基于多智能体的信号控制研究.docx

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基于多智能体的信号控制研究

基于多智能体的信号控制研究

摘要

城市交通信号控制系统是智能交通系统的重要组成部分。

先进的城市交通信

号控制系统对改善交通状况，充分利用现有道路的通行能力起着重要作用。

目前，我国多数城市的交通流是机动车、非机动车、行人混合的交通流。

这

就要求我们在充分借鉴国外经验的基础上，结合我国的实际，发展我国自己的城

市交通信号控制系统。

而混合交通的特点要求交通信号控制系统不能采用传统的

固定模型来实现。

本课题的主要目的就是提出一种新的实时自适应城市区域交通

控制系统。

系统利用了分布式人工智能技术的重要分支技术多Agent技术。

本文在论述Agent理论和多智能主体系统（Multi一AgentSystem，MAS）技

术的基础上，针对目前智能交通控制系统的现状及交通系统存在的非线性、不确

定性、时变性和不完全性等问题，将Agent技术应用于交通控制系统，提出了一

种基于多智能体的信号控制系统结构。

该系统在每个交叉口均设置一个交叉口Agent，由中央Agent监督与管理，并探讨了各个交通元素Agent的功能以及

它们的协调合作关系。

控制系统采用部分全局的方法规划整个控制过程。

结果表明:

基于多智能主体的交通信号控制系统拥有一种全新的智能交通控制结构，它能够适应交通系统的复杂性和随机性，较好地克服传统交通控制系统所存在的缺陷。

关键词:

多智能体;交通信号控制;智能体通讯

ABSTRACT

TheurbantrafficsignalcontrolsystemistheimportantpartofIntelligentTransportSystem（ITS）.Theadvancedurbantrafficsignalcontrolsystemhasanimportanteffectonimprovingthetrafficconditionandsufficientlyutilizingroadwaycapacityoftheexistingroad.

Atpresent，thetrafficflowinagreatnumberofcitiesofourcountyisthemixedflowofmotorvehiclesandnon-motorvehiclesandfootpassengers.Theactualitymakesthetrafficengineerstodevelopourownurbantrafficsignalcontrolsystem，basingonforeignexperienceandcombiningthefactofourcountry.ThetraditionalimmovablemodelisunfitforthemixedtrafficflowThemainpurposeofthisthesiswastoadvanceanewreal-timeselfadaptingurbantrafficsignalcontrolsystem.Themulti-agenttechnologywhichisabranchofthedistributedartificialintelligence，wasutilizedinthispaper

ThisthesisintroducestheagenttheoryandtheconceptoftheMulti-AgentSystem（MAS）.Itaimsattheactualityoftheintelligenttransportationcontrolsystemandtheproblemofthecurrentstudyoftransportationcontrolsystemthatincludesnon-linear，uncertain，time-changeableanduncompleteness，byapplyingagenttechnologytotrafficcontrolsystem，presentstheintelligenttransportationcontrol

systembasedonmulti-agenttechnology.Inthesystem，oneintersectionagentwasdisposedateachintersection，supervisedbythemasteragentofsystem，andthefunctionoftrafficagentsisdiscussedandthecoordinationproblemsbetweentrafficagentsaredescribed.Thepartialglobalcoordinationmethodwasusedtoprogramthewholecontrolprocess.

Theresultshowsthattheintelligenttransportationcontrolsystembasedonmulti-agenttechnology，whichisanintelligenttransportationcontrolsystemwithnewarchitecture，canadaptwelltothecomplexityandrandomnessoftransportationandovercomedrawbacksoftraditionaltransportationcontrolmethods.

Keywords:

Multi-Agent;TrafficSignalControl;Agentcommunication

目录

摘要……………………………………………………………………………….2

ABSTRACT……………………………………………………………………..….3

第一章绪论......................................................................................................6

1.1本课题的目的与意义.........................................................................6

1.2近年来国内外研究状况.........................................................................6

1.2.1国外研究状况......................................................................................6

1.2.2国内研究状况......................................................................................7

1.3城市交通控制理论与方法.............................................................................7

1.3.1城市交通控制的基本参数......................................................................7

1.3.2城市交通控制方法......................................................................................8

1.4智能交通系统.................................................................................................9

1.4.1智能交通系统的概述……………………………………………………9

1.4.2智能交通控制系统的子系统…………………………………………...10

1.5当前城市交通信号控制系统的现状............................................................11

1.5.1国外城市交通信号控制系统的现状.....................................................11

1.5.2国内城市交通信号控制系统的现状.....................................................12

1.6本章小结........................................................................................................13

第二章多Agent技术..................................................................................14

2.1多Agent技术的发展....................................................................................14

2.2分布式人工智能............................................................................................15

2.3智能Agent的概念及其要素........................................................................15

2.4Agent体系结构.............................................................................................16

2.5Agent与对象、专家系统的区别.................................................................18

2.5.1Agent与对象..........................................................................................18

2.5.2Agent与专家系统..................................................................................20

2.6多Agent系统技术........................................................................................20

2.6.1多Agent系统技术的概述.....................................................................20

2.6.2多Agent系统技术的体系结构.............................................................21

2.6.3多Agent系统技术与传统复杂控制系统的比较.................................22

2.7适合使用基于Agent求解方法的场合........................................................22

2.8本章小结.......................................................................................................23

第三章基于多Agent的信号控制系统方案的研究………………..24

1.1城市交通控制系统发展概况.........................................................................6

1.2城市交通控制的目的和任务.........................................................................6

1.2.1交通控制的目的......................................................................................6

1.2.2交通控制的任务......................................................................................7

1.3城市交通控制理论与方法.............................................................................7

1.3.1城市交通控制的基本参数......................................................................7

1.3.2城市交通控制方法......................................................................................8

1.4智能交通系统.................................................................................................9

1.4.1智能交通系统的概述……………………………………………………9

1.4.2智能交通控制系统的子系统…………………………………………...10

1.5当前城市交通信号控制系统的现状............................................................11

1.5.1国外城市交通信号控制系统的现状.....................................................11

1.5.2国内城市交通信号控制系统的现状.....................................................12

1.6本章小结.......................................................................................................28

第四章基于多Agent技术的城市交通信号控制系统的设计......29

4.1各Agent之间协调机制的研究...................................................................29

4.2各Agent之间通讯的设计实现..................................................................29

4.2.1各Agent之间通讯的种类...................................................................29

4.2.2同级交通Agent之间通讯..................................................................30

4.2.3上下级交通Agent之间通讯...............................................................31

4.3各交叉口Agent控制方案感应调整的实现.............................................32

4.4基于多Agent技术的城市交通信号控制系统的设计.............................32

4.5本章小结.....................................................................................................32

第五章结论与建议..................................................................................34

5.1全文结论.....................................................................................................34

5.2建议.............................................................................................................34

参考文献...........................................................................................................35

致谢....................................................................................................................37

第一章绪论

1.1城市交通控制系统发展概况

对城市交通控制的研究起源较早【1】。

1868年，英国伦敦燃气信号灯的问世，标志着城市交通信号使用的开始。

但一次煤气爆炸事故使交通信号灯几乎销声匿迹了半个世纪。

1913年，在美国俄亥俄州的Clveelnad市出现了世界上最早的交通信号控制。

1926年美国的芝加哥市采用了交通灯控制方案，每个交叉口设有惟一的交通灯，适应于单一的交通流。

从此，交通控制技术和相关控制算法得到发展和改善，提高了交通控制的安全性、有效性并减少了对环境的影响。

在近百年的发展中，道路交通信号控制系统经历了手动控制到自动控制、无感应控制到有感应控制、单点控制（点控）到干线控制（线控）再到区域控制（面控）的过程【2】。

1963年，加拿大多伦多市建立了一套有BIM650型计算机控制的交通信号集中协调控制系统，这是道路交通控制技术发展的里程碑。

该系统第一次把计算机技术应用于交通控制，大大提高了控制系统的性能与水平。

进入20世纪70年代，随着计算机技术和自动控制技术的发展、交通流理论的不断完善，以及交通运输组织与优化理论和技术水平的不断提高，交通管制中心的功能得到了增强，控制手段变得越来越先进，形成了一批高水平有实效的城市交通控制系统。

当前在世界各国广泛应用的最具代表性的城市交通控制系统有:

英国的TRANSYT、SCOOT、澳大利亚的SCATS和美国的RHODES等，它们均是以计算机为核心的区域交通控制系统。

我国城市交通控制系统方面的研究工作起步较晚，在20世纪70年代后期北京开始采用DJS一130型计算机对干道协调控制问题进行了研究。

80年代以来，国家一方面进行以改善城市中心交通为核心的UTSM技术研究，另一方面采取引进和开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系统。

如:

北京引进了CSOOT系统，上海引进了SCATS系统，深圳引进了日本的控制系统，交通部、公安部、南京市完成了“七五”攻关项目南京城市交通控制系统等。

国内把交通控制与管理问题作为一个系统研究还是近十几年的事情。

静态交通分配问题的建模和求解较为成熟，而动态配流问题的提出和研究刚刚起步。

20世纪90年代后，有关院校、研究所开展了有关智能交通系统的理论与应用的研究，取得了一系列成果。

但由于城市交通控制问题的复杂性，己有成果还有待于进一步研究与改进。

1.2城市交通控制的目的和任务

1.2.1交通控制的目的

交通控制的目的就是要在确定的行政规定约束下，采用合适的运作方法来确保公共和私人运输方式具有最佳的交通条件。

具体地说，交通控制的目的表现在以下几个方面【2】。

（1）减少交通事故，增加交通安全

对交通实施控制可以把发生冲突的车流和行人从时间和空间上分离，从而减少交通事故的发生。

（2）缓和交通拥挤，提高交通效益

合理进行交通控制可以对交通流进行有效的引导和调度，使交通流保持在一种平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥挤的状况，大大提高交通运输的运行效益。

（3）提高交通效率，减少交通负荷

在交通控制中，可以采用公交优先的方式，减少公交车的旅行时间，提高运行效率，从而可以提高公共运输系统对公众的吸引力，减少私家车、单位班车的使用，有效减少交通负荷。

（4）降低污染程度，节省能源消耗

实施交通控制可以减少汽车的停车次数，并使车辆在较佳的状态下运行，从而可以减少尾气污染和能源消耗。

1.2.2交通控制的任务

交通控制的主要任务是:

对参与交通的各要素合理组织和对时空资源进行有效配置，即是对道路上的交通流进行合理的引导和控制，以缓和或防止交通拥挤、减少尾气排放和噪声污染及能源消耗，并及时为车辆上的有关人员及行人提供交通状况信息以保障交通安全。

1.3城市交通控制理论与方法

1.3.1城市交通控制的基本参数

交通控制系统一般有3个基本参数，是由信号机直接控制的，即是周期C、绿信比和相位差【2】。

除此之外，某些信号机还能对相位数进行控制。

1、步与步长

某一时刻，灯控路口各个方向各信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态称为步，不同的灯色状态构成不同的步。

步所持续的时间称为步长。

2、周期

用于指挥交通的信号总是一步一步循环变化的，一个循环由有限个步构成。

一个循环内各步的步长之和称为信号周期，简称周期，用C表示。

若一个循环有n步，各步步长分别为tl，t2，…，tn，则C=t1+t2+…+tn

3、相位

在交通控制中，为了避免平面交叉口上各个方向交通流之间的冲突，通常采用分时通行的方法，即在一个周期的某一个时间段，交叉口上某一支或几支交通流具有通行权（即该方向上的信号灯为绿色或绿箭头），而与之冲突的其他交通流不能通行（即该方向上的信号灯为红色或红箭头）。

在一个周期内，平面交叉口上某一支或几支交通流所获得的通行权称为信号相位，简称相（位）;一