（水工结构工程专业论文）溪洛渡水电站场内交通系统层次多代理系统及其决策问题的研究.pdf

中文摘要 水利水电工程的建设中，资源调度关系着整个工程建设的顺利与否，而资源 的调度与工程的场内交通调度息息相关，因此，如何确保场内交通系统畅通，以 减少甚至避免资源的到位延迟是水电站场内交通管理调度的重要问题之一。目前 人工智能技术已经融入城市交通系统的管理，而水利水电工程中的交通调度仍然 是靠人工观察或通过定时信号灯及信号旗进行调度，与城市交通系统相比，水电 工程独特的地理环境决定了它是更为复杂的交通系统，多变的交通环境，以及频 频发生的交通突发状况，若仅靠人工观察来控制调节交通，一方面需要安排大量 的人工，另一方面处于不同观察位置的人因难以了解整个交通情况，从而无法从 整体上形成一个最优策略，因此有必要利用交通监控系统掌握交通状况，通过通 信系统传输信息，充分利用计算机对整个系统的模拟仿真，对系统进行宏观控制， 直接、形象地对可能出现的冲突进行预测、控制，便于管理者对大型水电工程的 场内交通进行实时调度与监控。 为实现上述系统，本文主要从以下几方面进行了研究： 首先，分析了水电工程交通系统的特点和其交通控制理论。 然后，根据水利工程交通系统的特点及层次多代理系统理论，分析各个代理 的特点、功能以及相互联系，提出了一个基于层次多代理系统的的水利工程交通 系统框架。 最后，通过对溪洛渡水利水电工程场内交通系统的分析，建立了针对溪洛渡 水电站工程场内交通系统的层次多代理体系，并应用多层次模糊分析法对系统的 核心问题即a g e n t 的决策模块进行了初步实现。 关键词：交通系统、层次多代理系统、模糊理论、层次分析法、决策模型 a b s t r a c t i nl a r g eh y d r o e l e c t r i cp r o j e c t ，s u c ha sx il u o d uh y d r o e l e c t r i cp r o j e c t ，r e s o u r c e a l l o c a t i o ni sr e l a t e dt ot h ew h o l ep e d o df i r m l y , w h i l ei ti sa l s or e l a t e dt ot h et r a n s p o r t o nt h es i t e t h e n ，h o wt ok e e pt h et r a n s p o r ti no r d e r , s oa st od i m i n i s ha n de v e na v o i d t h er e s o u r c el a t eo nt h er i g h tp l a c ei sap r o b l e mc o n s i d e r e ds o l v e di m m e d i a t e l y t o d a y a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c eh a sb e e ni n v o l v e di nc i t yt r a f f i c ，w h i l eh y d r o e l e c t r i ct r a f f i ci s a d j u s t e dd e p e n do nh u m a no b s e r v a t i o n 仃a f f i cl a m po rb a n n e r c o m p a r e dw i t hc i t y t r a f f i c ，t h ei n d i v i d u a lg e o g r a p h ye n v i r o r m a e n fo ft h eh y d r o e l e c t r i cp r o j e c td e t e r m i n e s c o m p l e xt r a f f i cs y s t e m ，i n c o n s t a n tt r a f f i ce n v i r o n m e n ta n df r e q u e n t l yh a p p e n e dt r a f f i c p r e c i p i t a t ec o n d i t i o n c o n t r o l l i n gt h et r a f f i co n l yb yh u m a ni si m p o s s i b l et of o r ma b e s ts t r a t e g y , f o ri t sn o to n l yn e e dl a r g en u m b e ro fp e r s o n s ，b u to n ep e r s o no no n e p l a c ei sd i f f i c u l tt ok n o wt h ew h o l et r a f f i c s oi t i sn e c e s s a r yt oc o n t r o lt h ew h o l e t r a f f i cb yt r a f f i cs u p e r v i s i o n ，c o n v e r t i n gi n f o r m a t i o nb yc o r r e s p o n d e n c e ，s i m u l a t i n g t h ew h o l es y s t e m ，c o n t r o l l i n gt h ew h o l es y s t e m ，p r e d i c t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h e c o n f l i c t ，s ot h a tt h em a n a g e rc a na d j u s ta n ds u p e r v i s et h es i t e t r a f f i ct i m e l ya n d e f f e c t i v e l y t h ep a p e rh a sm a i n l ys t u d i e da sf o l l o w s ： f i r s t ，d e p e n d o nt h ef e a t u r e so fh y d r o e l e c t r i ct r a f f i c ，t h e p a p e r sb u i l t a m u l t i - a g e n ts y s t e m ，a n a l y z i n gt h e f e a t u r e sa n df i m c t i o n so fe v e r ya g e n ta n d r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m ，t h e nb u i l tm o d e la n di n n e ro r g a n i z a t i o no fe v e r ya g e n t ， i n c l u d i n gb u i l d i n gi n t e l l i g e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e ma n dp r e d i c t i n gm o d e l t h e nt h ep a p e r sp r o m o t eas y s t e mf r a m e ，w h i c hd e p e n d so ng i s ，b a s e do n m u l t i a g e n ts y s t e m ，i n v o l v i n gt r a f f i cf l o wa n dv i s i o ns u p e r v i s i o ni n t oo n es y s t e m a t l a s t ，t h ep a p e r sp r o m o t e at r a f f i c s y s t e m o fh y d r o e l e c t r i cb a s e do n m u l t i a g e n t ，r e a l i z i n gt h ed e c i s i o nm o d e lb ym u l t i l a y e rf u z z y d e c i s i o n a tt h et i m ew h e nt h ex il u o d uh y d r o e l e c t r i cp r o j e c th a ss t a r t e do f f i c i a l l y ，t h e p r o b l e ms t u d i e dh e r eh a sc e r t a i nt h e o r e t i c a la n da c t u a l i t ys e n s e s 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 ts y s t e m ，f u z z yt h e o r y , a n a l y t i ch i e r a r c h i c a l p r o c e s s ，d e c i s i o nm o d e l 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名：另k 篆书 签字日期： p f 年月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：诀翟话 导师签名 签字日期： 护6 年f 月侈日 签字日期： 口石年 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 众所周知，大型水利水电工程中的资源调度关系着整个工程建设的顺利与 否，而资源的调度与工程的场内交通调度息息相关，特别是在工程建设的高峰时 期，为了保证工程进度按期进行，资源的准时到位便显得尤为重要，此时，如何 确保场内交通系统畅通，以减少甚至避免资源的到位延迟是水电站场内交通管理 调度的重要问题之一。在工程建设期间，随着工程的进展，所需的资源内容会随 之改变，交通系统中的车辆数目、种类也会随之改变，因此，如何建立一个能随 着情况的改变而改变交通控制原则的模型也是有待于研究的课题。 在大型水利水电工程中，交通系统的地理条件复杂，交通环境多变，交通突 发状况多，仅靠车辆司机的判断来让整个交通系统始终保持畅通不仅非常困难， 还会因各个司机因为各自的任务或利益而无法及时解决交通系统中出现的冲突， 造成交通的拥塞，因此无法达到预期的效果。现有的大型工程中的交通调度大都 是靠人工在视线状况良好的情况下，通过信号灯及信号旗进行调度，但在视线状 况差，如隧洞中及道路弯曲多时，靠人工视线来控制调节交通是不切实际的。而 且，在有突发状况，如道路坍塌、交通意外发生时，因为没有监控设备及相应的 应急系统，只能靠目击者通过路边的紧急求救电话进行呼救，这样往往会延误事 故处理，造成更大的损失。目前人工智能技术已经融入城市交通系统的管理，与 城市交通系统相比，水电工程独特的地理环境决定了它是更为复杂的交通系统， 因此，有必要利用交通监控系统掌握交通状况，通过无线电通讯系统传输信息， 将计算机模拟技术应用到交通系统研究中，充分利用计算机对整个系统的模拟仿 真，直接形象地对可能出现的冲突进行预测，对系统进行宏观控制。 交通问题作为实时性极强的复杂离散系统，是所有交通参与者、交通设施共 同作用的结果，是一种微观个体行为的宏观表现，而a g e n t 技术作为非模型的一 种仿真方法，正适合于此类问题的解决，特别是随着智能运输系统的发展，人们 需要更好地理解各种控制系统对实际交通系统的影响，如自治交通诱导系统【2 】、 紧急救援系统等。国内外交通研究者在基于a g e n t 的交通仿真方面作了大量的研 究，这些都为运用a g e n t 技术解决交通问题提供了有价值的参考。另外，虽然目 前已经出现了很多针对基于多a g e n t 交通系统的研究，每个研究都试图找到一个 将当地交通优化与全局交通控制相协调的平衡点，但仅仅关注当地交通优化的系 统是无法达到全局平衡的目的。当地交通优化代理虽然具有合理优化当地交通的 能力，但各个当地交通优化代理之间若出现冲突，而各方都无法达成一致时，就 需要一个更强有力的方法，创建一个多层次结构，依靠更加高级的高层次代理来 天津大学硕士学位论文第一章绪论 管理协调当地代理之间的关系，以此将当地优化与全局优化更加协调地结合在一 起唧。因此有必要引入多a g e n t 系统理论，建立相应的a g e n t 模型，充分利用各 个a g e n t 的自治性、学习性、协作性机能，充分发挥各个a g e n t 的自我决策性能， 将交通系统的管理智能化。 1 2 交通系统研究现状 1 2 1 城市交通系统研究现状 当前先进的交通信息系统的主要开发模式是采用g p s 全球定位系统进行车 辆自动定位，采用g i s 地理信息系统作为交通信息中心的操作平台，采用集群通 信系统作为通信手段，对信息的处理和对交通系统中各个实体的控制的主要方法 有交通仿真技术 4 1 、智能控制技术以及a g e n t 技术。 在交通仿真技术中一般可以分为宏观仿真和微观仿真两种，宏观交通仿真主 要是根据交通流理论，以车流整体作为研究对象，对交通的宏观特点进行分析， 该类代表性的系统有v t s 、s i g o p 、t r a n s y t 等【5 】；微观仿真则通过模拟交通 系统中的人、车等交通元素，探索实施交通实体的交互关系，以达到真实模拟交 通场景、解决交通问题的目的，这类代表性系统有u t c s 1 系统、m i s t r a n 模 型和t r a f - n e t s i m 模型等【5 】。 虽然上述的交通仿真系统为人们解决交通问题提供了重要手段，然而，在以 往的交通仿真中，仿真实体往往具有较少的智能性，仿真实体的行为主要依靠仿 真程序的控制来实现，与实际中交通元素的个体自治运行特点有较大差距。因此， 出现了智能交通控制技术，通过模糊逻辑理论和多层次分析方法等，对交通进行 智能控制。 运用a g e n t 技术进行基于a g e n t 的智能交通仿真，是进行交通仿真的理想手 段，在该系统中，将交通系统中各组成元素如车辆、行人、交通灯、交叉口甚至 是交通流都可以看成是可独立自治运行的智能a g e n t ，他们有各自的行为目的， 各元素之间相互作用，从而达到真实模拟交通环境的目的。 运用a g e n t 技术进行交通控制，符合交通系统的实际特点，可以真正再现交 通系统的真实情况，它既能准确地模拟交通实体的微观运行特性，同时又能体现 宏观交通的运行状况，是进行交通问题研究的最佳手段。目前，基于a g e n t 的交 通智能控制研究已经进入研究、发展阶段。 1 2 2 水利水电工程交通系统的特点 目前水利水电工程中的交通系统具有地理位置固定、交通设施简陋、科技含 量低、影响后果严重等特点。 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 地理位置固定：水利水电工程交通系统一旦被确定，是不可能像城市交 通系统那样可以随意改动，因为道路的任何变化都将牵扯到一系列会引 起高昂费用的事件，如地质条件是否允许、环境是否会遭到破坏、居民 是否需要搬迁，因此决定了交通系统的地理位置固定性： 2 交通设施简陋：在工程主体开工前，交通系统作为“三通一平”项目之一 便已经初步建立，因交通系统在工程项目中是附属工程项目，其投入和 受重视程度不可避免地低于主体工程，配套设施也相对简单，在交叉路 口一般采用定时交通信号灯进行交通控制，在高速公路上则是沿路设置 紧急呼救电话，即便在交通事故易发的隧洞中，也是采用紧急呼救电话， 因设施维护不周，又常常造成事故报告无法及时传达，延误事故的处理； 3 科技含量低：水利水电工程的交通系统一般采用简单的交通设施，因此 在需要进行交通调节时，常常采用人工调节的方法，这样一方面由于人 工调节为微观调节，本身掌握的信息有限，无法准确、有效地进行调节， 进而无法达到整个交通系统的最优化；另一方面由于人工受到视线、天 气环境、劳累程度等客观因素以及其他一些主观因素的的影响，无法准 确判断交通状况，也就不能对冲突进行正确协调，进一步造成交通系统 的拥堵； 4 影响后果严重：一旦交通产生冲突，而靠简单的交通设施和人工又无法 解决这些冲突时，必将造成冲突的扩大延续，影响工程物资的运输到位， 不仅会对工程的进度带来影响，还会带来额外的施工投入，进而造成潜 在的质量下降，最终导致工程建设的受阻。 不同于城市交通系统，水利水电工程的场内、外道路由于受到特定的地理条 件和环境、有限的交通场地的制约，在实际工程建设过程中不能依靠扩宽、新建 道路等外延式途径来解决交通问题，而应通过建立工程交通控制系统，彻底改变 目前工程交通系统的交通设旌简陋、科技含量低的不良状况，从宏观及微观两个 角度提高现有交通网络的通行能力，避免因不畅的交通状况导致对工程建设产生 严重的负面影响。由于工程道路条件复杂，道路环境恶劣，随着工程的进展，交 通流的时变性、随机性和受干扰严重等特点更加突出，传统的控制方法难以取得 理想的效果。而a g e n t 研究方法的出现为模拟有生命的对象以及具有一定内在变 化规律的对象实体的模拟提供了有效的工具，它的自主性、社会能力、被动响应 能力、主动响应能力、时间连续性、自适应性以及可移动性，大大扩展了客观对 象的空间，因此，为了保证水电站工程建设的顺利进展，有必要将交通控制层次 多a g e n t 理论及技术运用到工程场内交通控制系统中来，以加强交通控制系统的 智能性。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文的研究内容及意义 1 3 1 本文的研究意义 水利水电工程中的规划设计中，主体工程是重点，而作为与外界相联系的桥 梁，交通系统很少受到足够的重视，规划设计中往往仅注重对交通系统的地理位 置、交通容量的确定，而忽视了在交通系统投入运行后的控制管理问题，但交通 控制管理问题却是直接影响工程进展的重要因素之一，如果交通系统不通畅，将 会直接导致工程物资的到位延迟，而对于一个工期要求严格的大型水利水电工程 而言，这无疑是非常不利的。而在溪洛渡水电工程的场内系统中，道路类型种类 多样，有桥梁、公路、隧洞，特别是在隧洞中，由于视线不好、洞内环境湿滑， 常常容易造成交通事故，溪洛渡的施工场地相对狭小，盘山公路多，也容易造成 交通事故。 因此，本研究着重于解决目前水利水电工程的交通系统仅仅依靠人工进行协 调所具有的弊端，其结果不仅可为管理者提供了实时有效的交通控制手段，还有 利于场内车辆的统计、运输量结算、道路维护分摊费用结算等一系列与交通有关 的统计工作，为工程的顺利进行提供了可靠的保障。 1 3 2 本文的研究内容 本文为层次多a g e n t 系统在水利水电工程场内交通控制管理系统中的利用 做出了概念化设计，根据水利水电工程场内交通特有的性质和特征，对交通控制 管理智能化设计进行了初步探讨。本文通过将层次多a g e n t 系统的理论和实践与 交通系统研究中的先进技术相结合，以溪洛渡大型水利工程的场内交通系统为研 究对象，构建基于层次多a g e n t 系统的大型工程场内交通控制与管理模型。通过 对溪洛渡工程场内交通的冲突预测、决策、冲突解决，以及决策模块在层次多 a g e n t 系统中的核心地位的研究，运用层次分析法( a n a l y t i ch i e r a r c h i c a lp r o c e s s ， a 王口) 对溪洛渡水电工程交通系统中信息处理模型的决策部分进行研究，以交叉 口a g e n t 的决策行为为例，借助a h p 算法和其对各个路段a g e n t 所得到各种信 息的非量纲化评价指标的模糊描述，来建立多级a g e n t 评价指标体系和多级模糊 评判模型。 本文研究的基于多a g e n t 交通系统的建立首先需要通过对g i s 环境下的溪洛 渡水电工程场内交通路网进行划分，将其看作由多个子路网组成的道路网络，建 立多a g e n t 的单独的智能模型，然后按区建立分区多a g e n t 交通系统模型，最后 建立全局的交通系统模型。 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 3 本文的框架结构 本文共分为四个章节，第一章为绪论，主要介绍本文的研究原因、意图、现 状以及将会达到的效果；第二章分析交通控制理论，着重分析交通诱导系统和信 号控制系统的功能，描述两个系统之间的协调过程，提出交通控制的管理系统； 第三章通过分析水电工程场内交通系统的层次结构，建立了层次多a g e n t 控制模 型，基于决策模块在整个控制系统中的重要性，提出了运用层次分析法来解决决 策问题；第四章基于前三章的理论系统，针对溪洛渡工程场内交通系统的特点， 对溪洛渡工程场内交通系统控制的层次多a g e n t 系统的应用框架进行了研究，设 计了交通控制多a g e n t 系统的概念模型，并在实例中运用层次分析法解决了决策 模块这个核心问题。 天津大学硕士学位论文 第二章水电工程交通控制系统理论 第二章水电工程交通控制系统理论 大型水利水电工程中的资源调度关系着整个工程建设的顺利与否，而资源的 调度与工程的场内交通调度息息相关，特别是在工程建设的高峰时期以及关键 期，资源的准时到位便显得尤为重要，因此，如何确保场内交通系统畅通，以减 少甚至避免资源的到位延迟是水电站场内交通管理调度的重要问题之一。在工程 建设期间，随着工程的进展，所需的资源内容会随之改变，交通系统中的车辆数 目、种类也会随之改变，因此，如何建立一个能随着情况的改变而改变交通控制 原则的模型也是有待于研究的课题。目前还没有全面、系统地分析水电工程场内 交通系统的理论，关于交通控制基本理论研究目前多在城市交通系统之中，本章 在介绍这些理论时，为了描述方便，大部分概念及方法仍延用城市交通智能系统 中的定义。 近年来兴起的、运用各种先进的技术手段解决交通问题的综合系统是智能交 通系统( 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 ) 。城市道路的交通流实时管理是 智能交通系统研究和应用的重要内容之一。i t s 中城市交通的在线管理主要是由 实时的交通信号控制系统( u r b a nt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ，u t c s ) 和车辆路线诱导 系统( v e h i c l er o u t eg u i d a n c es y s t e m ，v r g s ) 来完成的。从智能交通系统整体 的观点出发，u t c s 与v r g s 是相互联系的，它们之间的运行不是孤立的，而是 存在某种方式的协调，只有这样，才能保证城市交通在线管理的高效性【6 l 【刀。因 此，在水电工程中也运用交通诱导控制系统和交通信号控制系统之间的协调来控 制整个场内交通系统的正常运行。 2 1 交通信号控制系统 交通信号控制系统是利用计算机软件和先进的控制理论，通过对路网上的交 通灯的配时方案进行优化控制，使路网上的车辆有序流动，保证被控范围内道路 通畅，同时交通控制还包括对各种紧急特殊情况下，交通控制方案的优化生成。 从控制手段上讲，交通控制是通过对交通信号灯相位的直接控制，从而达到对车 辆行或停的强制控制，使现有的道路通行能力得到充分的发挥，减少交通阻塞的 发生，缩短旅行时间。 在交通信号控制系统中，主要将信号灯作为控制的执行设备，通过信号灯色 的改变，控制车流在路口交通流的运动。虽然目前可以采取的交通控制方式和方 法很多，但是无论何种方式，其主要手段都是对已经产生的将要通过某个路口的 车辆进行控制，改变不同方向的车辆通过路口的时间，从而使车流量在网络上的 时间分布发生变化，以减少路口内的交通流的冲突，提高现有道路的通行能力， 6 天津大学硕士学位论文 第二章水电工程交通控制系统理论 这种对路网上已经发生的交通流量的时间分布进行的直接调整是交通控制的本 质特征，因此，交通信号是从时间上对道路交通流进行管理。 2 1 1 交通信号控制系统理论 交通信号控制系统的主要目的为： 1 减少冲突点：交叉口交通安全的根本是减少冲突点，可采用单行线、禁 止左转弯等方法； 2 控制相对速度：可采用严格控制车辆进入交叉口的速度；对于右转弯或 左转弯应严格控制其合流角，以小于3 0 度为佳；必要时可设置一些隔 离设施用以减小合流角。 3 重交通流优先：重交通流是指较大交通流量的交通流，重交通流通过交 叉口应给予优先权。其方法是在轻交通流方向上设置让路标志，或是延 长在重交通流方向上的绿灯时间。 4 分离冲突点和减小冲突区：交叉口上的交通流是复杂的，各种车辆在合 流与分流的过程中所产生的车辆交叉运行，有的路径太接近甚至重叠， 有的偏离过大，导致交叉口上冲突点增多和冲突区扩大，安全性大大降 低。此时，运用分离冲突点和减小冲突区的原则能收到较好效果。 5 选取最佳周期，提高绿灯利用率：在有固定周期自动交通信号灯的交叉 口处，对各方向的交通流做经常性调查，根据流量大小计算最佳周期和 绿信比，以提高绿灯利用率，减少车辆在交叉口的延误【l 们。 交通信号控制系统的主要类型为： 1 单点交叉口交通信号控制 简称为“点控制”，以单个交叉口为控制对象，是交通信号灯控制的最基本形 式。根据道路交叉口所采用信号灯控制方式的不同，点控制又可以分为固定周期 信号控制及感应式信号控制。 2 干道交通信号协调控制 简称为“线控制”，就是把一条主要干道上一批相邻的交通信号灯联动起来， 进行协调控制，以便提高整个干道的通行能力。同样，线控制也可以分为定时式 协调控制及感应式协调控制。 3 区域交通信号系统控制 简称为“面控制”，把整个区域中所有信号交叉口作为协调控制的对象。控制 区内各受控交通信号都受中心控制室的集中控制。对范围较小的区域，可以整个 区域集中控制；范围较大的区域，可以分区分级控制。分区的结果往往成为一个 由几条线控制组成的分级集中控制系统，这时，可以认为各线控制是面控制中的 一个单元；有时分区成为一个点、线、面控制的综合性分级控制系统。 7 天津大学硕士学位论文第二章水电工程交通控制系统理论 按照控制策略可以分为定时脱机式控制系统及感应式联机控制系统。 2 1 2 交通信号控制方法 国内外对交通信号的控制进行了研究，寻找不同的方法对城市交通信号控制 进行描述和仿真，其中新近发展起来、且较为完善的交通信号控制方法有： 1 基于模糊逻辑的交通信号控制【1 1 】：即采用模糊逻辑进行路口信号灯控制 的方法，通过从路口监测器获取车辆信号，模糊规则对信号灯进行优化 控制，如模糊层次分析法； 2 q 一学习与经验知识相结合的控制算法【1 2 】：q 一学习思想是不去估计环境模 型，而是直接优化一个可迭代计算的q 函数。这种控制算法一方面基于 经验知识给出各状态下控制策略的初始值；另一方面在实现q 学习控制 的过程中，采用最长和最短绿灯时间的概念，对于最长和最短绿灯时间 的选择与确定实质上也是对经验知识的利用。 2 1 3 水电工程交通信号控制系统 水电工程一般都建设在峡谷中，而且为了节省投资，坝址选在峡谷中相对狭 窄的地段，这样水电工程场内交通系统也受到了地理条件的制约，水电工程交通 系统中从某一个出行起点到目的地的路径一般为一条，因此，在水电工程场内交 通系统中，信号控制系统是其主要的控制手段。 水电工程场内运输交通系统是以干道交通与区域交通相结合的系统，如下图 2 1 ，在金属结构加工区、主体施工区、混凝土拌和区、石料加工区以及料场区 之间是以干道的形式相连，可以使用干道交通信号对这些区之间的道路进行协调 控制；而各个区内部的交通又是以区域的形式体现，如料场区运输中，车辆的运 输路线因毛料开挖区的变动而变动，运输路网也随之发生着变动，为了防止运输 车辆发生冲突、阻碍交通，需要对料场内的运输网络进行区域交涌信号控制。因 此根据水电工程交通系统的特点，使用干道交通信号协调控制与区域交通信号系 统控制相结合的控制系统。干道交通信号控制保证从某一个区域到达另一个区域 的交通通畅，区域交通信号控制则是负责本区域内交通的通畅。 水电工程场内交通随着工程进度的推进以及所处位置的不同，其繁忙程度也 会有不同，一般在干道上的交通信号控制可以采用定时式协调控制，在区域内则 可采用感应式联机控制系统。 天津大学硕士学位论文 第二章水电工程交通控制系统理论 2 2 交通诱导控制系统 图2 1 对于任何一个具有一定规律的交通网络系统而言，由于交通空间有限，道路 数量不可能完全按需增长，因此，必须加强对现有道路使用和需求的管理，即用 现代化的管理方法和手段，按照道路的功能，合理地组织交通，调节疏导交通流 量，使道路的交通量与道路通行能力相协调，充分发挥路网的效能，以缓解交通 矛盾。 道路路网的通行能力既与道路空间有关，又与交通控制软件和硬件、使用道 路的方法、车辆运行组织和管理水平有关。不同的车流构成，不同方向车流比例， 以及不同的管理方式都会产生截然不同的控制效果，而同等数量的交通量，按不 同的分布模式会产生不同的交通状况，因此，对道路就有一个最佳使用问题，而 交通控制诱导系统正是为了解决这一问题而产生的。 2 2 1交通诱导控制系统理论 交通诱导是对网络上已经或即将发生的具有意向性( 方向性) 即驶往特定目 的地的交通流，在连接其出行起点和终点的各条路径上的数量分布进行调整，通 过改变行驶在不同路径上的车辆数，达到网络流量均衡的优化目标，即对路网上 未来即将发生的交通流量的空间分布进行直接调整，是实现交通流空间管理的主 要手段【8 】。 交通诱导系统的主要功能是根据当前路网的交通流量和状况及路网上行驶 的或将进入路网的车辆的目的地，经过优化计算，为每一辆车提供较优的行驶路 线。该系统的主要目标有两个：从宏观网络的角度，可以均衡网络上的交通流量 9 天津大学硕士学位论文第二章水电工程交通控制系统理论 使网络的综合交通能力达到最充分利用；从微观网络的角度，达到缩短每辆车行 驶的距离，减少行驶时间等目的。 在交通诱导中，交通流量的预测是交通控制的关键环节【9 】，目前的交通流量 的预测方法主要有三种：基于历史数据法、时间序列法及神经网络仿真法。其中， 神经网络仿真法与前两种相比，没有时间延迟，特别是在对高峰小时流量的预测 时显示出较好的动态应答性。 交通诱导的基本原则有： 1 交通分离的原则：把道路上不同类型、不同方向、不同速度的车辆在时 间或空间上进行分离。 2 交通量控制和调节的原则：从时间上、方向上、区域上、道路功能上来 对交通量进行控制和调节。 3 按交通性质疏导的原则：对不同交通性质的车辆进行引导限制。 2 2 2 交通诱导控制方法 在一个城市交通路网中，当某一路段发生拥塞或交通事故时，必然对最优路 径产生影响，但是在大部分情况下，这种影响是局部性的，也就是说并不需要对 所有路网起讫点之间的最优路径进行重新搜索，通过对典型最优路径中的部分路 段组成进行局部调整，便可生成新的最优路径。 由此，产生了基于多a g e n t 的动态路径规划方法 9 1 ，即通过对g i s 环境下的 城市路网进行划分，将其看作由多个子路网组成的道路网络，应用多a g e n t 技术， 在各子路网分别进行子路网行车路径规划，通过多a g e n t 的通讯与协调，实现对 全局路网进行行车路径动态规划。 2 z3 水电工程交通诱导控制系统 如2 1 3 中所述，水电工程交通系统中从某一个出行起点到目的地的路径一 般为一条，最多不会超过两条。这样水电工程场内交通诱导系统的主要功能则是 根据当前路网的交通流量和状况及路网上行使的或即将进入路网的车辆的目的 地，在两条路径上进行对比经过优化计算后，确定每一辆车的最优的行驶路线。 在水电工程交通控制系统中，诱导控制系统作为信号控制系统的辅助办法，在单 独依靠信号控制系统无法完成协调整个交通控制系统的目的的时候采用诱导控 制系统来完成协调任务。 2 3 交通控制系统的管理 且前，许多诱导方法都是基于路网上交通流量均衡的思想，而流量均衡又是 通过各种交通分配方法来实现的。因此，动态交通分配( d y n a m i ct r a m c 天津大学硕士学位论文第二章水电工程交通控制系统理论 a s s i g n m e n t ，d t a ) 就成为了控制和诱导结合研究的一个重要理论基础。从狭义 的角度来看，动态交通分配是在交通供给能力以及交通需求已知的条件下，分析 其最优的交通流量分布模式，通过一定的控制手段和诱导策略在时间、空间尺度 上重新合理配置已经产生的交通需求，从而使交通路网系统得以高效运行，整体 能力得以充分发挥。一方面，交通分配依据一定的路网均衡原则，得到最优的交 通流量分配模式，为交通诱导系统提供诱导决策的依据，交通分配得到的交通流 可作为交通控制优化决策时的输入。另一方面，交通控制和诱导则是动态交通分 配的实现。交通控制通过改变路口的信号配时方案来改变车流的时间分布；而动 态路线诱导则通过群体诱导系统( 如交通广播) 或个体诱导系统( 如车载电话) 等手段分布非强制性的诱导信息来改变车流的空间分布。反过来，控制决定了车 辆在路口等待及通过路口的时间，直接影响交通分配的结果；另外，控制和诱导 系统通过直接影响实际交通流在时间、空间的分布过程，间接地影响了动态分配 过程闭。因此，本节就交通信号控制系统与车辆诱导系统之间的结合，以及这种 结合对交通系统的管理进行了阐述。 交通信号控制系统( u t c s ) 与车辆诱导系统( v r g s ) 是交通流在线管理 的两种主要方式【l ”。信号控制系统是从时间上对道路交通流进行管理，车辆诱导 系统是从空间分布上对道路交通流进行管理，而时间、空间的不可分性决定了控 制系统和路线诱导系统不是孤立的，而是相互联系的，如图2 - 2 所示。 图2 2 天津大学硕士学位论文第二章水电工程交通控制系统理论 2 3 1 交通信号控制系统( u t c s ) 与车辆诱导系统( v r g s ) 的关 联 从管理层次上分，u t c s 和v r g s 的关联有如下四种1 1 3 j ： 1 数据关联 这种关联是由系统的被控对象特性所决定的。u t c s 和v r g s 是对同一道 路网络上的同一时间段内的交通流进行控制和诱导，控制对象完全相同。相同的 受控对象决定了u t c s 和v r g s 之间在客观描述受控对象属性、状态及变化特 征等的基础数据方面必然存在相互联系，这种关联表现在控制系统和诱导系统可 以建立在共同的基础系统之上，共享这些基础系统所提供的数据及相关的各项功 能。这些基础系统包括交通流监测系统、各种道路、车辆、出行数据的采集系统 及各类的数据通讯系统。 2 信息关联 无论u t c s 还是v r g s 都要以路网实时交通流为基础对路网主要的状态指 标和参数的当前值及策略执行期内的预测值进行估算，以作为确定控制策略或诱 导策略的前提和基础，这就是控制与诱导的信息处理过程。 由于u t c s 和v r g s 在目标和手段上的差异，使得需要的指标和参数也有 所差别。前者侧重于交通流流动过程的性能参数，如路口和路段的车流到达率、 车辆通过路口的延误时问、路口各方向的排队长度、以及路段的占有率和饱和度； 后者侧重于描述路网实时状态以及车流流向的描述性参数，如车辆的行驶时间、 路段的饱和度、路网的均衡度等，这些信息的获得一方面决定于交通流基础数据， 也取决于将数据n t 为信息的处理方法，如各指标的计算方法、采用的预测方 法、模型等5 0 1 5 1 1 ，这也会导致u t c s 和v r g s 在信息层次上的差异。 尽管存在上述的差异，u t c s 和v r g s 在该层次仍密切关联，这种关联表现 在： ( 1 ) 某些信息是两个系统共有或共享的。如道路的占有率和饱和度，控制系统 往往通过路段和路口上的车辆检测器直接获得，而诱导系统则要通过车辆反 馈的信息以及路段的静态参数的计算而得到，通过系统间信息的交互，可以 使这些共有信息得以相互验证，以提高信息的准确性和可靠性； ( 2 ) 一个系统某类信息的获取需要对方系统的支持才能保证信息的真实性。如 车辆的旅行时间与路口的延误时间密切相关，只有依赖控制系统提供的延误 信息，诱导系统得到的旅行时间才更接近于客观实际。 3 策略关联 对于u t c s 和v r g s ，一个正确的决策过程必须考虑对方的行为，研究双方 决策行为之间的相互关系，才能使产生的控制或诱导策略更能够体现交通管理者 1 2 天津大学硕士学位论文 第二章水电工程交通控制系统理论 的管理思想和目标，更符合交通实耐1 3 1 。u t c s 和v r g s 之间的关系见图2 3 。 图2 - 3 ( 1 ) 对交通诱导，各类交通诱导方法都是根据一定的道路通行能力下车辆在各 路段上的行驶时间。由于各个路口实施交通信号灯控制，使得车辆的行驶时间除 了包括车辆在路段上的行驶时间外，还包括在路口排队的等待时间以及通过路口 的行驶时间，而后者不仅仅取决于本路段的车辆流量，还要受到其他方向车辆数 的影响，特别是受到路口实施的灯色控制配时方案的影响，即使在各方向车辆数 完全相同的情况下，由于执行的控制方案不同，车辆的延误时间也会存在差异。 另外，由于交通控制效果的优劣，会使道路上堵塞减轻或加重，从而影响道路的 实际通行能力，必然会影响司机对行驶线路的选择，因此，在制定交通流诱导策 略时必须考虑交通控制的影响作用。 ( 2 ) 对交通控制，交通控制实施优化控制的前提是能够获得各个方向即将通过 路口的车辆数，而各个路口的车流到达率很大程度上是由诱导策略下驾驶员的线 路选择所决定，即交通诱导直接决定了各个路段和路口车辆到达的时间和数量。 同时，当交通流量超过一定限度时，道路上会出现交通堵塞，此时只有通过诱导， 才能减少驶入堵塞路段的车流，减轻交通压力，这种情况下单纯依靠控制难以取 得疏导交通的目的。 4 诱导和控制的互补关联 诱导和控制是分别从空间、时间两个不同方面对网络交通流进行有效管理的 两种不同手段，是相辅相成的，对于一个特定的网络上的交通流，其时间、空间 两方面的管理与控制是不可分离的。 由上述可知，诱导系统与控制系统之间这种既相互联系又相互独立、功能互 补、各有侧重的特性，决定了在交通管理中，应当正确地把握、处理好实时交通 控制与实施诱导的关系，以实现控制与诱导的协调。 2 3 2u t c s 和v r g s 的协调模式 协调是指交通控制与诱导系统的相互配合的运作方式，以获得优于各自的交 天津大学硕士学位论文 第二章水电工程交通控制系统理论 通管理效果或效率。对应于控制与诱导关联的层次，控制与诱导的协调包括数据、 信息、策略以及策略优化生成过程的交互，可在数据、信息、策略等三个层次上 实现，而其中最能体现效果的是策略生成的协调，即策略层的交互。 策略协调是指综合控制系统、诱导系统的各相关因素，考虑控制系统与诱导 系统之间的动态实时的相互影响和作用，而获得效果更佳的控制、诱导策略的优 化过程。 控制与诱导之间的协调方式在不同的环境和条件下是不同的，即使对同一个 交通网络，在不同的时段中，交通状态不同，管理的目标不同，二者之间协调的 具体实现方式也会不n t ”1 。从目前的理论和技术分析，控制系统和诱导系统之间 的协调模式可以有以下几种l l l 】： 1 独立式 u t c s 和v r g s 之间不存在策略和方案方面的关联，与孤立的u t c s 和 v r g s 不同的是系统之间可以共享基础数据和交通信息，即u t c s 和v r g s 之 间的协调只以低层次上的数据信息关联的形式存在。作为其他方式协调实现的基 础，这种协调的目的是提高各种数据采集、传输、处理系统的利用率，以及数据 和信息的共享度和可靠性，但对提高控制和诱导效果所起的作用有限。 2 偏重式 独立运行的u t c s 和v r g s 之间关系是非对称的，存在着主从关系，其中 一个作为主导系统，它在生成策略时，将另外一个系统所产生的实时策略作为系 统优化模型的外生变量或约束条件加以利用，而另外的系统需要将每个决策周期 生成的新的策略和方案及时地报告给主导系统，以使主导系统的决策建立在对从 属系统的行为全面洞察的基础上。这样的方式将动态的双向关联问题简化为静态 的单向关联，其实质是一种改进的控制诱导方法，而不是真正意义上的二者的结 合与协调。 3 协作式 在协作式模式下，首先制定控制和诱导协作的总体目标，在该目标的指导下， 控制系统和诱导系统处于对等的地位，分别依据控制与诱导模型独立运行，对控 制、诱导优化问题分别求解。控制和诱导的模型不仅要遵循协作目标，而且要将 对方的优化结果和决策行为作为实现协调目标、求解模型的不可缺少的信息来源 或外来参数。这样，一个控制策略、诱导策略的生成需要双方多次信息交互，才 可能获得各自都能够接受的满意解。这样的方式是对偏重方式的一种改进，将以 一种管理方式为主转换为控制和诱导双方平等，按照两个系统之间既定的目标准 则和交互规则，实现控制与诱导的相互协作，避免二者决策行为的冲突和矛盾。 4 递阶协调方式 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章水电工程交通控制系统理论 递阶协调方式基于大系统递阶协调控制的思想，首先在较低的层次上，分别 对诱导、控制的优化问题进行求解，将在较高的层次上对二者的优化结果进行协 调，并将协调的结果及其他信息返回到低层上，作为新的初始条件，重新对诱导、 控制进行新一轮的优化。这样，通过反复迭代，直至得到一个满足整体目标的协 调方案为止。这种协调的结果，得到的往往是满意解，而不是