 究的核心问题之一： 多a g e n t 协调( m u l t i a g e n t c o o r d i n a t i o n ) 是指具有不同目标的多个a g e n t 对其目标、资源等进行合理安排，以协调各自行为，最大限度地实现各自目标； 多a g e n t 协作( 多a g e n tc o l l a b o r a t i o n ) 是指多个a g e n t 通过协调各自行 为，合作完成共同目标； 多a g e n t 协商( 多a g e n tn e g o t i a t i o n ) 是指多个a g e n t 借助通信，交换各 自目标，直到多a g e n t 的目标一致或不能达成协议。 对于a g e n t 协作的类型，按照a g e n t 相互依赖的关系，问题求解的协作类型 分成以下四类： 水平协作：分两种情形，( 1 ) 协作团体中的每一个a g e n t 都不具有求解全局 山东帅范大学硕士学位论文 问题的能力，问题的解决需要多a g e n t 协作完成；( 2 ) 在协作团体中的每一个a g e n t 都能独立解决问题，但是如果a g e n t 能相互作用就能够大大提高解的可信度。 树型协作：高一级的a g e n t 依据低级的a g e n t 的结果做出解决问题的最后 的结论。 循环协作：为了求得问题的解，不同的a g e n t 间相互依赖，往复协作。 混杂协作：即整个系统在某些级上用水平协作而在整体上又是树型协作或循 环协作类型，或整体上采用水平协作而局部则采用树型或循环协作类型。 对于a g e n t 协作的形式从一定意义上说就是分布式控制的形式，目前主要的 协作形式可分为任务公担( t a s ks h a r i n g ) 和结果共享( r e s u l ts h a r i n g ) 。任务公担 指的是多a g e n t 相互协作，分担各子任务的计算负荷，而且当一个a g e n t 的任务 太重无法完成时，它可以将任务分解，让其它a g e n t 承担并完成，其形式如图2 3 所示。这种形式下的控制是目标驱动( g o a ld r i v e n ) 的。结果共享是指a g e n t 相 互传递并共同利用根据不同观点所得出的有关总体问题的部分结果，其形式如图 2 - 4 所示。这种形式下的控制是数据驱动( d a t ad r i v e n ) 的【2 2 # “。 请求者接收者 图2 3 任务公担形式示意图 山东师范大学硕士学位论文 信息产生者 信息接收者 图2 4 结果共享形式示意图 2 4a g e n t 在交通控制中的应用 由于交通控制拓扑结构的分布式特性，使其很适合于应用多a g e n t 技术，尤 其对于具有剧烈变化的交通情况( 如交通事故) ，多a g e n t 的分布式处理和协调技 术更为适合。以城市交通控制系统为例，b u r m e i s t e r 等提出了未来汽车多a g e n t 联运系统：g o l d m a n 等提出采用增量相互学习方法来协调交叉路口的两个控制 器；f i n d l e r 给出了交通网络的分级结构；a d o r n i 等给出了汽车行驶路径规划的 方法。多a g e n t 技术应用于其它交通控制系统，主要有空中交通控甫i j ( a t c ) 、铁 路交通控制o 玎c ) 和海洋交通控制0 讧t c ) 。以汽车行驶路径规划为例，g i o v a n n i 等 提出一个分布式路径指导多a g e n t 系统，该系统利用多a g e n t 的协调技术，将交 通图知识库中的信息与路径边界搜索算法相结合，建立一个局部世界描述机制， 通过无线电获取信息，激活系统重新规划路径，并提出一个获得最短路径的规划 算法，从而产生汽车行驶的最佳轨迹。系统向驾驶员提供行驶建议，避免了汽车 在行驶中发生冲突他”3 朝。 山东师范大学颁士学位论文 第三章交通信号控制的基本参数和评价指标 解决交通路口的交通流冲突可以从两个方面进行考虑，一是从空间上将相互 冲突的车流分开，如修建立交桥、专用车道、行人过街天桥：_ 二是从时问上将相 互冲突的车流量分开，就是要设置交通信号灯及控制机，通过对信号灯的配时与 配色给不同时刻、不同交通需求予以不同的通行权，将相互冲突的车流分离开， 到达疏散交通流、减少交通拥挤与阻塞、减少交通事故的目的。 交通信号控制模型是用数学函数表达式来描述交通性能指标随交通控制信 号变量变化的表达式。交通信号控制模型是交通工程学科最早研究的内容之一， 也是交通工程学科赖以生存和发展的基础。交通信号控制理论的研究还n i l ! 日q 起 步，没有形成完整的体系，有许多理论在探讨各种交通现象。下面介绍一些涉及 交通信号控制的概念。 3 1 单交叉口信号控制的基本参数及评价指标3 3 】 一个信号化的单交叉口，它的信号配时方案包括两个方面的内容：确定相位 信号方案和信号控制基本参数。无论是定周期控制还是感应式控制，都需要根据 交叉口的几何特性、交通状况进行信号相位方案的选择和信号配时参数的确定， 信号相位方案及配时参数的合理与否决定了信号控制效果的优劣。 周期时长：周期时长是信号灯各种灯色轮流显示一次所需的时间，也即各种 灯色显示时间之和，是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数。一般用c 表示，单位为秒( s ) 。一般信号灯的最短周期时长不少于3 6 秒，否则就不能保 证几个方向的车辆顺利通过交叉口。最长周期时长一般不超过1 2 0 秒( 有些地段 可以适当延长) ，否则可能引起等待司机的烦躁或误以为灯色控制失灵。从疏散 的角度来看，显然当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周期内到达的车辆 不能在该周期的绿灯时问内通过交叉口，就会发生堵塞现象。从减少车辆等待时 间的角度来看，太短则发生堵车现象，太长，会导致某些方向车流等待时间延长。 绿信比：绿信比是一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比，一般用旯 表示。兄= 堡，式中 为绿信比，g 。为有效绿灯时长，c 为周期时长。绿信比 l 的大小对于疏散交通流和减少路口总等待时间有着举足轻重的作用。通过合理地 分配各车流方向的绿灯时问( 绿信比) ，可使各方向上的停车次数、等待时间相 山东师范大学硕上学位论文 应减少。 交通流量：交通流量是单位时间内通过某一位置的车辆数，用q 表示，一般 来说，交通流量是时间和位置的函数，可表示为q ( x ，t ) ，对于单交叉口而言，交 通流量就是单位时间内通过进口车道停止线的车辆数量。 交通密度：交通密度为每车道单位长度道路上拥有的车辆数，用k 表示。一 般来说，交通密度是时间和位置的函数，可表示为k ( x ，t ) 车流速度：车流速度指区间平均速度，即在某一瞬间行驶于道路某一特定长 度内的全部车辆的车速分布的平均值，用v 表示。在交通理论中，g = k v 。 自由行车速度：自由行车速度指车流密度趋于零时车辆可以畅行无阻地行驶 的速度。一般表示道路上车速极限。 占有率( 车辆占有率) ：占有率是一路段内车辆占有道路长度的总和与道路 长度之比。通常用时间占有率代替。即在一个周期时间内车辆通过车辆监测器而 t 。 得到的脉冲信号宽度总和与周期时长之比，用d 表示。0 = _ ，其中t 。为第f 辆 l 车通过车辆监测器的脉冲宽度。 进口道饱和流量：进口道饱和流量是指在一次连续的绿灯时间内，交叉口进 口道上车队能够连续通过停车线的折算为当量小车的最多车辆数，用s 表示。 流量比：流量比又称饱和度，是进口车道实际到达流量与饱和流量之比。车 道流量比即为进口道上各条车道到达的流量q 同该车道饱和流量5 之比。即 y ：里。当在一个相位中具有多个车流同时运行时，应取各个车流中最大的y 值 s 作为该相位的y 值。 通行能力：在信号控制交叉口，车辆只能在有效绿灯时间内通过停车线，因 此信号控制交叉口一f l u 进r 道上的通行能力为：c 。= ! 导= 如。 交通效益的评价指标一般有以下几个：通行能力或饱和度、行程时间、延误、 停车率等等。在一定的道路条件下，信号控制交叉口的通行能力受信号周期时长 的影响。在正常的周期时长范围内，周期时长越长，通行能力越大，但车辆延误 山东师范大学硕士学位论文 等也随之增