（交通运输规划与管理专业论文）城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究.pdf

摘要 城市交通是城市重要的基础设施之一，对城市功能的正常发挥起着重要作用交 通问题已逐步成为全社会关注和讨论的重点，也制约着城市经济的可持续发展解决 城市交通问题的传统措施己无法满足现有城市交通的发展要求，鉴于城市交通的复杂 性、传统交通控制方法的局限性以及日臻成熟的人工智能技术的推广应用，本文以多 智能体技术、遗传算法、博弈论等现代理论为工具，对城市交通控制的优化技术进行 研究 首先，对国内外城市交通系统协调控制的相关研究，特别是对智能体的特征属性、 结构模型以及多智能体间的协作与协调方法等进行了分析，结合多智能体的相关特征 属性，指出了在城市交通系统协调控制领域中引入多智能体技术的可能性和优越性 其次，对现有交叉口的交通控制方式、控制结构以及基于多智能体的交通系统控 制模型进行分析，针对现有基于多智能体的交通模型的不足，结合多智能体技术，探 讨了交通协调控制系统q h a g e n t 的控制权限和路1 ：3 a g e n t 部功能结构；以孤立路口 a g e n t 为控制单元，构建了多路口的多a g e n t 交通协调控制系统结构的框架；以该结构 框架为基础，以路口的平均车辆延误为目标函数，建立了基于实数编码的遗传算法的 孤立路e l a g e n t 优化模型；并将该优化模型应用于实际信号控制交叉口的相位配时方 案中，得出了“优化后的相位配时方案优于现有控制方案”的结论 最后，应用博弈论知识，对由两个路口组成的简单路网的a g e n t 协调机制和博弈 过程进行了探索对两个路口的a g e n t 中的各自问题进行分析，确立两个路口之间的 博弈过程根据两个路口的实际情况，对路口的控制策略进行优化，并将优化后的性 能指标与现有控制方式的性能指标进行对比分析，论证了简单路网的a g e n t 协调机制 的可行性、有效性 关键词：交通系统；多智能体；协调控制；遗传算法；博弈论 a b s t r a c t u r b a nt r a n s p o r t a t i o nw h i c hp l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nt h en o r m a lf u n c t i o no fac i t yi s o n eo fi m p o r t a n ti n f r a s t r u e t u r a lf a c i l i t i e s t h es u s t a i n e dd e v e l o p m e n to fu r b a ne c o n o m y h a sb e e na f f e c t e db yt r a n s p o r t a t i o np r o b l e m s ，w h i c hh a v e b e e nd r a w nm u c ha t t e n t i o n a l l t r a d i t i o n a lm e a s u r e st os o l v et h eu r b a nt r a n s p o r t a t i o np r o b l e m sh a v ef a i l e dt om e e tt h e e x i s t i n gr e q u i r e m e n t so ft h eu r b a nt r a n s p o r td e v e l o p m e n t w i t ht a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o n t h ec o m p l e x i t yo f u r b a nt r a n s p o r t a t i o n ，t h el i m i t a t i o n so f t r a d i t i o n a lt r a f f i cc o n t r o lm e t h o d s a n dt h ea p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y ，t h eo p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yo f u r b a nt r a f f i cc o n t r o ls y s t e ma l o n gw i t hm u l t i a g e n tt e c h n o l o g y ，g e n e t i ca l g o r i t h ma n d g a m et h e o r yh a sb e e nd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h ed e v e l o p m e n to fc o o p e r a t i v ec o n t r o lm e t h o d so fd o m e s t i ca n df o r e i g n u r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d ，e s p e c i a l l yi nt h ef e a t u r e ，t h ec o m p o s i t i o n m o d e lo fa g e n ta n dc o o p e r a t i v em e t h o d so fm u l t i a g e n t w i t l lt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i - a g e n t ，t h ep o s s i b i l i t y a n ds u p e r i o r i t yo fm u l t i a g e n tt e c h n o l o g yu s e di nt h e c o o p e r a t i v ec o n t r o lo f u r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mh a v eb e e np o i n t e do u t s e c o n d l y ，a na n a l y s i so ft h ee x i s t i n gt r a f f i cm o d e ，c o n t r o ls t r u c t u r e sa n dt r a f f i c c o n t r o ls y s t e mb a s e do nm u l t i - a g e n th a sb e e nm a d e w i mt h ed e f i c i e n c yo ft h ee x i s t i n g t r a f f i cc o n t r o lm o d e lb a s e do nm u l t i a g e n tt e c h n o l o g y ，t h ec o n t r o la u t h o r i t yo f a g e n ti nt h e t r a f f i cc o o p e r a t i v ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ef u n c t i o n a ls t r u c t u r eo fi n t e r s e c t i o na g e n th a v e b e e nd i s c u s s e d t h em u l t i a g e n tt r a f 珏cc o o r d i n a t i o nc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eb a s e do n i n t e r s e c t i o na g e n th a sb e e nc o n s t r u c t e d n e x t ，t h ei n t e r s e c t i o na g e n to p t i m i z a t i o nm o d e lo n t h eb a s i so fg e n e t i ca l g o r i t h n a so fr e a l - c o d ew i t ht h ea v e r a g ev e h i c l ed e l a yo ft h e i n t e r s e c t i o na so b j e c t i v ef u n c t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e du n d e rt h ef r a m eo ft h et r a f f i c c o o p e r a t i v ec o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r eb a s e do nm u l t i - a g e n t t h eo p t i m i z e ds t r a t e g yw a s b e t t e rt h a nt h ee x i s t i n ga c t u a lc o n t r o ls t r a t e g y ”h a sb e e ns h o w e di nt h ep a p e ro f ft h e c o n d i t i o no f u t i l i z i n gt h em o d e lt oo p t i m i z et h es i g n a lp h a s i n ga n dt i m i n g f i n a l l y ，v i ag a m et h e o r y ，t h ec o o p e r a t i v em e c h a n i s mo f t h es i m p l en e t w o r kc o m p o s e d b yd o u b l ei n t e r s e c t i o na g e n ta n d t h e g a m ep r o c e s s o fi n t e r s e c t i o n sh a v e b e e n e x p l o r e d t h e n ，t h eg a m ep r o c e s so f i n t e r s e c t i o n sh a sb e e ne s t a b l i s h e du n d e ra n a l y z i n gt h e r e s p e c t i v ep r o b l e m so ft h e s et w oi n t e r s e c t i o na g e n t s t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fi n t e r s e c t i o n h a sb e e no p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a li n t e r s e c t i o ns i t u a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h e f e a s i b i l i t ya n da v a i l a b i l i t yo ft h ec o o p e r a t i v em e c h a n i s mh a sb e e ns h o w e db a s e do nt h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h eo p t i m i z e df u n c t i o ni n d e xa n dt h ee x i s t i n gc o n t r o lm a d ei nt h e p a p e r k e yw o r d s ：t r a f f i cs y s t e m ；m u l t i a g e n t ；c o o p e r a t i v ec o n t r o l ；g e n e t i ca l g o r i t h m g a m et h e o r y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：锄颈 日期：7 彩7 厂事。学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：1 删眵鳓日期：y 吖。一。 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：仞绋衢氏 日期：刃7 r ；口 指导教师亲笔签名： 私绷 1 日期：砂川夕j 7 一 福建农林大学硕士学位论文城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究 1 绪论 1 1 研究背景 交通是城市生活的命脉，是社会经济活动中人流、物流、资金流和信息流的主要载体，对城市经济 甚至国民经济的发展起着极其重要的作用，也对保证日常生活的正常运转发挥着越来越大的作用交通 从人们最早使用一些原始的交通工具，发展到当前使用汽车、铁路、飞机等现代化交通工具，对人类文 明的产生和发展都有着极大的推动同时，人类现代文明与交通的发展也是息息相关，没有交通的发展， 现代文明就不可能达到目前的这个高度，这也促使交通行业谋求更高的发展来满足人类文明持续发展的 要求 城市交通是整个交通系统中最为关键和重要的部分，是一个复杂的大系统，涉及人、车、路等多方 面，其中任何一方，或是多方出现不协调，就会导致交通堵塞，从而影响城市的正常运转，降低人们的 日常工作效率随着经济的发展，交通需求的日益增加，无论是发达国家还是发展中国家都承受着不断 恶化的交通困扰，交通阻塞已成为世界性的问题我国百万人口以上的大城市每年因交通阻塞造成的直 接经济损失约16 0 0 亿元，由于交通阻塞造成的间接损失更是难以估计【i 】交通问题已逐步成为交通管理 者和专家学者们、乃至全社会关注和讨论的重点，同时也成为制约城市经济可持续发展的“瓶颈”从交 通的供求关系来看，经济的持续发展，特别是城市化进程的加快，大大推动了我国道路交通基础设施的 建设和发展但是小汽车大量快速进入城市家庭，城市主要交通方式和结构由非机动向机动的转变，导 致了交通流量的持续增长人们在享受交通运输现代化便利的同时，也面临着交通堵塞，交通事故等问 题的困扰解决城市交通问题的传统措旃是加快道路交通基础设施的建设步伐，提高城市路网的交通容 量，但是可供修建道路的空间是有限的，而且，单纯依靠修建道路与交通设施以及采用传统管理方式来 解决交通问题，不仅成本昂贵、环境污染严重，而且缓解交通拥堵是十分有限的因此，增加路网的交 通供给量既受到城市交通用地和资金的限制，又会刺激交通需求的增长，使交通供需关系出现新的矛 盾单独从道路或车辆的角度来考虑，都将很难解决交通问题 随着经济全球化与计算机技术、网络技术、通讯技术和智能控制技术的飞速发展，人类社会文明进 入了一个快速发展的新时期。很多传统领域都面临着革命性的变革，同时给城市交通控制带来了一次新 的革命城市交通的规模复杂性特征、传统交通控制方法的局限性及日臻成熟的人工智能技术的推广应 用，迫使人们研究应用现代化的技术来解决城市交通控制问题我国政府在“十五”国民经济发展纲要中 就明确指出：“交通建设要统筹规划，合理安排，扩大网络，优化结构，完善系统，推进改革，建立健 全畅通、安全、便捷的现代化综合运输系统”特别是要以“信息化、网络化为基础，加快智能型交通的 发展”理论和实践证明应用先进的信息技术、通信技术和控制技术可以大幅度提高交通道路网络的运 行效率吲因此，从交通管理设施入手，把各种先进的智能技术和模型理论应用在城市交通控制与管理 中，建立更为完善、更为先进的交通管理与控制模式，对交通流进行科学的组织与管理控制，有效地疏 导城市车辆、减少堵塞，充分发挥现有交通网络的通行潜力，最大程度上使交通流做到有序流动，已成 为解决交通拥塞的最有效、最经济的方法，城市智能交通控制应运而生i ”】 福建农林大学硕士学位论文城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究 1 2 交通系统协调控制的相关研究 协调是一个在学术研究和应用中都使用十分广泛的概念，一般来说，当系统包含若干相互矛盾或相 互制约的子系统，当系统具有存在利益冲突的多个独立个体或因素，或系统包含有对各个目标不同的评 价标准的参与者，都需要协调系统协调的目的和基本思想均是为了减少系统的负效应，提高系统的整 体功能和整体效应 按系统论观点，应使系统内部活动协调一致，防止侧重某一子系统的目标实现而忽视整个系统的最 优，并尽可能地把系统内耗降到最低在进行道路交通系统协调控制时，应从高层次对交通系统整体进 行组织、协调和优化，并建立统一模型应用于实际控制，达到道路交通系统的最优化 1 2 1国外交通系统协调控制相关研究的发展状况 城市交通控制系统的起源是交通自动信号灯的诞生1 8 6 8 年，英国发明家奈特( j p k n i g h t ) 在伦 敦的威斯明斯特( w e s t m i n s t e 0 街口设置了世界上第一台交通信号灯，揭开了城市交通信号灯控制的序幕， 由此带来了交通控制技术的迅速发展1 9 2 6 年，英国出现了一种结构简单的机械式交通信号机，它奠定 了城市交通信号自动控制的基础随后，英国研制出了根据早、中、晚不同时段采用不同信号周期的多 时段定周期交通信号灯到了2 0 世纪5 0 年代，北美、西欧和日本等道路交通相对发达的国家，经过对这 类信号机的引进和改进，基本上实现了本国各大城市交通信号自动控制1 6 ” 为了进一步解决城市的交通拥挤与阻塞问题，发达国家从2 0 世纪6 0 年代初期开始，采用其他的相关 理论和方法从模型和算法2 个方面分别对城市交通网络协调、交通控制问题进行了大量的理论研究和探 索pj 1 9 7 4 年，白a l l o s p 第一次将控制引入交通流分配以来，从此有关交通控制和路线选择行为之间的 相互影响和相互作用的研究一直是交通领域的专家学者研究的焦点随后，c h a rl e s w o r t h 使用t r a n s y t 模型，为人为给定的一套信号控制网络的所有路段，开发了估计运行时间和交通流之间关系的方法1 9 8 5 年s m i t h 在考虑了将控制引入分配的基本问题欧洲在开发d r i v e 时，把侧重点放在动态线路引导系统 和交通控制系统的一体化研究【】 m e n g a 等$ u j 采用随机控制理论建立非饱和交通流量的自适应递阶控制模型，但仅考虑邻近上、下游 交叉口的相互影响，采用关联预估法实现网络的协调控制，整个系统由微机网络来实现对于高峰小时 的过饱和交通网络，s i n g l x i 主用大系统的观点和方法，将大系统递阶控制的目标协调法和t a m u r a 的改进 形式应用于城市交通网控制，建立了饱和交通流状态下的递阶控制模型之后l e i n i n g e r 等对s m g h 的模型 进行了改进，但其改进模型的算法仍较为复杂，实际应用存在这一定的困难9 0 年代后，g h a l i 提出了估 计交通控制系统和路线诱导策略的动态交通分配模型 1 2 , 1 3 1 随着计算机技术的发展和多智能体在交通的应用，c l a u d i a 提出了在交通多智能体( m u l i t - a g e n t ) 系统 的一个增量相互学习方法来协调交叉口的两个控制器f i n d l e r $ 1 j 给出了交通网络的分级结构在交通运 输方面，b u m e i s t e r 提出了未来汽车多智能体联运系统及智能体在交通运输中应用的思路，r o o z e m o n d 分析i 】 a g e n t 、神经网络和分布式人工智能在城市交通控制中应用的前景和价值【“i g i o v a n n i 等利用多智 能体的协调技术提出了一个分布式路径指导多智能体系统同时w e i b 也在其论文中给出多智能体在交通 2 福建农林大学硕士学位论文城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究 领域的其他一些应用 1 2 2 国内交通系统协调控制相关研究的发展状况 我国在城市交通控制领域起步较晚，从2 0 世纪7 0 年代才开始智能交通工程的研究1 9 7 3 年，北京市 在北京前三门进行了交通干线的计算机协调控制系统的实验研究，这也标志着我国通过自行开发研究， 在交通自动控制方面迈出了第一步 7 1 2 0 世纪8 0 年代中期，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市 交通拥挤、阻塞现象日趋恶化，在广泛开展城市调查、规划、治理的基础上，着手对城市交通控制技术 进行研究，也拉开了运用高科技来发展交通运输系统的序幕 2 0 世纪9 0 年代初，我国在交通系统管理与控制方面开展了一系列科学研究和工程实践一些学者对 交叉路口的最优控制问题进行了研究，建立了交通流的最优预测模型，提出了一种交叉路口的在线最优 化控制方法【1 6 】此后，通过借鉴英国、美国和澳大利亚等国家的先进控制系统，开始了城市交通诱导系 统技术的研究和尝试，开发生产了车辆检测器、可变情报板、监控地图等多种设备，制定了一些相关的 标准和规范在城市交通管理与控制方面取得了一定的效果这些研究和实践，开拓了我国交通研究的 新领域，也在一定程度上缓和了交通的拥挤但由于城市交通控制问题的复杂性，已有成果还有待于进 一步研究与改进 进入2 l 世纪后，计算机的广泛应用促进了人工智能的快速发展伴随着人工智能技术的发展，针对 传统交通控制系统技术的缺点，部分从事交通工程研究的学者把人工智能技术应用到交通管理与控制中 来，逐步把智能体技术引入交通领域，并开始注重交通控制系统与诱导系统的协调研究在前人的理论 基础上，一些研究者提出了一种二级结构控制与诱导递阶协调的系统结构，建立了协调优化模型，给出 了一种迭代的协调求解算法，并进行了仿真研究 i l i s 在交通管理控制方面，有的学者提出了以智能体 为控制单元、具有分层递阶结构的交通控制体系的概念模型但是这种体系的控制算法相当复杂，没有 充分体现协调控制的优越性对于智能体在交通控制过程中的学习功能，也有学者提出了自己的观点， 在城市交通控制中引入基于递归建模方法( r m m ) 和贝叶斯学习的多智能体方法，通过这2 种方法的结合 可以根据实际观测到的行为变化来在线调整他对智能体的信念但主要是阐述某种具体方法，而没有将 学习作为一种积累经验的机制引入模型中( 1 5 , 1 9 】有些学者把基于多智能体系统的思想应用到现代交通诱 导和交通控制系统中，提出了一种基于智能体的交通管理系统，并给出了系统结构利用多智能体间的 协商和合作机制，对出行诱导和动态路径选择算法进行了研究，提升路网资源对交通需求的适应性，简 化了系统的复杂程度，并以此来辅助实现交通系统的智能化目前，多智能体技术在交通系统集成化研 究中得到初步应用 2 0 - 2 4 1 由于我国关于交通系统协调控制的研究起步较晚，从事相关研究的学者较少，在交通智能方面研究 较为薄弱，主要还是借鉴大量的国外研究成果总的来看，目前国内的研究基本上都处于起步阶段，与 国外相比相对落后，许多重要的问题还有特进一步研究 1 3 研究的目的及意义 城市交通拥挤已经成为现阶段我国社会经济快速发展过程中的一个重要障碍，道路交通的畅通与安 3 福建农林大学硕一t 学位论文城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究 全成为交通运输行业的管理者和专家学者们，乃至全社会关注和讨论的重点受到城市用地和经济条件 的约束，绝大多数的城市新建和扩建道路的可能性越来越小传统的交通控制方法越来越不适应日益增 长的交通需求随着公众对交通服务水平要求的提高，城市道路交通控制朝着智能化和集成化的方向发 展各种新的智能控制技术、电子技术相继出现，为交通控制实现现代化带来了有利的条件城市交通 协调控制是当前控制领域和交通工程领域研究的热点之一，它的研究极其重要因此，把智能技术融入 城市交通协调控制也成为交通控制的发展趋势 本论文的研究旨在利用已有研究成果的基础上，结合前沿的智能体技术，对城市交通协调控制结构 模型进行探索同时，针对城市交通问题的现状，筛选出合适的性能指标和确立约束条件建立优化模型， 并从方法上对路口的优化与控制问题进行研究和探讨，以期为解决城市交通问题提供有益的方法和途 径同时论文的研究将为深入研究城市智能交通控制奠定基础，并对于改善路口优化方法，降低路口车 辆平均延误，提高路网使用效率和交通安全性具有现实意义，对进一步推动我国城市交通控制系统现代 化具有较高的理论指导意义和实用价值 1 4 论文的组织结构 本文共分为6 章，各章节安排及主要内容如下： 第一章：绪论；介绍选题背景，指出在城市交通控制和管理中引入各种先进的智能技术和模型理论 的重要性和必要性然后对国内外城市交通系统协调控制的相关研究现状进行综述，分析其不足概述 论文研究的内容和意义对论文工作中所取得的结果进行了归纳，并简单阐述了各章的主要内容 第二章：多智能体技术简介；阐述多智能体技术的理论分析智能体的概念、特征属性、分类、结 构模型及多智能体间的协作与协调方法，阐明多智能体技术应用于城市交通系统协调控制领域的可能性 和优越性 第三章：基于多智能体的交通协调控制系统结构；对交通控制的发展和交通控制方式进行概述分 析了现有交通控制结构，同时对现有2 种控制结构进行对比对现有多智能体的交通系统控制模型进行 分析，指出现有多智能体交通模型存在的不足之处在此基础上，结合多智能体技术，探讨了交通协调 控制系统q 3 a g e n t 的控制权限，并确定路i c l a g e n t 内部功能结构随后，以路 u a g e n t 为控制单元，构建 了多a g e n t 交通协调控制系统结构 第四章：基于遗传算法的孤立路d a g e n t 优化控制；对遗传算法简要阐述，分析了交通控制的基本 参数和性能评价指标根据实际交通情况，选取合适的控制指标，以路口的平均车辆延误为目标函数建 立路d a g e n t 优化模型在建立目标函数的基础上，采用实数编码遗传算法对相位配时进行优化，优化 后的性能指标优于现有实际控制 第五章：相邻路1 2 1 a g e n t 协调机制研究；在叙述博弈论理论知识的基础上，建立了博弈论的协调思 想框架对由双路n a g e n t 组成的简单路网协调机制进行探索分别对路d a g e n t 的各自问题进行分析， 确立了路口间的博弈过程结合前文的知识，根据实际路口情况，对路口的控制策略进行优化，优化后 的性能指标与现有实际控制进行了对比分析 4 福建农林大学硕士学位论文 城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究 第六章：结论与展望；对全文进行总结，并给出进一步研究的方向 1 5 论文的创新之处 本文利用人工智能、遗传算法、博弈论等现代理论，对城市道路交通协调控制结构、孤立路口的优 化控制和多路口的协调策略进行了研究，取得了一些成果本文的主要有3 个创新之处； l 、借鉴已有的多智能体的交通系统协调控制模型，结合多智能体技术，构建了路口a g e n t 内部功能 结构以此为基础，提出了以路d a g e n t 为控制单元的多a g e n t 交通协调控制系统结构 2 、与实际交通情况结合，建立了以路口的平均车辆延误为目标函数的路d a g e n t 优化模型在建立 目标函数的基础上，采用实数编码遗传算法对相位配时进行优化，并对优化后的性能指标与现有实际控 制进效果行比较分析 3 、以双路k l a g e n t 组成的简单路网为例，根据博弈论的相关知识，确立了路口间的博弈过程根据 实际路口情况，对路口的控制策略进行优化分析 s 福建农林大学硕士学位论文城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究 2 多智能体技术简介 人工智能、生物工程、空间技术是当今世界的3 项尖端技术人工智能源于人类的智能，人工智能 是计算机科学的一个分支，是研究使用计算机来表现出人类某些智能行为的学科，它还涉及到心理学、 哲学和语言学等学科人工智能技术的发展己成为当今社会最重要的发展力量和促进其它行业不断前进 的主要因素人工智能的目标是实现某些与人类智能相似行为的计算机系统随着计算机和人工智能的 发展，如何通过计算机对于决策过程进行有效的支持，即建立决策支持系统，一直是人们感兴趣的研究 领域，人工智能的深入发展为决策支持系统的研究带来了新的活力。基于人工智能决策支持系统是决策 支持系统的重要研究方向近年来，中国人工智能的研究与发展已从少数研究机构的局部性探索，迅速 扩展为具有全国范围而且引起工业，军事、教育、交通等众多领域的广泛关注和研究应用但是，总体 而言，人工智能学科在中国仍处在初级阶段目前针对各种应用领域，出现了不同的智能体，多智能体 技术从2 0 世纪8 0 年代开始研究并获得快速的发展近l o 年来，智能体和多智能体系统的研究引起计算机、 人工智能、自动化等领域科技工作者的浓厚兴趣，为分布式系统的综合、分析、实现和应用开辟了一条 新的有效途径智能体技术已成为人工智能的一个研究热点，并不断应用于不同的领域 2 1 智能体( a g e n t ) 的概念 智能体( a g e n t ) 的概念出现于2 0 世纪7 0 年代的人工智能中，8 0 年代后期才发展起来，a g e n t 这个概念 近年来无论是在人工智能领域还是在其它计算环境中频繁出现【”, 2 6 1 智能体( a g e n t ) 是一个运行于动态环 境的具有较高自制能力的实体( 即自制可以是系统、机器等；软件a g e n t 是一个计算机软件程序) ，其根本 目标是接受另外一个实体( 即主体可以是用户、计算机程序、系统或机器等) 的委托并为之提供帮助和服 务，能够在该目标的驱动下主动采取包括社交、学习等手段在内的各种必要的行为以感知、适应并对动 态环境的变化进行适当的反应，它与服务主体之间具有较为松散和相对独立的关系【“ 智能体不是自制和提供帮助2 种属性简单的结合，而是2 者的有机统一体智能体拥有一定的计算资 源和行为控制机制，可以在没有外界直接操纵的情况下，根据内部状态和对外部环境信息的感知，做出 决定并控制其自身的行为，它能够与其它智能体进行多种形式的交互和协调，可以同其它的智能体进行 有效的合作，在智能体概念的基础上，人们又提出了多智能体系统( m u l t i a g e ms y s t e m ，m a s ) 8 7 川同 样以智能体为结构单元、使用分布式问题求解方法的多智能体系统也不是智能体的简单迭加，而是有机 的组合，该系统的特征是具有通信机制和协调机制每个智能体均能根据事先设定的规则、标准和方式， 对实际发生的资源冲突、目标冲突等进行协商和协调，最终达到维护系统整体利益的效果 总之，在人工智能的研究领域中，智能体是用来完成某类任务、能在一定环境中自主发挥作用、有 生命周期的计算实体它不是在一个一步到位的静态模式中模拟人工智能，而是在带有过程性的、动态 连续性的进程中发展智能【” 2 2 智能体的特征属性及分类【”j 1 j 2 2 1 智能体的特征属性 6 福建农林大学硕十学位论文城市交通集成系统的多智能体博奔模型研究 智能体一般具有自主性、通信能力、反应性等特征属性： ( 1 ) 自主性：a g e n t 能自行控制其状态和行为，即能在没有人和其它智能体直接干预的情况下动作， 并且对自己的行为和内部专题具有某种控制能力 ( 2 ) 通信能力：a g e n t 能用某种通信语言与其它实体交换信息和相互作用 ( 3 ) 感知能力或反应性：a g e n t 能感知其所处的环境，并在一定时间内作出反应，通过其自身的行为 来改变环境 ( 4 ) 能动性：传统的应用程序是被动地由用户来运行的，并且机械地完成用户的指令；而a g e n t 应该 是主动的，表现出目标驱动的行为，并能感知周围的环境变化，自行选择合适时机采取适宜动作 ( 5 ) 推理和规划能力：a g e n t 具有基于当前的知识和经验，以一种理性的方式进行相应推理和预测的 能力 ( 6 ) 协作、合作、协同及协商能力：a g e n t 应能在多a g e n t 环境中协同工作和消解冲突，以执行和完 成一些互相受益且自身无法独立求解的复杂任务 ( 7 ) 适应性或进化性：a g e n t 直该能够积累或学习经验和知识，并能修改自己的行为以适应新的形势 变化 此外，许多学者还提出t a g e n t 具有的一些其它特性，如：灵活性( 包含了反应性、主动性和社会性) ； 诚实性( a g e n t 从不有意传送虚假信息) ；友好性( a g e n t 之间无矛盾目标，每个a g e n t 总是尽力完成其它a g e n t 提交的任务) ；理性( a g e n t 不会放弃其目标，赢至目标实现，且至少在其信念允许范围内，它不会做出妨 碍其目标实现的行为) 等 交通系统是一个复杂的系统，具有突变性和随机性，而多智能体所具有的这些特征正是交通系统协 调控制需要的因此，把多智能体引入交通系统的协调控制模型中不失为一种较佳的选择 2 2 2 智能体的分类 根据智能体的主要属性特征，智能体大体可以分为2 类： ( 1 ) 认知型智能体认知型智能体是从符号人工智能领域中直接沿袭而来的，对所处的环境拥有一 套明确的符号模型并能通过符号推理过程感知环境，可根据对环境的判断来预测未来环境的变化或评 估为了完成任务所需的成本认知型智能体可以记住所处的环境并分析它们，预测其下一步可能的行为 带来的影响，通过评估，选择出最佳策略，在其它智能体之间的交流方面拥有比较高级的能力智能体 相互间可以通过协商与协作来达到优化 认知型智能体的缺点是当一个问题的搜寻空间范围非常大，尤其当可行解是属于不连续的情况下， 其推理的过程比较耗时，不利于实时系统的应用 ( 2 ) 反应型智能体反应型智能体根据刺激一反应规则，通过其传感器感应外部环境的变化，做出 相应的反应但是，反应型智能体不能对环境建立符号模型，因此不具备预测的能力反应型智能体的 优点是其结构简单，反应速度快但是由于不包括任何内部符号处理模型，只能对特定环境进行反应， 其智能化程度有限，主要用于一些底层的、简单的系统中 7 福建农林大学顾t 学位论文城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究 智能体总体而言分为认知型智能体和反应型智能体，但在实际应用中，大多数智能体既有认知型智 能体的能力，也有反应型智能体的属性，没有很明确的划分归类 2 - 3 智能体的结构模型 b r a t m a n 的b d l ( b e l i e f o d e s i r e i m e n t i o n ) 理论模型是被公认的a g e n t 理论基础b d i 理论模型结构，见 图2 1 b r a t m a n 从哲学的角度对人们的意图进行了深入研究，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同时认为在开放世界中，理性a g e n t 的行为不能直接 由信念与愿望以及有这2 者组成的规划所驱动，在愿望与规划之间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 不会毫无理由地改变自己的意图，也不会坚持不切实际的意 图根据b d i 理论模型，研究者构造出了不同的a g e n t 基本结构模型，试图从不同的角度对a g e n t 进行实 现在现有的a g e n t g 基本结构模型中，主要的a g e n t 结构模型有慎, 雹, , a g e n t 结构模型、反应= a g e n t 结构模型、 混合a g e m 结构模型等 3 2 1 图2 1b d i 模型结构 f i g u r e2 - 1 t h es t r u c t u r eo f b d im o d e l 2 , 3 1 慎思a g e n t 结构模型 慎思a g e n t 结构模型，是建立在人工智能的符号机制基础上的其特点是包括环境和智能行为的逻 辑推理能力，是一个基于知识的系统慎思a g e n t 结构模型具有内部状态的主动软件，具有知识表示、 环境表示、问题求解、具体通信协议等建造此类型的结构需要解决在一段时间内将现实世界翻译成准 确的、充分的符号描述及用符号表示复杂显示世界的实体和过程 2 3 2 反应a g e n t 结构模型 反应a g e n t 结构模型指不包括符号世界模型，且不使用复杂的符号推理的系统结构，仅有一些简单 的行为模式，这些行为模式以“刺激一响应”方式对环境做出反应反应a g e n t 结构模型特点是反应a g e n t 中包含了感知内外状态变化的感知器，一组对相关事件做出反应的过程，一个依据感知器信息击活的控 8 福建农林大学硕士学位论文城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究 制系统该结构模型主要应用于分布式系统中 2 3 3 混合式a g e n t 结构模型 慎思式结构和反应式结构反映了人工智能和基于行为的人工智能的特点近年来，人们在慎思式结 构和反应式结构的基础上提出了混合式a g e n t 结构混合式a g e n t 结构模型的特点是在一个a g e n t 中包含2 个或多个子系统：一个是慎思子系统，含有符号世界模型，用符号人工智能的方法生成规划，做出决策； 一个是反应子系统，能够对环境中发生的事件做出反应，而无需进行复杂的推理通常让反应子系统比 慎思子系统优先级高，以便对环境中出现的事件做出快速的反应混合式a g e n t 结构模型克服了前2 种模 型功能不够全面、结构不够灵活的缺点，给出了具有实时反应目标指导下自主行动及合作等综合能力的 a g e n t 模型 因此，结合a g e n t 的理论和结构模型，可以把a g e n t 作一个黑箱，通过感应器感知外部环境，通过 效应器对外部环进行反应不管什么样的a g e n t 模型结构，都表明了智能体具有智能的决策能力，是基 于知识的实体，弥补了普通对象存在的不足，大大提高了结构的模块性、重用性、交互性等能力 2 4 多智能体间的协作与协调 多智能体间的协作是分布式人工智能学科研究的一个重要方向协作与协调是多智能体研究的核心 问题之一，以自主的智能体为中心，使多智能体的知识、愿望、意图、规划、行动协调，以至达到协作， 是多智能体的主要目标 智能体之间的协作是保证多个智能体能在一起共同工作的关键，同时也是多智能体系统与其它相关 研究领域( 如分布式计算、面向对象的系统、专家系统等) 区别开来的关键性概念之一在开放、动态的 多智能体环境下，具有不同目标的多个智能体必须对其目标、资源的使用进行协调在出现资源冲突时， 若没很好的协调，就有可能出现死锁，使得多个智能体无法进行各自的下一步的工作在多智能体系统 中，协作不仅能提高单个智能体以及由多个智能体所形成的系统的整体行为性能，增强智能体及智能体 系统解决问题的能力，还能使系统具有更好的灵活性通过协作和协调使多智能体系统能解决更多的实 际问题p 3 , - , 4 1 2 4 1 基于对策论的协调方法 在无通讯的协调中，许多协作解是无法通过单遇实现的，因为在无通讯的情况下，单个a g e n t 无法 知道其他a g e n t 是选择协作还是选择平衡解但是，协作解在对策论中可以通过协商获得基于对策论 的协商是多智能体协调方法的重要组成部分，是多智能体系统中的各a g e n t 借助通讯，交换各自的目标， 直到各a g e n t 达到一致或因不能达成一致而失败的过程 2 4 2 基于观察的协调方法 基于观察的协调方法也称基于规划识别的协调方法，通过对a g e n t 2 爱j 作的观察及动作问关系的推理， 每个a g e n t 可获得其它备a g e n t 规划的模型，通过将自己的规划和目标与各个a g e n t 规划模型的比较，找 出潜在的冲突或合作关系，从而达到协调或协作的目的 9 2 4 3 其他协调方法 除了基于对策论和对a g e n t 动作进行观察的研究以外，还存在其它的协调方法如：使用启发式与 约束满足技术解决分布式搜索问题 t o 福建农林大学硕士学位论文城市交通集成系统的多智能体博弈模型研究 3 基于多a g e n t 的交通协调控制系统结构 在智能运输系统中，交通控制是系统的主要环节城市交通控制是提高城市交通运行效率的重要途 径之一，也是城市交通现代化、智能化的重要标志随着信息技术与知识经济的飞速发展，城市的节奏 越来越快，传统的交通控制方法不能有效解决交通问题，城市交通与经济发展的矛盾日趋尖锐无论从 理论角度，还是从实践角度来看，交通控制都是一个极其复杂的控制问题，而且交通协调控制结构的优 劣与交通控制的效果密切相关，并且与具体交通控制的方案也紧密相连解决日趋严重的交通问题，其 有效途径除了合理规划和加强交通设施建设外，还有一个投资少、见效较快的途径，即建立先进的、功 能强大的交通协调控制系统在交通控制中引入先进的智能控制技术，应用智能技术对现代城市交通协 调控制进行研究也成为必然趋势 3 1 交通控制沿革 交通控制从无到有，从简单到复杂，对调节交通的运行，缓解交通的堵塞，提高交通的安全运行起 到