人工智能技术在交通控制领域的应用.pdf

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1、2 0 0 7年 第 2 3期 总 第 2 6 2 人工智能技术在交通控制领域的应用 朱铭琳(运城学 院山西 运 城0 4 4 0 0 0)摘 要：基 于 目前交通问题及交通 系统发展 的现状，近年来人们 开始借 鉴新 的理论和技 术研 究交叉 口的交通控 制技术。介绍 了城市智能 交通 系统 的发展概 况与趋势，对 当前的研 究成 果进行 了详尽 的分析和 阐述，并提 出 了我 国智 能 交通 系统研 究方向和发展 对策。这些研 究对于提 高城市 交通控制 系统的控制效果具有 现实意义。关键词：城 市交通；区域控制；智能控制；P a r a mi c s微观 交通仿 真 中图分类号：TP 1

2、 8 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4 3 7 3 X(2 0 0 7)2 31 4 9 0 3 Ap p l i c a t i o n o f Ar t i f i c i a l I nt e l l i g e n t Te c hn o l o g y i n Tr a f f i c Co n t r o l Fi e l d ZH U M i ngl i n (Yu n c h e n g Un i v e r s i t y，Yu n c h e n g，0 4 4 0 0 0，Ch i n a)Abs t r a ct：Ac c o r di n g t o t he

3、 c ur r e n t s it u a t i o n of t r a f f i c，p e o pl e b e g i n t o a p p l y n e w t h eo r i e s a n d t e c hn o l o gi e s o n t he t r a f f i c c o n t r o1 Thi s p a p e r i n t r od u c e s t h e ge ne r a l s i t u a t i o n a n d d e v e l o pme n t t r e n d o n t he c i t y t r a n

4、s p o r t a t i o n s y s t e m i nt e l l i g e n c e t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ma k e s a d i s c us s i o n o n t h e l a s t a c h i e v e me n t i n d e t a i l I t a l s o i nt r o du c e s t he f ut u r e r e s e ar c h d i r e c t i o n a n d d e v e l o p me n t p ol i c y o n

5、 i n t e l l i g e n t t r a f f i c s y s t e mI t i s v e r y imp or t a n t t o i mpr ov e t he c o nt r o l e f f e c t o f t h e ur b a n t r a f f i c c o n t r o l s y s t e m Key wor d s：ur ba n t r a f f i c；a r e a c o nt r o l；i nt e l l i g e nt c o nt r o l ；Pa r a mi c s mi c r os c o

6、pi c t r a f f i c s i m u l a t i o n s of t wa r e 交 通信 号控 制(T r a f f i c S i g n a l C o n t r o l，TS C)是依 据 路 网交通 流数据，对 交通信 号进行 初始化 配 时和控制，同 时根据实 时交通流状 况，实 时调整 配时方 案，实 现交 通控 制 的优化。交通控制从被控 区域 的最 小延误 时间 出发，获 得最佳 的配时方案，是 系统化最优 的思想。为获得整个路 口交 通效益 的最 大，可 采用 两种 方 法：一是采用数学模 型对交 叉 口各 个方 向的车辆 到达 作准 确 的预测

7、，根据运筹学和最优化理论确定各 个方 向的绿灯 时 间；二是采用智能控制的方法对交叉 口进行控 制。由于城 市交通系统具有随机性、模糊性、不确定性 等特 点，很难 对 其建立数学模 型。计 算机 的 出现 和广 泛应 用促 成 了人工 智能研 究热潮的掀起，针对传统交通控制 系统 的固有缺 陷 和局限性，许多学者把人 工智能的实用技术 相继推 出并应 用到交通控制 领域。l 交通控 制领 域 中人 工智 能研 究方 法 1 1 基础研 究方 法 交通控制领域中人工智能基础研究 方法有模糊控制、遗 传算法、神经网络，另外还有蚁群算法、粒子群优化算法等。模 糊系统 模糊逻辑是一种处理 不确定性、非

8、线性 等 问题 的有力工具，特别适 用于 表示模糊 及定 性知识，与 人 类思维的某些特征相一致，故嵌入到推理技 术 中具 有 良好 效果。模糊控 制能有效处理模糊信息，但 是产生 的规则 比 较粗糙，没有 自学习能力。收稿 日期：2 0 0 7 一O 4 1 8 遗传算法 遗传学通过运用仿生原理实现 了在解 空间 的快速搜索，广泛用 于解决大 规模组合优 化问题。在解决 实时交通控制系统 中的模 型及计算 问题时，可 以通 过遗传 算法进行全局搜索 和确定公 共周期，也 可 以利用遗 传算法 来解决面控系统 中各交叉路 口信 号控制方案的最优 协作 h J 题，有效避免可能 由此引起的交通方

9、案组合爆炸后果 神经 网络人工神经 网络擅长于解决非线性数学模 型 问题，并具有 自适应、自组织 和学 习功能，广泛应用于模式识 别、数据分析与处理等方面，其显著特点是具有学习功能。1 2城 市交通 网路 区域 协调 区域协调是指在交通 中心的宏观调控作 用下，根据 不 同 的交 通流量，最大 限度地 发挥路 口之 间互补 的优 势，均 衡每个路 口的交通流量，从而 提高道 路的通行 能力。他要 求 路 口之间(即包 括城 市道路 与快 速路、城市 道路 与城 市 道路)的 良好 协 作，然 而路 口之 间是 相 互影 响、相 互作 用 的，因此为实现区域协调必然会引起路 口之问 出现 一定程

10、 度 的冲突。如何解决 这些 冲突 是一 个亟需 解决 的重 要问 题。路 网协调控制可 以采 用上 述人工 智 能的基础 研究 方 法，近 年来 Ag e n t技术开始应用 于交通控制领域。基 于 Mu l t i Ag e n t 的城 市交通 网络 智能 决策系统 研 究通过应用 A g e n t 技 术，实现 了交通 网络 系统 理 论方 法，专家的知识经 验和 计算 机之 间的相 互结 合。系统 的知 识 存储于各个 A g e n t 中，以便 于知识 的利 用与获 取，该系统 具有 良好的可扩展性。基于 A g e n t 的智能交通控制系统建模 的首要任 务是将 交通控制

11、系统的各功能模块转化成有独立功能的 A g e n t，并】4 9 维普资讯 http:/ 铭：人工智能技术在交通控制领域的应用 根据各个 A g e n t 所完 成 的功能 不 同，分别 建立 各 个 A g e n t 的功能结构，然后让这些 A g e n t 之间进行交互和 协调，共 同 完成系统任务。图 1 是一种较为通用的结构。组织 I智 能交 通 控制系 统决 策A g e m l 凋 层 I 区 域 协 调 姆n t I l【x 域 渊 A g e n t l 惦 A g e n t A g e n t A g e n t A g e n t I 路口 II路 段 l l 路

12、 I l路 段 图 1 基 于 Ag e n t的智 能 交 通控 制 系统 体 系 结 构 智能交通控制系统递阶控制结构各层 的功能如下：组织层控制系统的最高层，由智 能交通控 制系统 决 策 Ag e n t 构成，具有最 高的决 策权 力，对 整个 系统 的 交通 运行状 况进行评估，根据各方面的汇总信 息，进行 推理、规 划和决策，实现所有 区域控 制系统 间的协 作，以追求 总体 控制效果最优，完成交通控制 系统 的管理。协调层 控 制 系统 的 中 间层，由区 域协 调 Ag e n t构 成，负 责本 区域 内各路 口的监 测维 护工作，对所控 制 区域 的某几个路 口进行强行模

13、式设置，以及 负责对 区域 内紧急 事件的处理工作，各 区域协调 Ag e n t 之间还可根 据需要 进 行信息的交流及合作。控制层 控 制 系统 的最底 层，主要 由路 口 Ag e n t、路 段 Ag e n t构 成，此 外，还 包 括 交 通 灯 Ag e n t、车 辆 Ag e n t 等，是 实现交通控制 任务 的主要承担者。路 口 A g e n t 具有关 于本路 口以及 其 所连接 路 段 的信 息，各个方 向的交通 流在此会 聚，并形成车辆 的分流、冲突 等交通现象，交通 的拥挤往往 也主要发生在 路 口，因此，路 口 A g e n t 非常重要，他 可将本路 口的

14、交通信 息实时通 知给 其相邻路 口或 区域控制 中心，并 能根据 需要完 成控制 中心 下达 的控制工 作。路段 A g e n t 用 以实时 统计各 条路 段 的 具体交通信息，通过传感器 可了解 车辆 的数量 和当前 的运 行位置 以及路段 当前 的拥挤情况。一个实际交通 系统 和各交 通元 素 A g e n t 之 间 的交 互 是非常频繁和复 杂的，交通元 素 A g e n t 的结构、功能 以及 他们 之间的交互关系，需要根据系统 的具 体要求进 行详细 的分析和设计。2 交通 控制 系统 的仿 真工 具 为了判别人工智 能方 法的合 理性、有效 性，需 要 仿真 软件 来

15、进 行 验 证。目前 有 两 类 验 证 方 法，一种 是 通 过 Ma t l a b、C语言编制 仿真 程寺，另一 种 是通 过专 用 的 交通 仿 真工具进 行验证。交通 仿真软件使用灵 活、能够 更加直 观地模拟交通 控制 现场。现 介绍北 京 工业大 学智 能 交通 中心 采用 的微 观交通仿 真软 件 P ARAMI CS，该仿 真软件 功能强大、使用方便灵活。P ARAMI C S(P ARAl l e l MI C r o s c o p i c S i mu l a t o r)意为 并行微观仿真软件 。P A R A MI C S源于欧洲共同体 1 5 O D r i v

16、e I 计划 下属 的 I MAU R O项 目，以及 爱 丁堡 并行 计 算 中心和英 国交通部合作 的 L I N K T I O项 目。在这 两个 项 目研 究 成 果 的 基 础 上，Qu a d s t o n e公 司 于 1 9 9 3年 和 1 9 9 4年与英 国工商 部 合作完 成 了 P A R AMI C S向商业 化 软件的初步转型。P ARAMI C S为交 通工程师 和研究 人员 提供 了一个崭新 的计 算工具 来理解、模拟 和分析实 际的道 路交通状况。P ARAMI C S具有实时动 态的三维 可视化 用 户界 面，对单 一车辆 进行微 观处理 的能 力，多用

17、 户并行 计 算支持，以及 功 能强 大的 应用 程序 接 口。P AR A MI C S能 够适应 各种规模 的路 网，从单 节点 到全 国规 模的路 网，能 支持 1 0 0万个节点，4 0 0万个路段，3 2 0 0 0个 区域。P ARAMI C S由 5个主要 工具模块 组成，分别是 Mo d e l l e r，P r o c e s s o r，An a l y s e r，P r o g r a mme r和 Mo n i t o r，其 中 Mo d e l l e r 是整个系统的核心，以下是各部分 的简介。(1)Mo d e l l e r 提供建立交通路 网、三 维交通

18、仿 真 和统 计数据输 出等 3大功 能。所有 这些 功能 均支持 直 观 的图 形用户界面。Mo d e l l e r的功 能涵盖 了实 际交通 路 网的各 个方面，包括：混合的城市路 网和高速路 路 网、先进 的交通 信 号控制、环形交 叉 口、左行 和右行 道路、公共 交通、停车 场、事故 以及重型车和高容量 车车道。Mo d e l l e r 既 可以精 确模拟 单个车辆 在复杂、拥挤 的交通路 网 中的运行，又能 对整体 交通 状况进 行宏观把握。(2)P r o c e s s o r允许研究 者用批 处 理的方 式进行 仿真 计算，并得 到 统计 数据 输 出。P r o c

19、 e s s o r 提 供 图 形用 户界 面 以设定仿真参数、选择输 出数据 和改变 车辆 特征。由于 用批处理 的方式进 行仿 真计 算不 显示仿 真过程 车辆 的位 置和路 网，因此大大加快 了仿 真的速度。(3)An a l y s e r 用于显示 由 Mo d e l l e r 或 P r o c e s s o r 的仿 真过程 的统计 结果。他采 用灵 活易用 的图形用 户界 面将 仿真过程 中的各种结果进行可视化 的输 出，例如 车辆行驶 路线、路段交通流量、最 大车 队长度、交通 密度、速度 和延 迟、以及服务 水平参 数 等。除 了可视化 输 出，An a l y s

20、 e r也 提供 直接的数字输 出或将数 据存 为文 本文件 以备进一 步 的应用。(4)P r o g r a mme r为研 究者提供 了基 于 C“的应用 程 序接 口(AP I)。应用程序 接 口使 P ARAMI C S具 备更强 的 可移植性和 扩充性。例如，P ARAMI CS实 际上 基 于英 国 的驾驶规则 和车辆 特性，当用 于其他 国家和地 区时，需 要 研究者 编制适 当的 A P I 程 序使之 适应 当地需要。研究者 也 可以利用 AP I扩充 P ARAMI C S的功能，通 过加 入 AP I 程序模块 以设计和测试特殊 的交通 控制和管理策略。(5)Mo n

21、i t o r 是利用 P r o g r a mme r开发的 AP I 模块，他 可以跟踪计算仿真 的交通 路 网中所 有车辆 尾 气排放 的数 量，并在交通仿真过程中进行可视化的显示。P A R AMI C S提供 了 I T S基 础上 的微 观交 通 仿 真 功 能，利用仿 真的交 通信号、匝道控制、可变 速度控制标 志和 维普资讯 http:/ 2 0 0 7年 第 2 3期 总 第 2 6 2 可变信息板(VMS)等仿 真 设备，可 以实现 对 仿真 车辆 的 智能化交通诱导。另外，通 过 API 函数还 可 以实现特殊 的 控制 策略，对 于研究新 的控制和诱导方法带 来 了便

22、利。图 2 用 P AR A MI C S仿真时的 交叉 口路况的可视化界 面，图中可 以直观地显示 出车辆 的通行状况。图 2 PARAMI CS可视 化 仿 真 图像 3未来 智能 交通 系统 的 功能 及组 成 智能交 通系统(I n t e l l i g e n t T r a n s p o r t a t i o n S y s t e m，I TS)是将先进 的信息技术、数 据通讯 传输技术、电子传感 技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效 的集成 运用于整个 地面交通管理系统而建立 的一种在 大范 围内、全方位 发挥 作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。智能交通

23、系统的运作方式：将采集 到的各种 道路 交通 及各种 服务信息，经过交通管理控制 中心集 中处 理后传送 到公路运 输系统 的各个用 户(包括 驾驶 者、居 民、警 察局、停车场、运输公 司、医院、救 险排障等部 门)，出行者可 以 进 行实时的交通 方式 和 交通 路线 的选 择；交 通管 理部 门 可以 自动进行交通疏导、控制 和事故 处理；运输 部门可 以 随 时掌握 所属车辆的动态情况，进 行合理调度 。I T S系统 主要 由卫 星地 面站、卫 星通信 系统、汽车 自 动 驾驶系统、公路 电子信息 系统组成。I TS研究 的前沿 和 热 门方 向为车辆 定位 与交通 导航 系统、信

24、息系统、信号 协 调 控制系统、及 自动化公路系统 等。4 结 语 智能交通系统对于我 国交通运输领域是一场跨 世纪的 技术革命，目前，国内已经涌现出一批 I T S的科技成果 和产 品，有些已经得 到 了广泛 的应用。随着 研究 的深入和成 果 的推广，I T S将给我们的社会带来经济效益与社会效益。参考文献 1 杨 兆 升，陈 昕，王 媛 城 市交 通 控 制 与 诱 导 系 统智 能协 作 J 交通运输 系统 工程与信息，2 0 0 5，5(6)：4 34 6 E 2 俞峥，李建勇 多智 能体在交通 控制 系统 中的应 用 J 交通 运输工程学报，2 0 0 1(1)：5 55 7 I-

25、3 鹿玲杰，申徐洲 Ag e n t 技 术在 智能交 通控 制 中的应用 J 交通 与计算机，2 0 0 6，2 4(1)：4 7 5 0 4 赵 晓华，陈 阳舟，石 建军，等 交通 控制 算法 在 P AR AMI C S 交 通仿 真软件 中的 实现 J 公 路 交 通科 技，2 0 0 6，2 3(6)：13 6 1 3 9 E 5 卫小伟 智能化交通系统的发展现状及未来 J 现代电子 技术，2 0 0 5，2 8(1 3)：7 47 5 作 者简介 朱铭琳女，】9 7 4年 出生，广西桂林人，讲师，北京工业大 学硕士。研 究方向为智能交通 系统、人 工智 能技 术 (上 接 第 1

26、4 8页)4模 型设想 的 扩展 该模型是基于公交 系统拥塞控制，很多基 于公交 系统 的应用都可 以在此模型 中实现。如公 交到站 预报 系统，在 该模型基础上利用 无线 通信 实现 预报 系统 的零 投入。把 该模型同智能交通灯结合起来，实现对 交通拥 塞的控制 预 防和解决。还 可 以在 该模 型的 基础 上在几 个 重要路 口和 经常发生 阻塞 的路 段 安装 电子 眼 用 来 实 时监 控 路 段信 息，从而更实 时更有 效地 解决 交通 拥塞 问题。同时，当没 有路况信息发布时，可以把这 个系统模型用来 发布产 品广 告，不仅 节约 了成本，还繁荣 了都 市气息。5 结 语 目前，

27、城市 交通 道路 的拥 塞 仍是 我 国城 市交 通 的瓶 颈，寻求智能策略的阻塞处理成 为智 能交通控制 的关键和 突破 口。本模 型综合利用计算机技术，无线通 信技术和 电 子控制技术，在 公 交 系统 的基 础 上 实现 了道 路 的拥 塞控 制。由于该模 型是在 公交系统的基础 上建立起 来的，所 以 没办法达 到拥塞控 制的实时性。但本模 型的提 出，为交通 信号控制 系统的发展与 普及提供 了一 定的技术 支持，同时 为智能交通控制提供 了一定的参考价值。参考文献 1 李鸿 强，苗 长云 一种新 型的公交 车 到站 电子预报 系统 J 天津工业 大学学报：自然科学版，2 0 0 5

28、，2 4(3)：4 4 4 6 E 2 郭兆 正 L E D点阵显示屏 系统设计 J 渤 海大学学 报：自然 科学版，2 0 0 5，2 6(4)：3 0 2 3 0 4 3 常艳 用远距 离截 流解 决交 通阻 塞 问题 的设 想 J 辽宁 臀 专学报，2 0 0 2(3)：4 4 4 5 4 杜军 智能交通简介 J 青 海交通科技，2 0 0 1(4)：4 1 5 李明利，赵祥模，王选 民 分 组拥 塞 控制 在城 市交通 中的 应 用 J 长安大学学 报：自然科 学版，2 0 0 3(6)：9 4 9 8 作者简介林伟 艺 男，1 9 8 1 年 出生，福 州大学在读研究生。主要研 究方向为嵌入式 系统应 用开发。刘大茂 男，1 9 4 8年 出生，福建福 州人，教授，硕士 生导 师。主要研 究方向为嵌入式 系统应用开发。】51 维普资讯 http:/