基于多智能体技术的城市智能交通控制系统

基于多智能体技术的城市智能交通控制系统

李晓芹

江苏华路交通发展有限公司  江苏南京  210031

摘要：传统交通控制系统已不能适应交通需求的不断增长需求，导致交通拥堵，能源浪费等问题越来越严重。于是人们开始重视如何应用多智能体技术提高城市交通系统效率与可持续性。多智能体技术作为一种创新的技术工具，能够促进不同交通参与者之间的合作与信息交流，进而提高交通的流动性并降低交通事故的发生概率。本文旨在对基于多智能体的城市智能交通控制系统进行讨论，提出了以下观点，以期为城市交通问题的解决提供新的思路与途径。

关键词：多智能体技术；智能交通；控制系统

引言：

近几年，由于计算机网络、城市交通和制造业等多个领域出现了大量的分布式控制问题，人们开始基于智能体概念来提出多智能体系统（MAS）。这类系统是由众多智能体构成的，并不是简单的叠置，而是一个有机地结合。其最大特点就是有一个通讯和协调的机制，每一个智能体都能同其他具体智能体交换信息。智能体按照事先制定好的规则，标准与模式，可以对资源冲突、目标冲突等问题进行协调，最终达到保护系统整体利益的目的。

一、基于多智能体技术的城市交通信号控制系统框架

（一）组成部分

以多智能体技术为核心的城市交通控制系统，以智能体为控制单元，在智能体默契配合下，达到整体优化控制目的，具有革命性意义。区别于传统中央集中式控制，该系统以分布式控制模式进行控制，摈弃了烦琐的中央控制房间设置。该先进控制系统包含多种组件，主要有信号控制智能体、车辆检测器、信号机和通信系统。信号控制智能体基于车辆检测器发送的交通路口的车流数据，并结合事先存储的交通控制知识，以及信号配时优化算法进行推理与计算，并最终决定信号控制策略与具体方案。并且车辆检测器是一套自动测量仪器，能够对路口排队的车辆，驶入路段的车辆，离开路段的车辆和速度进行实时的监控，并且时刻把这些数据传输到信号控制智能体中。信号机是交通信号显示装置，通过红、黄、绿灯来展示不同进路的通行状况，为驾驶员提供明确的引导和信息。而通信系统是智能体间进行信息传递的重点，可利用有线或者无线通信系统，来保证各组件间即时交流与合作[1]。

（二）系统结构

在实践中，该局部协作智能体控制方案给交通管理系统提供了很大优势。通过使智能体间仅在需要时才通信且限于邻近路口，可以减少系统复杂性及通信负担[2]。该分散式智能体控制结构有助于更加有效地应对交通流量，降低拥堵现象。TRRL结果表明：从全局角度寻求总体最小控制指标值，而不仅仅是满足局部条件，有利于促进路网整体运行效率。通过使每一个智能体都集中在自己周围小范围的优化控制中，总体可以更加逼近最优解，进而提高路网整体交通流畅度与效率。路网中智能体的控制结构见图1。

图一 多智能体的交通控制系统结构图

（三）协调方式

在智能交通管理系统里，存在众多的协调策略可供挑选，而黑板模型是其中的一种协调手段。该方法是由各路口的控制智能体共用一块黑板。各智能体在黑板中记录各自路口车辆信息及当前数据的中间控制方案，邻近智能体可分享上述信息。然后，每一个智能体都会根据最新共享的信息来制定新的中间方案，直到出现以下情况：新方案与之前的方案一致，然后变成下一个周期的信号控制方案；或在该信号周期终了时，新方案将自动作为下一个周期控制方案，这一过程的内在机理见图2。另一类协调方式则以预测模型为基础进行协调。通过分析大数据，利用深度学习算法，智能交通系统可以预测出未来的交通状况并据此进行调整。比如，该系统能够基于历史数据与实时信息，对拥堵可能出现的地点与时间进行预测，进而对信号灯配时进行调整，从而降低拥堵。最后一种协调方式建立在交互式协作基础之上。该模型中不同智能体能够互相通信与合作，并联合制定最优交通方案。此种方法可以更为灵活地应对各种复杂的交通状况，如突发状况或工程建设等，通过智能系统间的合作，系统可以迅速响应并显著减少交通拥堵[3]。

图二 智能体之间的协调机制示意图

二、智能体模型

（一）组成部分

1.感知系统

感知系统作为智能系统的关键组成部分，具有辅助智能体了解并检测周边环境的功能。该系统包括由智能体控制的若干车辆检测器。通过这些检测器可以使智能体，实时采集管理路段的车辆信息，以便对环境情况有更深入地认识。

2.智力系统

智力系统在整个智能系统中处于核心地位，具有以实现既定控制目标为目的的判断、推理、学习等能力。其由许多计算机软件模块组成，这几个模块共同工作使智能体可以进行精确地决策和持续地优化其性能。

3.通信系统

通信系统承担着与其周边智能体之间信息交流与交互的任务，从而达到更加有效地协作。这部分的作用是十分重要的，其可以促进智能体的协作，实现资源共享与任务协作。智能体通过通信系统可以对周围的环境变化迅速做出反应，及时地调整自己的策略来应对新形势。

（二）智力系统

智能交通控制系统在智能体中处于核心地位，由如下七个相对分离的模块组成：（1）知识库。知识库是存储各种关于信号控制规律、该交叉口及邻近交叉口信息、交通控制常识等信息的十分重要的资源。这里的“知识”是指以事实为根据，以一般正确的判断为依据的材料。知识库不但有助于更深入地理解信号控制的规律，及交通控制的一般知识，而且能够提供相应的信息，使人们能够更好地对交通流进行计划与管理。通过累积与共享各类资讯，能更加有效应对道路交通所面临的挑战与难题。因此，知识库已经成为很多智能系统必不可少的组成部分；（2）推理机。推理机这一规则库包含了持续不断地知识与信息等待挖掘与使用。推理机的主要职责是将这些已有的知识转化为新的见解。有着各种推理方式的推理机和知识库是相辅相成的，通过应用二者，可以洞悉车流信息并据此做出关于信号控制方面的决策；（3）算法模块。算法模块作为重点工具集以优化信号配时方案。其利用一系列综合考虑邻近交叉口车辆信息的方法，准确地调整该交叉口信号配时。现代城市交通管理的关键是信号配时方案的优选。利用该算法模块能够更加有效地对交通流进行控制，降低拥堵，提高道路的通行效率。该算法模块功能并不限于该路口，而是将周边道路状况考虑在内，从而保证整个交通系统协调高效。通过对邻近路口车辆信息进行分析，模块可以迅速做出决策以实现信号灯配时计划优化。该算法模块通过对车辆密度，行驶速度以及交通流量数据的连续监控，实现了对信号配时方案的动态调整，从而对交通状况变化做出响应。该智能化方式在提升交通运行效率的同时，还能给驾驶员及行人带来更加畅通的出行体验；（4）记忆库。记忆库作为储存智能交通信号控制经验数据的十分关键的资源，为控制系统的设计提供了有价值的基本素材。其中包括许多方面，例如日期、车辆信息、控制方案以及效果，这对于产生经验数据来说是必须的；（5）经验库。智能系统的经验库不同于知识库、记忆库。其不是单纯的信息存储，而是将历史上的控制信息经过全面地概括，分析与比较，生成个体化的知识集合。这些知识集合是根据具体路口信号控制情况，通过学习机引导并与知识库信息相结合而逐步形成；（6）学习机。学习机就是具有各种机器学习方式，涉及归纳学习，解释学习和类比学习的学习方法库。学习机归纳学习的功能是将一般性原则从具体事例中扩展出来，使系统能预测新情况并进行决策。而解释学习通过对现有知识间关系的阐释，丰富了系统认知模型并有助于系统更深入地认识与应对复杂问题；（7）协调模块。在整个系统中，协调模块起到了不可或缺的作用，作为系统的关键组件，其负责在智能体之间以及共享黑板之间进行信息的监控和管理。这一模块承担了众多的任务，包括将与交叉口控制相关的智能体数据传输到多块共享黑板上，并对这些黑板上的相邻交叉口数据进行分析和处理等。协调模块的作用不仅局限于信息的传递，更为关键的是确保这些信息得到了精确的处理和应用。通过向共享黑板提供智能体的信息，协调模块有效地促进了交叉口控制系统内部各组件之间的沟通与合作。此外，该系统还负责综合处理相邻交叉口的信息，以便为整个交通系统提供更为全面和精确的数据支持。交叉口控制系统的性能和稳定性，受到协调模块高效运作的直接影响。协调模块不仅需要实时获取交通量信息，而且还必须将各种交通参数以及车辆行驶情况等信息，传送到中央控制器。只有在协调模块能够迅速且准确地处理和传输信息的情况下，整个系统才有可能实现高效的交通流控制。在实际应用中，由于各信号配流子系统间存在信息不对称现象，使得协调控制难以实现。因此，对协调模块的持续监控和管理变得尤为关键，以确保其始终保持在最优的工作状态

[4]。

三、结束语

综上所述，多智能体技术应用于城市交通领域的前景广阔。多智能体技术应用于城市智能交通控制系统能够达到交通信号优化，拥堵缓解以及路况监测的目的，给城市交通管理提供一种新的理念与手段。但同时也应认识到，在实践中多智能体技术应用于城市交通控制系统，还面临着智能体间协同与通信，系统稳定性与可靠性方面的挑战与困难。所以，在今后城市智能交通领域研究与实践中，还需进一步加深对多智能体的认识并不断改进系统设计与算法优化，以期促进城市交通管理朝着更加智能，更加有效的趋势发展。

参考文献：

[1]张雨晨.基于多智能体技术的区域协调优化控制方法[J].智能城市,2020,6(12):1-3.

[2]秦焕美,郑飞,刘卓,等.基于智能体模拟的浮动式停车价格实施效果研究[J].交通运输系统工程与信息,2019,19(06):26-31.

[3]刘泽宇.智能体技术在城市交通信号控制系统中的应用[J].数字通信世界,2019,(08):226.

[4]孙宇帆.探讨智能体技术在城市交通信号控制系统中的应用[J].山东工业技术,2019,(07):142.