人工智能技術(shù)在交通控制領(lǐng)域的應(yīng)用課件

人工智能技術(shù)在交通控制領(lǐng)域的應(yīng)用--基于目前交通問題及交通系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀,近年來人們開始借鑒新的理論和技術(shù)研究交叉口的交通控制技術(shù)，介紹了城市智能交通系統(tǒng)的發(fā)展概況與趨勢,對當(dāng)前的研究成果進(jìn)行了詳盡的分析和闡述,這些研究對于提高城市交通控制系統(tǒng)的控制效果具有現(xiàn)實意義。

交通信號控制是依據(jù)路網(wǎng)交通流數(shù)據(jù),對交通信號進(jìn)行初始化配時和控制,同時根據(jù)實時交通流狀況,實時調(diào)整配時方案,實現(xiàn)交通控制的優(yōu)化。交通控制從被控區(qū)域的最小延誤時間出發(fā),獲得最佳的配時方案,是系統(tǒng)化最優(yōu)的思想。為獲得整個路口交通效益的最大,可采用兩種方法:一是采用數(shù)學(xué)模型對交叉口各個方向的車輛到達(dá)作準(zhǔn)確的預(yù)測,根據(jù)運籌學(xué)和最優(yōu)化理論確定各個方向的綠燈時間;二是采用智能控制的方法對交叉口進(jìn)行控制。由于城市交通系統(tǒng)具有隨機性、模糊性、不確定性等特點,很難對其建立數(shù)學(xué)模型。計算機的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用促成了人工智能研究熱潮的掀起,針對傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)的固有缺陷和局限性,許多學(xué)者把人工智能的實用技術(shù)相繼推出并應(yīng)用到交通控制領(lǐng)域。交通控制領(lǐng)域中人工智能

基礎(chǔ)研究方法交通控制領(lǐng)域中人工智能基礎(chǔ)研究方法有模糊控制、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),另外還有蟻群算法、粒子群優(yōu)化算法等。模糊系統(tǒng)模糊邏輯是一種處理不確定性、非線性等問題的有力工具,特別適用于表示模糊及定性知識,與人類思維的某些特征相一致,故嵌入到推理技術(shù)中具有良好效果。模糊控制能有效處理模糊信息,但是產(chǎn)生的規(guī)則比較粗糙,沒有自學(xué)習(xí)能力。遺傳算法遺傳學(xué)通過運用仿生原理實現(xiàn)了在解空間的快速搜索,廣泛用于解決大規(guī)模組合優(yōu)化問題。在解決實時交通控制系統(tǒng)中的模型及計算問題時,可以通過遺傳算法進(jìn)行全局搜索和確定公共周期,也可以利用遺傳算法來解決面控系統(tǒng)中各交叉路口信號控制方案的最優(yōu)協(xié)作問題,有效避免可能由此引起的交通方案組合爆炸后果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擅長于解決非線性數(shù)學(xué)模型問題,并具有自適應(yīng)、自組織和學(xué)習(xí)功能,廣泛應(yīng)用于模式識別、數(shù)據(jù)分析與處理等方面,其顯著特點是具有學(xué)習(xí)功能。并根據(jù)各個Agent所完成的功能不同,分別建立各個Agent的功能結(jié)構(gòu),然后讓這些Agent之間進(jìn)行交互和協(xié)調(diào),共同完成系統(tǒng)任務(wù)。圖1是一種較為通用的結(jié)構(gòu)。圖1基于Agent的智能交通控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)智能交通控制系統(tǒng)遞階控制結(jié)構(gòu)各層的功能如下:組織層控制系統(tǒng)的最高層,由智能交通控制系統(tǒng)決策Agent構(gòu)成,具有最高的決策權(quán)力,對整個系統(tǒng)的交通運行狀況進(jìn)行評估,根據(jù)各方面的匯總信息,進(jìn)行推理、規(guī)劃和決策,實現(xiàn)所有區(qū)域控制系統(tǒng)間的協(xié)作,以追求總體控制效果最優(yōu),完成交通控制系統(tǒng)的管理。協(xié)調(diào)層控制系統(tǒng)的中間層,由區(qū)域協(xié)調(diào)Agent構(gòu)成,負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)各路口的監(jiān)測維護(hù)工作,對所控制區(qū)域的某幾個路口進(jìn)行強行模式設(shè)置,以及負(fù)責(zé)對區(qū)域內(nèi)緊急事件的處理工作,各區(qū)域協(xié)調(diào)Agent之間還可根據(jù)需要進(jìn)行信息的交流及合作。協(xié)調(diào)層控制系統(tǒng)的中間層,由區(qū)域協(xié)調(diào)Agent構(gòu)成,負(fù)責(zé)本區(qū)域內(nèi)各路口的監(jiān)測維護(hù)工作,對所控制區(qū)域的某幾個路口進(jìn)行強行模式設(shè)置,以及負(fù)責(zé)對區(qū)域內(nèi)緊急事件的處理工作,各區(qū)域協(xié)調(diào)Agent之間還可根據(jù)需要進(jìn)行信息的交流及合作?？刂茖涌刂葡到y(tǒng)的最底層,主要由路口Agent、路段Agent構(gòu)成,此外,還包括交通燈Agent、車輛Agent等,是實現(xiàn)交通控制任務(wù)的主要承擔(dān)者。路口Agent具有關(guān)于本路口以及其所連接路段的信息,各個方向的交通流在此會聚,并形成車輛的分流、沖突等交通現(xiàn)象,交通的擁擠往往也主要發(fā)生在路口,因此,路口Agent非常重要,他可將本路口的交通信息實時通知給其相鄰路口或區(qū)域控制中心,并能根據(jù)需要完成控制中心下達(dá)的控制工作。路段Agent用以實時統(tǒng)計各條路段的具體交通信息,通過傳感器可了解車輛的數(shù)量和當(dāng)前的運行位置以及路段當(dāng)前的擁擠情況。一個實際交通系統(tǒng)和各交通元素Agent之間的交互是非常頻繁和復(fù)雜的,交通元素Agent的結(jié)構(gòu)、功能以及他們之間的交互關(guān)系,需要根據(jù)系統(tǒng)的具體要求進(jìn)行詳細(xì)的分析和設(shè)計。2交通控制系統(tǒng)的仿真工具為了判別人工智能方法的合理性、有效性,需要仿真軟件來進(jìn)行驗證。目前有兩類驗證方法,一種是通過Matlab、C語言編制仿真程序,另一種是通過專用的交通仿真工具進(jìn)行驗證。交通仿真軟件使用靈活、能夠更加直觀地模擬交通控制現(xiàn)場。現(xiàn)介紹北京工業(yè)大學(xué)智能交通中心采用的微觀交通仿真軟件PARAMICS,該仿真軟件功能強大、使用方便靈活。PARAMICS(PARAllelMICroscopicSimulator)意為并行微觀仿真軟件[4]。PARAMICS源于歐洲共同體Drive2I計劃下屬的IMAURO項目,以及愛丁堡并行計算中心和英國交通部合作的LINK2TIO項目。在這兩個項目研究成果的基礎(chǔ)上,Quadstone公司于1993年和1994年與英國工商部合作完成了PARAMICS向商業(yè)化軟件的初步轉(zhuǎn)型。PARAMICS為交通工程師和研究人員提供了一個嶄新的計算工具來理解、模擬和分析實際的道路交通狀況。PARAMICS具有實時動態(tài)的三維可視化用戶界面,對單一車輛進(jìn)行微觀處理的能力,多用戶并行計算支持,以及功能強大的應(yīng)用程序接口。PARAMICS能夠適應(yīng)各種規(guī)模的路網(wǎng),從單節(jié)點到全國規(guī)模的路網(wǎng),能支持100萬個節(jié)點,400萬個路段,32000個區(qū)域。PARAMICS由5個主要工具模塊組成,分別是Mod2eller,Processor,Analyser,Programmer和Monitor,其中Modeller是整個系統(tǒng)的核心,以下是各部分的簡介。(1)Modeller提供建立交通路網(wǎng)、三維交通仿真和統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸出等3大功能。所有這些功能均支持直觀的圖形用戶界面。Modeller的功能涵蓋了實際交通路網(wǎng)的各個方面,包括:混合的城市路網(wǎng)和高速路路網(wǎng)、先進(jìn)的交通信號控制、環(huán)形交叉口、左行和右行道路、公共交通、停車場、事故以及重型車和高容量車車道。Modeller既可以精確模擬單個車輛在復(fù)雜、擁擠的交通路網(wǎng)中的運行,又能對整體交通狀況進(jìn)行宏觀把握。(2)Processor允許研究者用批處理的方式進(jìn)行仿真計算,并得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)輸出。Processor提供圖形用戶界面以設(shè)定仿真參數(shù)、選擇輸出數(shù)據(jù)和改變車輛特征。由于用批處理的方式進(jìn)行仿真計算不顯示仿真過程車輛的位置和路網(wǎng),因此大大加快了仿真的速度。(3)Analyser用于顯示由Modeller或Processor的仿真過程的統(tǒng)計結(jié)果。他采用靈活易用的圖形用戶界面將仿真過程中的各種結(jié)果進(jìn)行可視化的輸出,例如車輛行駛路線、路段交通流量、最大車隊長度、交通密度、速度和延遲、以及服務(wù)水平參數(shù)等。除了可視化輸出,Analyser也提供直接的數(shù)字輸出或?qū)?shù)據(jù)存為文本文件以備進(jìn)一步的應(yīng)用。(4)Programmer為研究者提供了基于C++的應(yīng)用程序接口(API)。應(yīng)用程序接口使PARAMICS具備更強的可移植性和擴充性。例如,PARAMICS實際上基于英國的駕駛規(guī)則和車輛特性,當(dāng)用于其他國家和地區(qū)時,需要研究者編制適當(dāng)?shù)腁PI程序使之適應(yīng)當(dāng)?shù)匦枰?。研究者也可以利用API擴充PARAMICS的功能,通過加入API程序模塊以設(shè)計和測試特殊的交通控制和管理策略。(5)Monitor是利用Programmer開發(fā)的API模塊,他可以跟蹤計算仿真的交通路網(wǎng)中所有車輛尾氣排放的數(shù)量,并在交通仿真過程中進(jìn)行可視化的顯示。PARAMICS提供了ITS基礎(chǔ)上的微觀交通仿真功能,利用仿真的交通信號