基于多智能体技术的多交叉口协调控制运行机理研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 2.94MB 95 页 15积分
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摘 要
随着城市的发展，城市交通拥堵问题越来越突出，交通智能控制系统的研究
也在快速向前发展。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，
传统的方法（定时控制和感应控制）难以取得良好的效果。Agent技术具有强大的
智能性操作能力，因此它是推进交通智能控制发展的一个重要研究方向。
本论文主要做了以下工作：
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。接着简单介绍了多Agent交通区域
协调控制系统设计时用到的主要技术和理论：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，以降低
通信网络复杂程度和保证提高协调控制效果为主要目标，设计了方便实现的区域
分散协调控制系统结构。
论文研究的重点在第四、五章。第四章首先阐述了在分散协作的多Agent结构
下的区域交通信号协调的控制原理。然后，它以现有的单点最优控制为前提，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，能够一次性完成延长时
间的决策，令其接受协调Agent的控制策略修正。于是设计了两输入单输出的模糊
控制器，该模糊控制器的模糊输入都做了标准化处理，增强了在不同交叉口的通
用性，体现了集成化特点。最后对模糊控制器的输出也提出了个性化修正的思想，
有助于填补控制器输出准确性的不足。
第五章主要对智能体的体系结构和组成都分别做了详细说明。Agent的组成包
括很多简单的逻辑判断和计算模块，其体系结构是从整体上完成模块之间的协作
过程和问题求解程序。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。
最后借助项目以五角场附近的交通网络为实验对象，建立了区域交通控制系
统评价指标，用交通仿真软件对本文中的多Agent协调控制系统做了仿真评价。
关键词:智能体 模糊控制 交通信号控制 协调控制
ABSTRACT
With the development of the city, urban traffic congestion problems are becoming
more and more prominent, and the study on intelligent traffic control system is urgently
needed. Urban traffic flow is time-varying and randomness, so it is difficult to establish
a precise control model, however, the traditional methods (Timing Control and sensor
control) are also difficulty to obtain good results. Agent technology has the powerful
intelligence operations ability; therefore it becomes an important research direction for
the development of Transport Intelligent Control.
First of all, this paper sums up the development status of current study on Urban
Traffic Control Systems (UTCS) and briefly sums up the research progress of agent
technology’s application in Urban Area Traffic Control System. In addition, it gives
introduction to the agent technology and fuzzy control theory, which are the major
technical and theoretical for designing the regional coordinate Traffic Control System
based on Multi-agent technology.
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, for the main objective
of reducing the complexity of communication networks and improving coordinated
control effects.
This Paper’s focus of the study is in the fourth and five chapters. Chapter IV
describes the traffic signals control principle of Regional coordination under the
collaboration in the decentralized structure of many Agents. It make 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. Each of the fuzzy
inputs is standardized, which enhances the commendation in different intersections, and
embodies the characteristics of integration. Finally the output of fuzzy controller is also
proposed the idea of personalization amendments which will help to improve the
common of controller output.
Chapter Five made particular statements about the form and the system structure of
the intelligent body. Agent combines many simple logic judgments and computational
modules, and the system structure is a problem-solving program as well as to mainly
complete the cooperating procedure between modules. Then based on the corresponding
theory and the controller design in Chapter Four, the corresponding control program of
Agent is given.
Finally by dint of the items using the traffic network around the Wujiao square as
an experimental object, a regional traffic controlling system evaluating index was
established. And simulating evaluations on the multi- Agent corresponding control
system mentioned in this paper were made by traffic simulating software.
Key Words: Agent, fuzzy control, traffic signal control,
coordination control
1
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................ 1
§1.1 研究的意义 .................................................. 1
§1.2 城市交通信号区域控制的研究现状 .............................. 2
§1.3 基于 AGENT 技术区域协调控制的研究进展 ......................... 2
§1.4 研究内容 .................................................... 4
第二章 AGENT 技术和模糊控制理论 ..................................... 7
§2.1 AGENT 与 多 AGENT 系统 .......................................... 7
§2.1.1 Agent 的特征 ............................................. 7
§2.1.2 Agent 的体系结构 ......................................... 8
§2.1.3 多 Agent 的组织结构 ...................................... 9
§2.2 模糊数学和模糊控制理论 ..................................... 10
§2.2.1 模糊数学的起源 ......................................... 10
§2.2.2 模糊性的诠释 ........................................... 11
§2.2.3 模糊集合和隶属度 ....................................... 12
§2.2.4 模糊控制 ............................................... 13
§2.3 本章小结 ................................................... 15
第三章 基于 MA 的交通信号协调控制组织结构 ........................... 17
§3.1 现有的交通协调控制组织结构分析 ............................. 17
§3.2 交通控制系统的功能结构设计 ................................. 19
§3.2.1 设计原则 ............................................... 19
§3.2.2 控制系统功能结构描述 ................................... 20
§3.3 交通控制多 AGENT 系统的组织结构 .............................. 21
§3.3.1 系统的自主单元 ......................................... 21
§3.3.2 交通自主单元划分方法 ................................... 21
§3.3.3 系统的组成 ............................................. 22
§3.3.4 基于多 Agent 的交通信号协调控制组织结构 ................. 23
§3.4 本章小结 ................................................... 23
第四章 交通信号协调原理及控制器设计 ................................ 25
§4.1 交叉口群的协调原理 ......................................... 25
§4.1.1 协调思想 ............................................... 25
§4.1.2 协调功能的实现流程图 ................................... 26
2
§4.2 协调控制器 ................................................. 26
§4.2.1 控制器的设计思想 ....................................... 27
§4.2.2 变量模糊化 ............................................. 28
§4.2.3 模糊控制规则 ........................................... 32
§4.2.4 控制策略个性化修正 ..................................... 36
§4.3 本章小结 ................................................... 37
第五章 协调 AGENT 的体系结构 ........................................ 39
§5.1 协调 AGENT 的体系结构设计依据 ................................ 39
§5.2 协调 AGENT 的体系结构说明 .................................... 39
§5.3 协调 AGENT 各模块功能的实现 .................................. 41
§5.3.1 通信模块 ............................................... 41
§5.3.2 知识模块 ............................................... 44
§5.3.3 经验库 ................................................. 46
§5.3.4 决策模块 ............................................... 47
§5.3.5 规则库模块 ............................................. 48
§5.3.6 个性修正模块 ........................................... 48
§5.3.7 学习模块 ............................................... 51
§5.4 协调 AGENT 控制程序设计 ...................................... 52
§5.5 本章总结 ................................................... 58
第六章 AGENT 协调控制系统仿真实证及其评价研究 ...................... 59
§6.1 建立评价指标体系的意义 ..................................... 59
§6.2 建立评价体系的原则 ......................................... 60
§6.3 区域控制系统的评价指标 ..................................... 60
§6.4 路网评价 ................................................... 61
§6.5 本章小结 ................................................... 65
第七章 结论和展望 .................................................. 67
§7.1 论文的主要研究成果 ......................................... 67
§7.2 论文的创新点 ............................................... 67
§7.3 论文的不足之处暨有待于进一步研究的问题 ..................... 68
参考文献 ............................................................ 69
附录 A .............................................................. 72
附录 B: ............................................................. 81
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 91
致 谢 ............................................................. 92
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究的意义
交通拥挤是目前国际上各大城市的通病，由于城市规模和人口的扩张，小汽
车拥有量的飞速上涨，即使道路在不断的修建也始终没有逃脱交通拥堵的厄运。
直到近几年人们才醒悟到解决交通拥堵问题不能单靠道路的修建，有效的交通控
制方法才是保证交通顺畅的真谛。
为了缓解城市交通的拥阻现象，近年来城市智能交通控制系统在世界上倍受
瞩目且得到了迅速发展和应用。一方面，它有利于提高交通的安全性、生产效率
和效益；另一方面，它还关系到土地资源和能源的合理利用、环境污染的改善乃
至国民经济的持续稳定发展和社会经济效益的全面提高。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。我国作为一个大的发展中国家，在经济持续
稳定的发展同时，交通问题也越来越受到人们的重视。
交通控制措施随着路网的发展而不断丰富，例如，单行道、禁左、左转相位、
路口行驶线、公交专用道等，这些措施在现有的道路条件下有效地提高了路段或
路口的通行能力，它们属于静态交通控制措施。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，同时对交通信号控
制系统的控制策略的实时性和有效性提出了更高的要求。
目前面向交通信号控制的研究集中在以下几个方面：单点控制、干线控和区
域控制。单点控制的控制目标在于所控制交叉路口的控制效果最优，它一般不考
虑相邻路口的车流运行状况；干线控制以一条干线作为研究对象，以牺牲支路车
流的利益为前提，主要对干线车流的运行进行协调控制。但以上两种控制方式均
不能使整个区域的交通流运行情况最优。在对城市交通控制的研究中，以整个城
市或者区域作为研究对象的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[1]~[3]。
由大量路口连结的道路网承担着城市交通的主要职能，大中城市的老路交通
网通常包含数百甚至数千的路口，如此庞大的交通网络必须通过交通信号协调控
制车流的通行。与单路口的交通信号控制不同，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
基于多智能体技术的多交叉口协调控制运行机理研究
2
重新分配，从而对相关路段和相邻交叉口上的车流产生影响，所以仅考虑单个路
口的通行问题使得整个网络达到最佳的通行状态。总而言之，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。
§1.2 城市交通信号区域控制的研究现状
城市交通信号区域控制是从控制范围角度划分得来的。通常的区域交通控制
系统首先是将被控制的区域划分成若干个子区，这里的子区是指用相同的周期去
进行控制的区域。交通区域控制系统由中央控制机、子区控制机、路口控制机三
级组成。中央控制机给出每个子区的最佳周期长，各个子区控制机负责相位差和
绿信比的优化计算，路口控制机再做优化调整，总的目标是使得区域内的各个车
辆在通过某些路口时所产生的总损失最小，而采用线控是不能达到预期效果的。
区域控制系统适用于城市中若干条干道相互交错环绕的路网结构[2],[3]。
区域网络控制系统有方案选择式和方案生成式。基于方案选择式的系统，针
对经常出现的情况（如早、晚高峰期交通流的变化）设计相应的交通信号控制方
案。但实际中可能出现的情况太多，难以预先对每种情况设计出相应的信号控制
方案。交通需求的变化以及交通网络的变化会使得已有的固定时间方案迅速失效
会产生损失此外，在信号控制方案之间切换时、特别是在方案改变迅速时，也会
产生损失[2],[3]。
目前，国外的典型城市交通控制系统有英国的TRANSYT系统和SCOOT系
统、澳大利亚的SCAT系统、日本Kyosan电器制作有限公司的交通控制系统、德
国的Siemens系统等。国内有深圳的STC交通控制系统、南京的交通控制系统以及
天津的交通控制系统等。
§1.3 基于 Agent 技术区域协调控制的研究进展
多Agent技术在交通控制领域中具有很大的发展前景，原因在于Agent具有强
大的智能性操作能力。交通流具有时变性和随机性，很难建立精确的数学模型，
传统的方法（定时控制和感应控制）难以取得良好的效果[4]。过去，学者们提出
了一些智能控制的方法，如模糊控制和神经网络控制等。然而模糊控制的规则随
着控制路口的增加而增加，过多的规则对运算速度会带来一定的影响；另外，它
没有学习功能，不能适应经常变化的交通流。神经网络控制虽然对非线性系统和
难以建模的系统具有良好的映射功能和学习功能，但它对信号控制器硬件的计算
第一章 绪论
3
能力和速度有很高的要求。近年来Agent技术成为人工智能研究的热点。鉴于其
能对交通状况进行实时地反映和处理，使得一定区域内的交通信号得到智能化的
协调与优化，学者们对其进行越来越深入广泛的研究[5]~[7]。
国外对Agent在交通中的应用已有研究，如Burmeister提出了多Agent交通运输
中的应用思路，Roozemond分析了Agent、神经网络和分布式人工智能在城市交通
控制中的应用前景和价值；
Cold－man提出了基于多Agent的增量互补学习的路口
控制器；Claudia提出了交通多主体系统的增量相互学习方法来协调两个交叉口的
控制器；Findler给出了交通网络的分级结构；Weib给出了多主体在交通领域的一
些其他应用等等[ 8]~[17]。
国内一些学者也对Agent在交通中的应用做了研究，马寿峰提出了单个路口
的基于Q－学习的交通信号控制Agent，并在此基础上研究了基于对策论和社会规
则的多Agent协调方法。陶志祥等对基于Agent的分层递阶控制结构进行了概述。
李振龙等以博弈论为基础，提出了交通控制Agent之间的区域协调模型的算法。
欧海涛等提出了一种基于递归建模和贝叶斯学习相结合的多Agent交通控制系
统。承向军等对交通控制Agent的结构和协调方法进行了研究。赵建有等提出了
人、车、路、交通管理系统Agent结构，并提出了路口Agent－区域控制中心Agent
－主控制中心Agent的三级交通控制结构。杨兆生等提出了以路口Agent为单元的
多Agent 交通控制系统结构，并给出了路口Agent的计算模型[18~23]。
国内对Agent技术应用于交通控制的研究还有以下成果：
高海军博士（中国科学院自动化研究所）以智能主体技术为基础，利用多
Agent理论的相关知识给出了区域主体的组成和结构（分散控制结构），然后给出
了城市交通控制的模型和协调算法[24]。
福建省高速公路监控中心郑诗标在文献中得出了基于多Agent的智能交通控
制结构，同时对系统中各个主体的功能作详细说明[25]。
南京航空航天大学自动化学院叶青、王从庆在文献中提出了一种双交叉口主
体遗传算法的预测、通讯、协商的方式。该方法中的协商机制主要用作调节主干
道之间的相位差。交叉口主体之间将其规划意图传递给对方主体，若对方接受，
则按照其规划进行控制；若不接受则由对方提出自身规划中与之前相冲突的部
分，如此往复，直至达成协议。但是此方法缺乏规划制定的模型和方法以及协商
的内容和格式。预测机制：采用车道上的到车概率分布表示，前一周期失于后一
周期的概率，用矩阵形式表示。我们可以从其他交叉口处了解他们上一周期的车
辆到达率，从而大致预估本路口在这个周期内的大致到达车辆数。但这一预测是
建立在中途离开车队与进入车队的车辆数基本相等的情况下。最后采用遗传算法
基于多智能体技术的多交叉口协调控制运行机理研究
4
通过建立合理的个体适应度函数优化绿信比[26]。
同济大学计算机科学与技术系顾榕等应用主体技术的交通信号控制策略去
探讨基于本地的Agent通信，并结合多级模糊控制和对策论的协调方法对交通阻
塞问题进行了分析，提出了采用多级模糊的点控解决方案。多级控制中考虑了不
同方向的车流、路口相关性的大小以及环境因素的相互作用。主体之间基于对策
论采取了集中与分布相结合的协调算法[27]。
同济大学控制科学与工程系，陆小芳提出了在各个路口建立等待车辆数矩
阵、道路因子矩阵、交通负荷度矩阵和绿信比调节矩阵等反映交叉口群的相互影
响，在此基础上对路口阻塞和路段特殊事件建立了协调模型，提出了协调算法[28]。
北京中国科学院自动化研究所智能控制与系统工程中心，李振龙在文章中以
多Agent技术和博弈论为基础，对交通信号的区域协调模型进行了研究。文章首
先对多Agent交通控制系统作了简单地介绍，然后应用博弈论的相关知识建立了
主体之间的协调模型并给出协调算法。但必须解决交通控制系统中各个交叉口的
效用函数和评价指标等实际问题[19]。
上述文献中有的提出了很多交通协调控制系统的概念模型，体现了学者们在
交通信号控制系统中对Agent技术应用思考，他们有的结合博弈论和决策论对
Agent之间的通信和协商提出了协调方法，还有不少文献通过介绍Agent的功能、
属性和通信要求，针对Agent的智能的特点，将一些控制功能理想化地赋予各个
Agent，最后通过通信将各个Agent之间联系起来从而实现系统整体功能的设想。
但有人提出现有的多Agent交通控制模型主要是面向交通系统单一元素的Agent
建模，并非真正意义上的交通系统协调控制建模，而应向着集成化、智能化、实
用化和深入化的方向发展[29]。鉴于这些发展要求，笔者作了深入思考，设计了具
有智能性和实用性的协调Agent集成化模块。
§1.4 研究内容
本文基于上海是科委项目《基于多智能体的道路多交叉口信号集成控制仿真
系统及信息诱导技术研究与开发应用》，研究了基于Agent技术的交叉口群的协调
控制运行机理。论文主要从系统的组织结构设计和功能结构设计两种设计入手，
完成了区域交通控制多Agent系统的设计工作。于此同时在协调Agent的内部程序
中引进了模糊数学的理论，采用模糊控制算法得出协调策略，提高了计算效率。
最后结合项目实验，选取五角场周边的路网交通作为实验对象，将本文的控制系
统与其他交通控制系统的控制效果进行比较，并得出结论。
论文共六个章节。
第一章 绪论
5
第一章绪论，论述了课题研究的意义，突出了城市区域交通信号协调控制的
重要地位和作用，同时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。最后提出本文的研
究内容和文章结构。
第二章介绍了多Agent交通区域协调控制系统设计时用到的主要技术和理
论：Agent技术和模糊控制理论。
第三章中结合对Agent和多Agent技术的分析，充分考虑交通区域控制系统的
特点和实用化的研究发展方向，以可靠性和可行性为原则，以降低通信网络复杂
程度和保证提高协调控制效果为目标，设计了方便实现的区域分散协调控制系统
结构。
第四章和第五章都是全文的重点章节，第四章阐述了在分散协作的多Agent
结构下的区域交通信号协调的控制原理。它以现有的单点最优控制为前提，假设
单点控制机即将完成相位初始决策绿灯持续时间时一次性完成延长时间的决策，
令其接受协调Agent的控制策略修正。基于此笔者设计了两输入单输出的模糊控
制器，该模糊控制器的模糊输入都做了标准化处理，增强了在不同交叉口的通用
性，体现了集成化特点。最后对模糊控制器的输出也提出了个性化修正的思想，
有助于填补控制器输出准确性的不足。
第五章主要对智能体的体系结构和组成都分别做了详细说明。Agent的组成
包括很多简单的逻辑判断和计算模块，其体系结构是从整体上完成模块之间的协
作过程和问题求解程序。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。
第六章借助项目以五角场附近的交通网络为实验对象，建立了区域交通控制
系统评价指标，对本文中的多Agent协调控制系统做了仿真评价。
摘要：

摘要随着城市的发展，城市交通拥堵问题越来越突出，交通智能控制系统的研究也在快速向前发展。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，传统的方法（定时控制和感应控制）难以取得良好的效果。Agent技术具有强大的智能性操作能力，因此它是推进交通智能控制发展的一个重要研究方向。本论文主要做了以下工作：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。接着简单介绍了多Agent交通区域协调控制系统设计时用到的主要技术和理论：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，以降低通...

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