基于多智能体的多交叉口协调控制策略研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 3.31MB 64 页 15积分

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摘要

从定时信号控制产生以来交通信号控制已经经历了很长时间，对于孤立的交

叉口来说交通信号控制已经被车辆或交通自适应控制代替，但是孤立路口的绿灯

延时对整个路网的交通状况并非绝对有利。随着城市交通拥堵问题越来越突出，

智能交通的研究势在必行，城市交通流具有时变性和随机性，很难建立精确的控

制模型。交通智能控制系统的研究也在快速向前发展，传统的定时控制和感应控

制难以取得良好的控制效果。Agent 技术具有强大的智能性操作能力，它的出现推

进交通智能控制发展的一个重要研究方向。

本论文首先总结了现阶段交通控制系统研究的发展现状，对 Agent技术在城

市区域交通控制系统应用的研究进展做了简单的总结。接着简单介绍Agent技术和

模糊控制理论。然后结合对Agent和多Agent技术的分析，以可靠性和可行性为原

则，设计了方便实现的区域分散协调控制系统结构。

第三章以单点最优控制为前提，设计控制级模糊控制器。接下来又进行了协

调控制器的设计。假设单点控制机在即将完成相位初始决策绿灯持续时间时能接

受协调Agent的控制策略修正，设计了两输入单输出的模糊控制器，最后对模糊控

制器的输出也提出了个性化修正的思想。论文最终根据第四章的协调原理和控制

器设计，给出了Agent的协调控制程序。

关键词:智能体模糊控制交通信号控制协调控制

ABSTRACT

Traffic signal control has come a long way since fixed-time control (FT) with

well-defined criteria and analytical theory for optimal timing. For isolated intersections,

traffic signal control has been replaced with vehicle or traffic actuated control (VA).

However, this has a disadvantage in that the extension of green is determined without

consideration to the overall efficiency of the intersection.With the urban traffic

congestion problems becoming more and more prominent, the study on intelligent

traffic control system is urgently needed. Urban traffic flow is time-varying and

randomness, so it is difficult to product a precise control model.However, the Timing

Control and sensor control are also difficulty to obtain good results. Agent technology

has the powerful intelligence operations ability; which becomes an important research

direction for the development of Transport Intelligent Control.

First of all, this paper sums up the current status of Traffic and the progress of

Urban Traffic Control Systems,then briefly sums up the application of the agent in

Urban Area Traffic Control System. In addition, it gives introduction to the agent

technology and fuzzy control theory.Then, combining with the analysis of Agent

technology and Multi-agent technology, amusing to obey the only rational assumption

(Assuming the behaviors of all the other Agents were known), this paper designs a

structure of regional decentralized coordination control system which can be achieved.

Chapter Ⅲproducts controller which makes the optimal control of existing single

point as the premise. assuming a single point controller can completion the extension

of time at one-time when the initial green light duration time to be finished, single

controller accept the coordinate amendment of coordinate agent. This paper designed

two-input and single-output fuzzy controller.Finally the output of fuzzy controller is

also proposed the idea of personalization amendments. Then the corresponding control

program of Agent is given based on the corresponding theory and the controller design

in Chapter Four.

Key Words: Agent, fuzzy control, traffic signal control,

coordination control

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 研究背景概述 .................................................1

§1.1.1 交通问题的现状 .......................................... 1

§1.1.2 城市交通信号控制系统的发展 .............................. 1

§1.2 论文研究的目的和意义 .........................................3

§1.3 国内外相关研究现状与发展综述 .................................4

§1.4 本论文研究的主要内容 .........................................6

第二章交通控制系统组织结构设计 ...................................... 9

§2.1 AGENT 与多 AGENT 技术 ........................................... 9

§2.1.1 Agent 的概念及特点 ....................................... 9

§2.1.2 Agent 的系统结构 ........................................ 10

§2.1.3 多 Agent 的概念 ......................................... 11

§2.2 交通自主单元划分 ........................................... 12

§2.3 交通协调组织结构设计 ........................................12

§2.3.1 现有交通控制结构分析 ................................... 12

§2.3.2 基于多 Agent 的交通信号协调控制结构设计 ................. 14

§2.4 本章小结 .................................................... 17

第三章控制级模糊控制器设计 ......................................... 19

§3.1 模糊控制理论 ................................................19

§3.1.1 模糊控制的基本结构和特点 ............................... 19

§3.1.2 模糊控制的原理 ......................................... 19

§3.2 控制级模糊控制器的设计 ......................................22

§3.2.1 模糊输入输出的确定及其变量的模糊化 ..................... 22

§3.2.2 模糊规则的确定 ......................................... 26

§3.2.3 交叉口模糊控制中采用的算法和步骤 ....................... 28

§3.3 本章小结 ................................................... 29

第四章协调级模糊控制器设计 ........................................ 31

§4.1 城市多交叉口协调原理 ........................................31

§4.1.1 协调思想 ............................................... 31

§4.1.2 协调功能的实现流程图 ................................... 32

§4.2 协调控制器 ..................................................32

§4.2.1 控制器的设计思想 ....................................... 33

§4.2.2 变量模糊化 ............................................. 34

§4.2.3 模糊控制规则 ........................................... 36

§4.2.4 控制策略个性化修正 ..................................... 39

§4.5 本章小结 .................................................... 40

第五章系统仿真实证及其评价研究 ..................................... 41

§5.1 控制 AGENT 控制程序设计流程 .................................. 41

§5.2 协调 AGENT 控制程序设计流程 .................................. 42

§5.3 区域可视化仿真实例 ..........................................49

§5.3.1 AIMSUN 简介 ............................................. 49

§5.3.2 AIMSUN 的功能结构 ....................................... 50

§5.3.3 建立评价体系 ........................................... 52

§5.3.4 路网评价 ............................................... 53

§5.4 本章小结 ....................................................55

第六章结论和展望 .................................................. 57

§6.1 论文的主要研究成果 ..........................................57

§6.2 论文的创新点 ................................................57

§6.3 论文的不足之处暨有待于进一步研究的问题 ......................58

参考文献 ............................................................ 59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 63

致谢 ............................................................. 65

第一章绪论

§1.1 研究背景概述

§1.1.1 交通问题的现状

交通是人类社会的经济命脉，关系着国计民生，但是经济社会的快速发展和

汽车的保有量每年直线的上升使交通拥挤、交通事故等问题越来越受到关注。我

国汽车的保有量处在快速增长阶段， 2009年小汽车销售量超过千万，城市交通拥

挤日益加重，出行难变为困扰人们日常生活的首要问题。

据分析，空气中所含CO的75％、CH和NO化合物50％来源于机动车尾气。无论

是发达国家，还是发展中国家都毫无例外地承受着交通环境不断恶化的困扰。汽

车的大幅度增长，交通运输所引起的环境公害破坏生态，影响了人们的生活工作

和身体健康。交通问题引起区域内车辆速度降低，加之汽车在低速行驶的状态下

耗油量增加，而且尾气排放也是最严重的状态，因此由交通问题而引起的环境问

题，诸如温室效应，全球变暖越来越受到世界各国的关注。

在西方国家，早在60年代，经济的快速发展使交通问题就越来越明显；同样

在我国，因为经济发展落后，汽车保有量相对较少，80年代以前，这一问题并不

明显，但随着我国经济的突飞猛进，机动车保有量辆的日益增多，进入90年代以

来，交通拥挤日渐严重，特别是一些大中城市，交通拥挤造成了相当严重的影响，

不仅造成经济巨额的损失，成为制约城市经济发展的瓶颈，而且交通拥挤使行驶

延误增大，速度降低，带来了一系列时间损失，从而导致了很多大城市功能的瘫

痪[ 1]~[4]。

现在大多数城市的交通流都为混合交通流，机动车和非机动车混行状况严重，

车流与行人发生冲突的状况也屡见不鲜，从而交通事故率的发生率也逐年增加，

这种状况造成的有形无形损失也相当可观。交通事故的增多，它与交通拥挤互相

作用造成的恶性循环也越来越严重。

解决交通问题的传统办法是修建道路，但仅仅依靠单纯的扩建改建道路，根

本无法满足日益增长的交通需求，世界各国也制定了很多对策，颁布很多法律来

应对这一问题，但效果并不显著，都很难完善地解决交通问题。

§1.1.2 城市交通信号控制系统的发展

基于多智能体的多交叉口协调控制策略研究

交通控制和管理就是为解决以上问题所采取的措施，城市的交通是复杂的动

态系统，保证城市交通的顺畅时时刻刻都离不开动态交通信号的控制，这对交通

信号控制系统的控制策略的实时性和有效性提出了更高的要求。鉴于交通控制系

统经历了几十年的发展主要有四种控制模式:离线节点优化控制、在线节点优化控

制、离线网络优化控制、在线网络优化控制。

离线节点优化控制对城市交叉口进行独立控制，有固定绿灯信号相位和时间

并且有最佳信号序列和时间，并尽量减小信号过渡时间，它不考虑其他路口的协

调关系，主要是保证本路口是排队长度尽量短。

在线节点优化控制: 在路口附近道路下面埋设感应线圈，由其传感器来获取

路况的具体信息，然后以路况的实际情况为基础，动态的延长或结束绿灯信号，

比如，根据车流量的变化来设定绿灯延长时间，此时的车流量可以由埋设在路口

停车线钱的检测器来获得，来适应不同的要求，即实现交通信号灯的闭环反馈控

制。

离线网络优化控制:在现实情况下的区域多交叉口交通控制中，相邻交叉口的

配时方案会造成相互影响，车辆经常会遇到红灯，时停时开，通车不畅，而且对

环境污染十分严重，尤其是距离比较近的交叉口的相互影响的力度明显很大，所

以对多个交叉口进行总体网络协调控制是必要的。这种系统利用交通流历史数据

进行脱机优化处理，得出多时段优化方案。绿波理论是最早的协调信号配时方案，

绿波理论也叫连续通行联动控制，就是根据路上的要求车速与交叉口的间距，确

定合适的时差，用于协调各相邻交叉口上绿灯启亮时刻的一种联动控制。即车队

经过一条多个节点组成的线路时总是在此路口的绿灯开始时到达，这种情况下是

以牺牲次千道来优化主干道的。世界范围很多地区都经受了实践的检验的TRANSYT

系统属于离线网络优化控制。

在线网络优化控制:通过在安装于各路口每条车道的车辆检测器所提供的信

息，测定车辆到达进口道的情况，从而使控制决策实时调整控制参数。英国TRRL

的SCOOT成功在于系统模型的合理性高，网络优化采用自寻优控制方法，是动态自

适应控制系统。

当交叉口采用了先进的交通信号控制系统后，发挥现有道路设施的功能，使

交通能流畅安全的通行，交叉口的通行能力增加，行车延误时间减少，车辆的停

车次数减少，减轻噪声也减少了燃料消耗和汽车排放的有害物质等。为使交通控

制系统更好的服务，智能交通应运而生，它是把车辆和道路综合起来系统解决交

通问题的方法。

智能交通系统（Intelligent Transportation Systems， ITS）是将先进的

第一章绪论

信息技术、数据通讯传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术等综合起来，

有利于提高交通的安全性建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时的、

准确的和高效的公路运输综合管理系统。我国的ITS虽然起步较晚，但是作为一个

大的发展中国家，随着科学技术的发展和社会的进步，在经济持续稳定的发展同

时，在某些领域经过学者的努力和各种技术的逐渐成熟，已经取得了很大的成果。

迄今为止，日本、欧洲、美国都竞相投入大量的财力和人力，建立了相应的研究

机构从事相关方面的开发应用，并且己经取得了较大的成果。城市交通信号控制

是缓解城市交通拥挤的重要措施之一，它是智能交通系统的重要部分，在交通管

理与控制领域，国内许多大城市已经引入并使用国外先进的自适应城市交通控制

系统。北京引进了 SCOOT系统，上海引进了SCATS系统，深圳市引进了日本的京三

系统。其他的如沈阳、大连、广州、长春等十几个大城市先后采用了这类先进的

交通信号控制系统后的，在一定程度上起到了缓解交通拥挤的作用[4~11]。

§1.2 论文研究的目的和意义

交通拥挤是目前国际上各大城市的通病，我国大中城市具有规模庞大的交通

网络和城市规模加上人口的扩张，小汽车拥有量的飞速上涨，由于现有交通信号

控制方式的局限性，车辆拥堵严重，即使道路在不断的修建也始终没有逃脱拥堵

的厄运，路网的使用效率下降又大大增加了人们出行的成本。有效的交通控制方

法才是保证交通顺畅的根本，城市交通信号控制发展到现在的研究主要集中在单

点控制、干线控制和区域控制。单点控制在于所控路口的效果最优，一般不考虑

相邻路口的车流运行状况，而容易使相邻路口发生交通拥挤；干线控制以牺牲支

路车流的利益为前提，以一条主干线作为研究对象，主要对其车流的运行进行协

调控制也不能保证支路的车辆能通畅运行。总而言之，点控和线控均不能使整个

区域的运行状况达到最优。

城市的交通网通常包含数百甚至数千的路口和路段，如此庞大的交通网络要

使车流的顺利通行必须通过交通信号协调控制才能实现，只有从整个网络出发优

化交通控制信号的协调控制，才是提高城市道路网络的交通效率的科学途径。区

域控制应运而生，他将城市中某个区域的所有交叉口作为控制对象，对其范围内

交叉口交通流用计算机进行统一协调，区域控制方法越来越受到研究人员的重视。

但同时区域控制由于受到较多因素的影响和限制，其控制的复杂程度也大大增加。

多路口的交通网络存在路口之间的交通流的相互影响，任何一个交叉口的控制信

号的变化会引起网络上交通流的重新分配，从而对相关路段和相邻交叉口上的车

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摘要从定时信号控制产生以来交通信号控制已经经历了很长时间，对于孤立的交叉口来说交通信号控制已经被车辆或交通自适应控制代替，但是孤立路口的绿灯延时对整个路网的交通状况并非绝对有利。随着城市交通拥堵问题越来越突出，智能交通的研究势在必行，城市交通流具有时变性和随机性，很难建立精确的控制模型。交通智能控制系统的研究也在快速向前发展，传统的定时控制和感应控制难以取得良好的控制效果。Agent技术具有强大的智能性操作能力，它的出现推进交通智能控制发展的一个重要研究方向。本论文首先总结了现阶段交通控制系统研究的发展现状，对Agent技术在城市区域交通控制系统应用的研究进展做了简单的总结。接着简单介绍Age...

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