（交通信息工程及控制专业论文）基于MultiAgent的分布式高速公路交通智能控制结构研究.pdf

摘要 随着现代中国经济的快速发展，交通需求量急剧膨胀，交通拥挤 已经成为一个严重影响人们生活和社会经济发展的问题。解决此类问 题有二种途径：是扩大交通供给：二是进行交通智能化控制。 建设高速公路是解决交通拥挤的一个重要途径。高速公路相对于 普通公路而言，具有快速、高效、舒适、方便、安全等特征。但往往 也满足不了更为巨大的交通需求增长，同时也存在交通拥挤、交通安 全和环境污染等问题。随着智能运输系统( i t s ) 的兴起，智能的交通控 制和管理逐渐成为解决高速公路运行问题的主要途径。 高速公路交通控制系统是一个非线性分布的动态复杂系统。要有 效解决高速公路的交通拥挤与堵塞问题，必须研究入口匝道控制、主 线控制、通道控制和路由控制等的分布式组织问题。论文以a g e n t 作为各级智能控制器，建立了分布式高速公路交通智能控制结构 m a s 模型，探讨了m a s 中主体的结构模型、a g e n t 的构建以及a g e n t 的通信与协调机制，为建立高速公路交通智能控制参考模型提供新的 理论指导和方法依据。这种分布式协调智能控制具有良好的鲁棒性、 高度的灵活性、显著的实时性和强大的适应性等特点，因而更好地适 应了高速公路中的复杂性和不确定性。此外，研究了a g e n t 之间的通 信和协调机制，提出了一种具有全局控制的多层次协作结构。 关键词高速公路，智能控制，分布式，协商，合同网 a b s t r a c t w i t ht h ef a c tt h a tt h em o d e r nc h i n e s ee c o n o m y d e v e l o p sf l e e t n e s s ， t r a f f i cn e e da m o u n t se x p a n dr a p i d l y , t r a f f i c j a ma l r e a d yb e c o m e sa g r a v e l y p r o b l e mw h i c ha f f e c t e dp e o p l el i f ea n ds o c i e t ye c o n o m i cg r o w t h r e s o l v e t h i sp r o b l e mh a st w ok i n d sa p p r o a c h ：t h ef i r s ti se x p a n d i n gt r a f f i cs u p p l i e s ； t h es e c o n di st oc a r r yo u tt r a f f i ci n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r 0 1 b u i l da ne x p r e s sh i g h w a yi sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ht or e s o l v et r a f f i c j a m b u te x p r e s sh i g h w a yr e l a t i v et oa v e r a g eh i g h w a y , w h i c hh a ds o m e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sf l e e t n e s s , h i g h - e f f e c t , c o m f o r t a b l e ，c o n v e n i e n ta n d s a f e t y b u ta l s oh a r dt os a t i s f yw i t ht h a tg i g a n t i ct r a f f i cn e e db yi n c r e a s e s ， w h i l ei sa l s oe x i s t e n c et h et r a f i l ei a m ，t r a f f i cs a f e t ya n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n w i t ht h ef a c tt h a ti n t e l l i g e n c et r a n s p o r t ss y s t e m a t i c ( i t s ) b e i n g o nt h er i s e ，t h ei n t e l l i g e n c et r a f f i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n t b e c o m i n gt h e m a i na p p r o a c ht or e s o l v i n gt h ee x p r e s sh i g h w a y o p e r a t i o np r o b l e m f r e e w a yt r a f f i cc o n t r o ls y s t e mi sad i s t r i b u t e d ，n o n l i n e a r , d y n a m i c s a n dc o m p l e xs y s t e m t h ed i s t r i b u t e d o r g a n i z ep r o b l e mo fe n t r a n c eo n r a m pc o n t r o l ，m a i n l i n ec o n t r o l ，c o o r i d o rc o n t r o la n dr o u t ec o n t r o lm u s tb e s t u d i e di no r d e rt os o l v et r a f f i cj a mo ff r e e w a ye f f e c t i v e l y t h i sa r t i c l eh a d p r e s e n t e das t r u c t u r a lm o d e lf o rt h ed i s t r i b u t e df r e e w a yt r a 伍ci n t e l l i g e n t c o n t r o lb a s e do nm u l t i a g e n ts y s t e m ，t h em o d e lt a k i n g a g e n t sa si n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r so ft h ed i s t r i b u t e dh i e r a r c h i c a lc o n t r o l s y s t e m t h ea g e n t c o n s t r u c t i o nm o d e l ，c r e a t e ，c o m m u n i c a t ea n dm e c h a n i s mc o n s u l t i n gw e r e s t u d i e d t h es t u d i e dp r o v i d e san e wt h e o r ya n dm e t h o da g u i d ef o r r e f e r e n c em o d e lf o rf r e e w a yt r a f f i ci n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 t h i sd i s t r i b u t e da n d c o o r d i n a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o lh a v ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sg o o ds t a b i l i t y 、 r e m a r k a b l et i m e l i n e s s 、h i g hf l e x i b i l i t ya n db i ga d a p t a b i l i 够a n ds oo n , t h u s i tf i t st h ec o m p l e x i t ya n du n c e r t a i n t yo ff r e e w a yb e t t e r b e s i d e s ，s t u d i e d t h ec o m m u n i c a t i o na n dc o n s u l t a t i o nm e c h a n i s mb e t w e e na g e n t ，s u g g e s t e d o n em u l t i e c h e l o n s c o o p e r a t es t r u c t u r e w h i c hh a do v e r a l ls i t u a t i o n c o n t r 0 1 k e yw o r d sf r e e w a y , i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，d i s t r i b u t e d ，c o n s u l t ，c o n t r a c tn e t p r o t o c o l i i 原创性声明 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 作及取得的成果。尽我所知，除论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 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献已在论文的致谢语中作了明确的说明。 作者签名：趔堑一日期：2 写五年月拍 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：注墨导 ：掣年月鳜 亟兰氲逾塞筮二童绪途 第一章绪论 1 1 前言 交通运输是当今经济和社会发展的重要环节。随着现代中国经济的快速发展， 交通需求量急剧膨胀，交通拥挤已经成为一个严重影响人们生活和社会经济发展 的问题。利用先进的信息技术、计算机技术、数据通信技术、人工智能技术建立 智能运输系统( 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 ，简称i t s ) 是未来交通领域研究的 重点和热点。 a g e n t 技术是当前人工智钱颁域内的最新研究成果，将a g e n t 技术应用到智 能交通领域将为解决智能交通系统这样复杂的大系统问题提供新的思路和重要 的技术手段。a g e n t 理论将问题域看作由一系列具有自主能力、社会能力的实体 ( a g e n t ) 所组成的社会。每个a g e n t 都具有本地的知识库和解决本地问题的推理 能力，同时也具有和别的a g e n t 相互协调的能力。把智能有限的单个a g e n t 组织 起来，弥补各个a g e n t 的不足，从而实现整体能力的提高，就是m u l t i - a g e n t 系统。 本文根据m u l t i a g e n t 的技术特性。分析了m u l t i a g e n t 技术在高速公路交通 智能控制中的应用：高速公路交通智能控制结构。 1 2 交通问题现状及解决问题的途径 交通是现代社会的基础。是人类社会经济的命脉，人们的社会行为与交通息 息相关。然而随着经济的不断发展，汽车这一工业文明产物数量的增多。交通拥挤 已经成为全球面l 晦的共同问题。至2 0 0 5 年末，全世界汽车保有量达到8 亿辆，平 均每8 人就拥有一辆汽车，出行难已成为困扰人类社会的首要问题。 在国外，特别是西方国家，由于经济发展的较快，早在6 0 年代，交通问题便日 渐突出。我国，由于经济发展相对较晚，汽车拥有量也相对较少，在改革开放前及 初期，这一问题并不严重，但随着我国经济飞速的发展，机动车辆的增多，在8 0 年 代中期，特别是进入9 0 年代以来，我国的交通状况日渐恶化，交通拥挤日益严重， 特别是在一些大中城市，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造成了巨大的经济损失。美国德州运输研究所对 美国3 9 个主要城市的研究，估计美国每年因交通阻塞造成的经济损失约为4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年的损失均超过1 0 亿美元：由于交通阻塞，日本东京的 专业运输成本1 9 8 5 年与1 9 8 0 年相比，年度成本增加8 4 2 亿日元：而欧洲每年因交 通事故、交通拥挤造成的经济损失分别5 0 0 亿欧元和5 0 0 0 亿欧元。 国内，交通拥挤也同样造成了相当严重的损失。以北京市为例，交通问题已成 亟堂缱j 金塞 簋= 童绪论 为影响城市正常功能发挥和城市可持续发展的一个全局性问题。1 9 9 6 年，全市共 发生交通拥挤阻塞1 6 7 9 8 起：市区严重阻塞的路口、路段从1 9 9 4 年的3 6 处猛增 至9 9 处，城市主要道路的平均负荷度高达9 5 以上，由此造成市区主要干道的车 速降至1 2 k m h ，个别路段时速只有7 - 8 k m h 。 交通拥挤的加剧，不仅造成巨额的经济损失，发展严重甚至导致城市功能的 瘫痪。交通拥挤不仅使交通延误增大，行车速度降低，带来时间损失；而且低速行 驶增加耗油量，导致燃料费用增加、能源的消耗；汽车尾气排放增加而造成环境质 量恶化。据科学家测定，大气中所含一氧化碳的7 5 、碳氢化合物和氮氧化合物 的5 0 来源于汽车的排放。据统计。1 ，北京市仅来自汽车排放的尾气中的一氧化 碳、碳氢化合物、氮氧化合物分别占大气污染物的6 3 、7 3 和2 2 ，是北京市 大气中的主要污染源。因交通问题而引起的环境问题同样已成为人类社会的公害 之一。此外，交通拥挤使交通事故增多，而交通事故的发生又造成交通拥挤加剧， 从而形成恶性循环。 建设高速公路是解决城市交通拥挤的一个途径。高速公路相对于普通公路而 言，其具有快速、高效、舒适、方便、安全等特征，同时也带来了巨大的经济和社 会效益，服务水平大大提高。但高速公路所提供的交通容量往往满足不了更为巨 大的交通需求增长，这就造成了许多严重的问题。因而，高速公路在运行中始终存 在着交通拥挤、交通安全和环境污染等问题。 l 、交通拥挤 交通拥挤是指交通需求( 一定时间内想要通过道路的车辆数) 超过某道路的 交通容量时，超过部分的交通滞留在道路的交通现象。交通拥挤的根本原因是交 通供求关系不平衡，在造成交通拥挤的许多需求因素中，大部分可归纳为二类： ( 1 ) 常发性的过大交通需求：( 2 ) 偶发性暂时通行能力降低，如发生交通事故或进 行公路养护等。与之相对应，交通拥挤可分为常发性交通拥挤和偶发性交通拥 挤。常发性交通拥挤是指在某些特定时期经常发生的交通拥挤现象，主要用来描 述在某些特定时期经常发生的交通拥挤现象，引起常发性交通拥挤最普遍的原因 是过大的交通需求，即交通需求超过高速公路的设计通行能力，就会发展成为运 行上的瓶颈。如图1 1 所示。 图l - 1交通需求，通行能力和延误之间的关系 2 题堂熊监塞 蕉= 童缕监 由图l l 可知，在一段高速公路上只要交通需求小于或等于这段高速公路的 通行能力，就不会发生交通拥挤。如果路段上的车流量开始超过通行能力时( 即时 间为时的交通流量) ，交通即开始拥挤，车辆开始在上游聚积，直到所有聚积的 延误车辆通过瓶颈后才恢复自由交通流运行。事实上，一个城市的交通堵塞和拥 挤往往是一种“瓶颈效应”。郎堵塞或拥挤首先发生在某些交叉口或某些路段， 由于这些交叉口或路段的“多米诺”效应( 即车队上溯到上游交叉口而导致上游 交叉口堵塞) 导致由点到线到面的交通堵塞。实际上，通常这类交通拥挤出现的地 点和时间均能完全准确地加以预测。交通管理常采取控制交通需求或者提高通行 能力等措施减少拥挤发生的机率。另外一种引起常发性交通拥挤的原因是由于道 路几何上的缺陷( 例如：在直行车道末端出现“车道减少”等) 造成的通行能力降 低。这些称为几何瓶颈路段的通行能力低于高速公路邻近路段的通行能力。当瓶 颈上流的交通需求超过瓶颈路段的通行能力时，就产生交通拥挤并在高速公路上 游车道形成排队现象。 偶发性交通拥挤是指由于诸如事故或其它特殊事件等随机事件造成道路实 际通行能力下降两引起的交通掇挤现象。引起高速公路偶发性拥挤的原因主要分 为两类：运行因素和几何因素。与拥挤有关的运行因素有：( 1 ) 交通需求超过容量： 拥挤是供应和需求关系的一种直接结果，交通量过大的高速公路必将发生拥挤。 ( 2 ) 不受限制的入口匝道：高速公路的瓶颈和伴随出现的拥挤经常是由于入口匝 道不受限制的结果。在这种情况下，匝道上的车辆，加入高速公路上的交通流时， 将产生超过容量的需求，在高速公路主线上产生交通拥挤，并导致瓶颈上游车辆 出现排队现象。( 3 ) 出口匝道排队：高速公路主线上的拥挤，有时是由于出口匝道 车辆排队引起的。当出口匝道上的需求超过了能处理通过汇合区交通的能力或超 过了匝道下流的一个交叉路口通过交通的能力，或者匝道本身缺乏存贮停车的能 力时，最终的结果是车队一直排到高速公路上，引起主线拥挤。( 4 ) 收费站收费： 高速公路主线上或匝道上拥挤经常由于收取过路费，车辆在收费站停下来交费引 起的。 2 、交通安全 高速公路存在的第二大问题就是交通安全问题。导致交通事故的因素很多， 它们包括：驾驶员的判断错误、车辆故障、交通流的相互作用、驾驶员不熟悉高 速公路驾驶方法、险恶的气候条件和公路的几何特征等等。而交通量的增大，特 别是交通拥挤现象的出现，也将引起事故的增加：反过来，交通事故的发生又会大 大加剧交通拥挤状况。研究表明拥挤是造成交通事故的重要因素。 3 、其它问题 高速公路在运行中还会引起环境问题，即空气污染和交通噪声。空气污染是 亟堂焦j 金塞筮二童缝论 由于机动车的燃料在其燃烧过程中排出废气所引起的，主要由于道路的几何设 计、车辆本身设计等原因所产生。但有关研究表明交通运行状态也对环境的影响 很大。统计数据显示，汽车启动、制动时排出的废气量是匀速行驶的7 倍或更多， 而高速公路的交通拥挤和停车收费必将引起汽车的频繁的启动、加速和制动，从 而造成严重的空气污染。同样研究表明，交通噪声也与交通运行状况有着密切的 关系。车流量与噪声的关系其总的趋势是随着车流量的增加而增加：当车流量增 加到2 0 0 0 辆h 以后噪声峰值基本不增加。此外，频繁加速行驶的地段比匀速行驶 的地段噪声高。因而在拥挤状态下，噪声污染会因车辆的加减速、车辆密度的增 加而加剧。能源消耗也高度依赖公路运输系统的运行状况，它主要反映在车辆作 加减速运动时消耗更多的能量。因此，在交通拥挤情况下，车辆不得不频繁地加减 速和启动、制动，能源的消耗很大。 几十年来，尽管世界各国采取了各种各样的对策，但城市交通问题一直没有 得到很好的解决。在长期的实践中，人们逐渐认识到，仅仅依靠单纯的修建道路无 法满足日益增长的交通压力，特别是在交通问题比较严重的市区，由于建筑格局 已经固定，进行大的道路建设往往是不可能的，在这种情况下，利用现代化的计算 机、通信、控制等手段解决交通问题成为必然的选择。 从上一节的分析可知，高速公路运行中面临的主要问题就是交通拥挤。交通 拥挤造成旅行时间无法预测、运行成本增加、事故率提高、能源浪费和环境污染 加剧等不良的影响，从而形成巨大经济损失。因而如何避免拥挤或减轻拥挤造成 的影响，保持高速公路高速、安全，舒适和高效的特性，不仅是发达国家也是我国 高速运营中要解决的主要问题。 解决此类问题有二种途径：一是通过几何改善和路网建设来改善瓶颈路段的 通行能力，从而扩大交通供给。其基本解决方法是通过路面和路肩的重新划分或 通过整个横断面的改建来增加车道，在原有的线路上附加支线。例如在美国，前后 共花了3 0 年修建和改造州际高速公路网。此种方法费用较高，且受资源和环境的 制约。第二种途径是对现有的高速公路进行交通控制和管理，从而达到减缓交通 拥挤和提高通行能力的目的。此方法经济有效、不受资源和环境的制约，且随着 智能运输系统( i t s ) 的兴起，智能的交通控制和管理逐渐成为解决高速公路运行 问题的主要途径。 1 3 智能运输系统的研究与发展 进入二十世纪八十年代下半叶以来，伴随城市化进程的加快和汽车的普及， 交通拥挤现象闩益严重，交通事故发生率急剧上升，交通环境日趋恶化，交通能源 问题同渐突出，交通问题成为困扰世界各国的普遍性难题。人们对交通系统的规 4 亟望建论窑玺= 童鳖监 模复杂性和开放性特征有了更深一层的认识，并开始意识到，单独从车或路单方 面考虑很难从根本上解决问题。在这种背景下，从系统的观点出发，把车和路综合 一起考虑，运用各种现代高新技术系统解决道路交通问题的思想就应运而生，这 就是智能运输系统( 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 ，i t s ) 。 i t s 是将先进的信息技术，数据通讯传输技术、电子控制技术以及计算机技 术、网络技术等高新技术有效地运用于整个运输管理体系，使人、车、路密切地 配合、和谐地统一，从而建立起的一种在大范围、全方位发挥作用的实时、准确、 高效的运输综合管理系统嘲。 本世纪6 0 年代末期，美国就开始了智能运输系统方面的研究，随后，欧洲、日 本等也相继加入这一彳亍列。目前，另於一些屋家和地区的z t s 研究也有相当规模， 如澳大利亚，韩国、新加坡、香港等。可以说，全球正在形成一个新的i t s 产业， 难以计数的大小项目在开展，发展规模和速度惊人，以“保障安全、提高效率、改 善环境、节约能源”为目标的【t s 概念正逐步在全球形成。 智能运输系统的主要内容如图1 2 所示“。 智能运输系统 ( v f s ) 厂石手砭贾系磊 曼! 璺曼鱼塑堑! 曼丛z ! 堡堡! 通过v 1 c s 蛮时收集和提供道 路变通信息 实施不停车公路通行费自动 征收 通过给出警告支持驾驶员_ c 作并通 j 生a h s ，实施自动驾驶 优化公共交通的信号时问并 给出最佳路线诱导 特殊车辆的运行控制 规划公共交通时间并提供其 相天信息 收集和提供赁车的运营状况， 提供配载和运送信息 指引或带领视觉障碍者选择 敏优路线当发生灾害时发 出撤堪桁令为步彳亍者提供线 路指引和在l 临近区域中i 殳簧 可利用设施 灾害发生时。受灾情况传送以 及派遣救灾车辆 图卜2 智能运输系统主要内容 1 9 9 3 年，美国开始进行国家体系框架( n a t i o n a la r c h i t e c t u r e ) 项目的研究，并于 1 9 9 6 年5 月完成第一版，1 9 9 7 年发布第二版n a t i o n a la r c h i t e c t u r e 2 0 。目前n a t b n a l a r c h i t e c t u r e 3 0 2 版己经发布。 美国采用了面向过程的方法，来构建i t s 体系框架，对系统的功能进行分解描 述，并采用数据流程图和系统结构图表示逻辑模型和物理模型。如图1 - 3 。 5 婴圈溺图蕊鞠 亟堂焦监銮签= 童鳖淦 ( 1 ) 首先对用户进行需求调查，分析并确定用户服务和用户予服务： ( 2 ) 对各项用户服务进行功能需求分析，在此基础上，设计系统的功能( 过程) 来组织确定数据流： ( 3 ) 组合功能，设计子系统，并根据功能组合，将相应的数据流集成为物理框 架流，建立物理模型。 图卜3 美国i t s 系统框架结构图 目前，美国i t s 体系框架定义了如下七个方面的用户服务，用户服务的内容还 将不断增加和完善，如添加道路智能管理、行人支持等。 出行和交通管理 公共交通管理 电子支付 商用车辆运营 应急管理 先进的车辆安全运营 信息管理 美国的i t s 体系框架研究提倡i t s 在整个国家范围内的协调统一，包括地理上 的协调，不同用户服务之间的协调和为标准提供一致的协议。在i t s 体系框架构建 的基础上，通过对熟悉市场行情的i t s 产品买方和卖方的调查，为i t s 提供产品标 准，减小产品供应商的风险，推动i t s 市场的发展：除了用于分析标准要求外，i t s 体系框架还将被用来制定i t s 实旌的战略计划“”。 日本政府在1 9 9 5 年6 月通过了“推进高度信息社会的基本方针”，阐明日本将 于2 0 0 0 年完成先进通信设施初步建设的意图，以及在2 0 1 0 年建成覆盖全国的光纤 通信网。同年8 月，日本政府己提出了“在道路，交通和车辆中增加通信技术的使 用”的基本措施，在交通领域使用最新的通信技术把道路与车辆相结合成一个先 进的道路运输系统，以提高安全、高效率和舒适性，并改善环境，为人服务。 日本采用了面向对象的建模技术，来建立i t s 体系的逻辑框架与物理框架。但 对于用户需求，没有采用面向对象模型来分析。如图1 - 4 。 ( 1 ) 用户服务的定义与美国一样，对用户进行需求调查，然后分析并确定用户 服务和用户子服务，也是采用文字来描述用户服务： 6 亟堂鱼论窑 筮= 室缕途 ( 2 ) 对各项用户服务进行功能需求分析，归纳整理实现系统功能所需处理的 信息，设计信息类并建立信息模型，在此基础上，设计控制类，将功能与功能所处 理的信息封装成类，用以实现信息收集、信息交换以及信息处理等功能，按照用户 子服务分别建立控制模型，表示控制类与信息类之间的信息交换： ( 3 1 根据控制模型，设计实现用户子服务的子系统以及这些子系统之间的接 口，建立物理模型。 图1 4日本i t s 系统框架结构图 目前，日本的i t s 体系框架最初制定了9 个方面用户服务。 先进导航系统 电子收费系统 安全驾驶支付 交通管理最优化 道路管理效率化 公共交通支持 商用车辆运营效率化 行人支持 紧急车辆运行支持 日本在体系框架方面的研究主张：高效的发展一个完整的智能运输系统，保证 各子系统之间协同合作，并通过系统之间的协调统一，方便系统的扩展；帮助发展 国家的i t s 标准和国际的i t s 标准“”。 欧洲国家的智能运输系统研究是通过实施两项相互推动促进韵研究计划展 开的。r 1 ) d r i v e ( d e f e a t er o a di n f r a s t r u c t u r ef o rv e h i c l es a f e t yi ne u r o p e ) 计划一注重 于道路基础设施的智能化，以提高交通运行的效率和安全性，并通过改善基础设 施减少对环境的影响：( 2 ) p r o m o t eh e v s ( p r o g r a mf o rae u r o p e a nt r a f f i cw i t h h i g h e s te f f i c i e n c ya n du n p r e c e d e n t e ds a f e t y ) 计划一注重于汽车的智能化研究。 在此基础上，欧洲委员会应用了这些计划的研究成果来建立整个欧洲的系统 框架k a r e n ( k e y s t o n ea r c h i t e c t u r er e q u i r e df o re u r o p e a nn e t w o r k s ) 。这个项目开 始于1 9 9 8 年4 月，由荷兰运输部门领导，参与者包括由其它感兴趣的政府机构和公 司( 如e r t i c o ) 组成的联盟。 7 亟堂僮监塞 筮= 重绪i 盆 欧洲的i t s 体系框架也是采用了面向过程方法来建立的，大致和美国相同，只 是在研究模式上与美国有所区别：美国采取政府统一规划这种自上而下的方式， 不能很好的针对满足用户需求；而欧洲则是各个部门独立研究，自下而上集成，不 利于整体上的协调。 目前，欧洲i t s 体系框架定义制定了7 个方面用户服务。 电子收费系统 紧急事件与安全系统 交通管理系统 辅助驾驶系统 出行帮助与路线导航系统 交通法规执行支持系统 货物与车队管理系统 由于对逻辑框架中功能的不同组合可以建立不同的物理系统，欧洲的i t s 体 系框架提出了“示例系统”的概念，并通过示例系统来表示物理框架“3 1 ”。 其它一些国家和地区，如澳大利亚、韩国、新加坡、香港、芬兰等，i t s 的研 究也有相当规模。全球正在形成一个新的产业，难以计数的大小项目正在开展中， 发展速度和规模惊人，其中澳大利亚的i t s 体系框架比较有代表性。 澳大利亚i t s 系统框架的发展策略是学习和使用其它国家已有的研究成果。 但由于制度上、地理上和文化上的差异，在使用这些成果时更多的是进行调整改 进，而不是直接应用。澳大利亚的i t s 系统框架采用了面向对象方法，通过u m l 用 例模型来对用户需求进行分析。它采用了i s o 标准t r1 4 8 1 3 部分的用户服务定义。 来建立用例模型，再以此为基础分析用户需求，并采用u m l 顺序图进一步分析用 例实现的功能需求“”。 1 9 9 0 年代初，中国学者开始关注国际上的i t s 发展，并且参加了i t s 世界会议 的指导委员会和国际标准化组织的部分工作。尤其是9 5 年之后，i t s 的研究、试验、 国际交流活动日益频繁。1 9 9 8 年交通部正式批准成立了i s o t c 2 0 4 中国委员会， 代表中国参加国际智能运输系统的标准化活动。虽然国内的i t s 研究起步比较晚， 道路在未来的2 0 年内仍然处于建设期，而这一期间正是智能运输系统在全世界进 入全面实施的阶段，但也应该看到我们的起点高，可以在进行道路基础设施建设 的同时发展智能运输系统，并在某些条件较好的地区和领域优先实施，在整体水 平上缩小与美国、日本等国家的差距，为今后的研究工作奠定基础。为促进我国 i t s 快速、健康的发展，“中国智能运输系统( i t s ) 体系框架研究”被列入“九五” 国家科技攻关项目。“十五”期间，国家对智能交通中的多个领域进行科研投入。 8 亟堂鱼途窒筮二熏绪途 我国i t s 框架体系主要集中在如下几个方面：确定我国i t s 的总体需求：提出 我国i t s 的定义和总体的体系框架结构、逻辑结构、物理结构：分析我国i t s 可能 存在的标准问题，确定我国i t s 标准化领域：分析各种运输方式在整个i t s 体系应 起到的作用，确定各种运输方式和管理部门协调工作的方式：我国i t s 的规划和实 施，以及i t s 的经济和技术评估。 目前，我国i t s 体系框架涉及：通用技术平台、通信信息、车辆、运输管理、 交通管理和规划、电子收费( 交易) 、紧急事件和安全、综合运输( 枢纽) 、经济技 术评价9 个领域“”。 1 4 高速公路交通控制系统国内外研究现状 近年来各种智能化的交通控制系统得到了发展。比较典型的智能交通信号控 制系统，其主要控制方法主要有单点定配时多相位信号协调控制、车辆感应实时 自适应协调控制、用户优先无电缆干线协调控制以及实时自适应区域控制等。 由于交通信号控制系统的建设是与城市规划及道路规划休戚相关的，设施建 设及完善有一定的制约，一步到位是不切实际的。因此，智能交通信号控制系统的 管理模式就是集中管理，分级控制，充分利用现有设施。按实际交通现状，一般是 首先实现单个交叉路口的自适应协调，在交通条件允许的情况下进行主干线的协 调控制，实现分布式协调的分级控制，最终达到区域控制的系统最优。 绿信比、周期和相位差优化技术( s p l i tc y c l ea n d o 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 0 0 n 是由英国运输研究所在t r a n s y t 基础上研制的自适应控制系统，上个 世纪9 0 年代s c o o t 系统进行了多次升级。s c o o t 系统有一个灵活、准确的实时 交通模型，不仅用于制订配时方案，还可以提供各种交通信息：s c o o t 采用对下 一周期的交通进行预测的方法，提高了结果的可靠性和有效性；s c o o t 调整参数 时采用频繁的小增量变化，既避免了信号参数突变给路网上车辆带来的延误损失 又可通过频繁的累加变化来适应交通条件的变化：s c o o t 的车辆检测器埋设在 上游路口的出口处，为下游交叉口信号配时预留了充足的时问，且有足够时间做 出反应以预防车队阻塞到上游交叉口。s c o o t 系统存在相位不能自动增减、相 序不能自动改变、饱和流率的校核未自动化等问题，使得现场的安装调试相当繁 琐。 由新南威尔士州道路交通局( r t a ) 研究开发的s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e d a d a p t i v et r a f f i cs y s t e m ) ，是目前世界上少有的几个先进交通控制系统之一。 s c a t s 采用先进的计算机分层递阶、模块化结构形式。s c a t s 系统充分体现了 计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案容易修改。在需要的情况 下，s c a t s 能自动进行子区的分离与结合，也可允许各路口自主实行车辆感应控 9 亟堂焦淦窒筮二童绪论 制。经悉尼市的对比实验表明：s c a t s 与t r a n s y t 相比，在总旅行时间相同的情 况下停车次数明显减少。但s c a t s 实际上是一种方案选择系统，限制了配时参数 的优化程度，s c a t s 选择相位差方案时，无车流实时信息反馈，可靠性低“。 我国近几年也开发出了一些适用于我国交通状况的交通信号控制系统，主要 有上海交通大学的s u a t s 系统。s u a t s 系统是由上海交通大学和上海交警总队 合作开发，作为具有2 0 世纪9 0 年代水平的自适应交通信号控制系统，它是在深入 研究国外先进系统的基础上，融合了大量交警实际控制经验而产生的。s u a t s 以 开放型为前提，并增加了符合中国国情的特殊功能。该系统可与其他交通控制系 统进行连接和协调控制“”。 桑达s e d z h g g 系统是最新推出的一套新型交通综合管理系统，它主要利用 g i s 技术建设成为城市交通集成管理平台，可以作为整个城市的交通管理集成指 挥调度的基础。通过该平台可实现交通调度处理、交通控制及分析、业务管理、 系统管理、信息发布等工作，在此管理平台上，将交通信号控制系统、交通预案管 理、交通电视监控系统、交通流信息采集、交通信息发布、紧急救援系统和交通 管理信息系统进行功能集成，实现信息共享和统一指挥。 进入2 l 世纪，电子信息科学技术的迅猛发展为高速公路智能交通控制的实 施奠定了基础。在通信领域，光纤数字通信技术的成熟使得大范围的高速公路实 时信息管理和交通控制系统( 如集成交通控制系统，区域联网收费系统) 成为可能 互联网与移动通信的普及为高速公路交通信息和诱导系统提供了物质基础：专用 短程通信协议( d s r c ) 为不停车收费提供了技术保证。在计算机领域，电子地图_ 和 全球定位系统( g p s ) 是车辆导航的基础：计算机网络、大型数据库、多媒体信息采 集、存贮和传输技术是任何一个交通信息控制系统不可缺少的：人工智能技术为 高速公路交通控制和管理的智能化提供了新的途径，其中基于知识的系统( 专家 系统e s ) 技术用于相对高层交通管理智能决策，人工神经元网络、模糊逻辑、遗 传算法等技术用于相对低层的优化控制( 信号控制配时方案的实时优化计算和选 择) 、实时交通流的预测和动态交通的最优分配。在自动控制领域，这些年来出现 的激光、红外、视频检测技术，已成功地应用于交通流与车辆识别：智能控制、多 智能体与大系统理论的结合为高速公路智能交通控制开辟了新的天地。 1 5 论文的研究目的、意义和内容 交通运输是国民经济的大动脉。高速公路以其大流量、快速、安全等特点已 在道路交通中扮演了重要的角色并得到迅速的发展，为改善我国交通运输状况及 推动国民经济的发展作出了巨大的贡献。然而，交通拥挤及由它引起的交通安全、 环境污染和能源消耗等问题阻碍着高速公路效益的发挥和高速公路本身健康持 亟堂包监奎墓二童缝逾 续的发展。建立智能运输系统是解决高速公路效率和安全的有效方法。本文将人 工智能领域的最新发展一a g e n t 技术应用到高速公路交通智能控制系统上来，探 讨了基于m u m a g e n t 的分布式高速公路交通智能控制系统结构及其特点，通过改 变传统高速公路交通控制系统“自上而下”的控制结构，扩展路段级的智能控制 能力和底层a g e n t 的协调达到全局控制的合理性。这种“自下而上”的控制结构 能够提高系统的实时应变性和系统可靠性。从而试图建立一个具有智能化结构和 智能化控制策略的交通控制系统来解决高速公路同益增长的交通问题，为高速公 路的交通监控和交通管理提供一个新的思路与方法。因此，研究基于智能的高速 公路交通控制系统具有十分重要的现实意义。 交通控制智能化是本论文的基本思想。智能化是指在高速公路交通控制系统 中充分利用人工智能技术实现智能控制、智能管理及智能通信，同时，强调入在交 通控制和管理系统中的作用，使人的智能和机器的智能有机结合共同形成社会智 能来处理此类复杂的问题。 整篇论文分五章，各章主要内容分述如下： 第一章为绪论。首先分析了交通问题的现状及高速公路运行中存在的问题， 指出智能交通控制是解决这些问题的根本的、有效的途径：然后研究了智能运输 系统( i t s ) 和高速公路交通控制系统国内外现状，提出高速公路交通控制系统在 i t s 背景下的智能化发展趋势：最后阐明全文的基本思想、研究意义及主要研究内 容。 第二章是多智能体相关理论。首先介绍了智能主体的起源和发展、概念以及 分类，分析了智能主体的内部结构和特性。最后阐述了当前智能主体的发展和研 究现状。 第三章是关于高速公路交通智能控制结构的研究。先研究了高速公路的交通 流模型，论述了高速公路交通控制结构：然后分析了传统交通控制系统的局限性， 提出了基于m u l t i - a g e n t 的分布式高速公路交通智能控制结构思想：在此基础上建 立了分布式高速公路智能交通控制系统m a s 结构模型，并对该m a s 中主体的结 构、构造方法进行了深入研究。 第四章是对控制结构中的a g e n t 之间的通信和协商机制进行研究。“自下而 上”的控制结构不利于整体上的协调。因此，通过研究a g e n t 之间的通信，提高整 个控制结构的实时性和高效性；研究a g e n t 之间的协调机制，提高整个控制结构的 一致性和合理性。 第五章为总结。总结全文的研究工作，并对今后的研究方向进行展望。探讨 了地下高速公路的前景。认为修建地下高速公路是解决日益严重的交通问题的新 思路、新方法。 1 1 亟堂焦论塞 筮三童垒鳇匹堡湓盈g 塑i 笾荭埋达 第二章a g e n t 理论及a g e n t 研究现状 2 1 a g e n t 的起源和发展 a g e n t 是入工智能领域里最新的技术。人工智能是近- - = 十年发展起来的研 究用计算机模拟人的智能行为的学科。虽然历史不长，但在不停地探索和发展中。 形成了多个分支。其中较突出的有模拟人的感知功能的计算机视觉系统和以思维 为对象的计算机专家问题求解系统。 人工智能技术提供了3 种非常有用的技术： ( 1 ) 环境感知技术。利用计算机视觉方法可识别、理解周围环境。 ( 2 ) 基于知识的世界模型建模方法。系统常常在非结构化的环境中工作，与这 些环境相应的变化机理通常很难用数学方法来建模，但专家知识模型可较好地解 决这类问题。 ( 3 ) 基于推理的问题求解方法。这种方法提供了人的思维工具，从而加强了处 理复杂情况的能力，提高了智能水平，有助于进行问题求解和环境应交。 近年来，随着计算机技术的不断发展，计算机软件系统结构和计算机组织结 构的复杂性不断增加，从而为软件系统的开发提出了更多、更复杂的要求，如可伸 缩性、多功能性、可重用性、鲁棒性、一致性等。传统的整体设计和集中控制的 软件开发方法越来越显示出其固有的局限性。同时软件系统的设计越来越向个性 化、智能化方面发展，一些大型软件系统纷纷采用了人工智能的技术。因此，可以 说智能化、分布式是未来软件设计的方向。 分布式人工智能( d a i ，d 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 ) 作为人工智能和分布 式计算的结合，正逐渐受到人们的重视。由于智能本质上不是一个独立存在的概 念，而只能在团体中实现。因此分布式人工智能研究主要是几个主体之间的合作 与交互。分布式人工智能一般可分为：分布式问题求解( d p s ，d i s t r i b u t e dp r o b l e m s o l v i n g ) 和多智能主体系统( m a s ，m u l t i - a g e n ts y s t e m ) 。d p s 考虑怎样将一个特殊 问题求解工作在多个合作的、知识共享的模块或结点之阃划分；m a s 主要研究一 组自治的a g e n t 之间的智能行为协调。分布式人工智能的两个领域都要研究如何 对知识、资源、控制等进行划分，不同之处在于，在d p s 中常常有一个全局的概念 模型、全局的问题和全局的成功标准：而在m a s 中，我们有多个局部的概念模型 问题和成功标准。在概念、模型、控制等方面这两种方法的视角是不一样的。但 是也有另一种观点认为m a s 基本等同于d a i ，d p s 是m a s 的子集。当m a s 满足下 面三条假设时便成为d p s 系统：全体友好假设：共同目标假设：集中设计假 设。 亟土鲎僮途毫蔓三童g 堕理途星g 曼匹班宣瑰迭 有关a g e n t 的概念可追溯多j 1 9 7 7 年h e w i t 提出的并发演( a c t o r ) 模型，在该模 型中，h e w