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1、山东大学硕士学位论文智能控制理论在交通控制系统中的应用姓名：林姝申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：贾磊20060420山东大学硕士学位论文摘要目前，建立完善的智能交通系统是解决交通基础设施建设增长缓慢与机动车数量逐年迅速增长之间矛盾的最为有效的途径。智能交通控制系统作为智能交通系统的重要组成部分，受到国内外的广泛关注，取得了许多成果。部分基于数学模型和传统控制方法的智能交通控制机理已相对成熟，并在非拥挤交通路况条件下取得了令人满意的控制效果。然而伴随社会与交通的飞速发展，主要是城市交通路网规模及交通流量的急剧增长，传统交通控制系统的性能极限受到了极大的挑战，新的技术和方法的引
2、入显得十分必要和非常迫切。智能控制理论是自动控制论与人工智能理论交叉的产物。对于具有不确定性，难以建立精确的数学模型的复杂控制对象，智能控制是行之有效的，因此决定了智能交通控制系统与智能控制理论相结合的必然性。模糊控制是一种重要的智能控制方法。模糊控制器的控制策略是通过学习、试验以及长期经验积累形成的，它可以用自然语言加以描述，而不依赖于精确的数学模型，特别适用于复杂系统和不确定对象，且具有较强的鲁棒性。因此，基于模糊逻辑的智能交通控制系统发展迅速。本论文为改善传统主干线协调控制算法中车辆到达的不均匀性、路段速度变化、交通流离散、支线车辆排队数量等不确定因素的影响，使主干线上的车队尽量不停车地
3、通过主干线，对传统主干线协调控制算法进行了深入的研究和改进，提出了一种新的主干线协调控制算法。该算法首先对单路口模糊控制器进行了改进，提高了绿时的利用率，减小了车辆排队延误和停车延误；然后根据跟驰理论提出一种全新的车流检测方法，结合中断请求思想，最终实现对主干线的实时协调控制。经仿真研究，此算法比传统算法的控制效果更优越。在模糊控制中，模糊控制规则的提取和模糊隶属度函数的选取一直是模糊控制系统设计的一个难题。一些学者采用其它智能技术与其相结合的方式来选取和优化模糊规则和隶属度函数，研究结果表明是可行的。但在本论文中，作者选择将多智能体技术应用于智能交通控制系统，因为交通路网的拓扑结构具有分布式
4、特性，以及交通系统的多层次、复杂性的特点使得多智能体技术更适合应用于智能交通系统。从长远来看，建立基于多智能体技术的智能交通控制体系具有更广阔的发展前景。本论文将每个路口定义为一个具有自主控制权的智能体，并采用基于强化学山东大学硕士学位论文习的交通流实时自适应控制算法，然后基于多智能体技术构建“自下而上”的分布式智能交通控制系统。用V i s u a lC 抖6 0 对路口智能体的强化学习控制算法在城市交通仿真系统中进行仿真，得到了强化学习控制算法与模糊控制算法直观的动态仿真曲线比较图，并显示在各性能指标上强化学习算法都更优越。关键词：智能交通控制系统：模糊控制；跟驰理论：多智能体；强化学习山
5、东大学硕士学位论文A B S T R A C TA tp r e s e n t，t h eb e s tw a yt os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h es l o w i n c r e a s i n gb a s i ct r a f f i ce s t a b l i s h m e n ta n dt h ef a s t i n c r e a s i n gn u m b e ro fv e h i c l e si st of o u n daw e l l w o r k e dI n t e
6、 l l i g e r i tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m(I T S)I n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nC o n t r o lS y s t e m(I T C S)，a sap a r to fI T S，p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e，a n dm a n yp r o d u c t i o n sh a v eb e e no b t a i n e d S o m ec o n t r o lm e c h a n
7、i s m sb a s e do nm a t h e m a t i cm o i l e la n dt r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sw e r ee s t a b l i s h e d，a n dt h er e s u l t st u r n e do u tt ob eg o o dw h e nt r a f f i cw a sn o tc o n g e s t e d H o w e v e r,w h e nt r a f f i cf l o wg r o w sh e a v i e ra n dh
8、e a v i e r,t h el i m i to ft h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lt r a f f i cc o n t r o ls y s t e mi sc h a l l e n g e do v e ra n do r e!a g a i n，t h e ni ti su r g e n tt oi n t r o d u c en e wt e c h n i q u e si n t ot h i sf i e l d I n t e l l i g e n tC o n t r o lt h e o
9、r yi st h ec o m b i n a t i o no fA u t o m a t i cC o n t r o lt h e o r ya n dA r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c et h e o r y,a n di ss u i t a b l et oc o n t r o lt h eu n c e r t a i n，c o m p l i c a t e dt a r g e t，w h i c hi sh a r dt of o u n da l la c c u r a t em a t h e m a t i c
10、m o d e l S ot h i si sw h yI n t e l l i g e n tC o n t r o lt h e o r yC a nb ea p p l i e dt oI T C Se f f i c i e n t l y F u z z yC o n t r o l，a sa ni m p o r t a n tI n t e l l i g e n tC o n t r o lm e t h o d，a l s op r e s e r v e st h a tc h a r a c t e r i s t i c，f o ri t Sc o n t r o l
11、r u l e sa r ea b s t r a c t e df r o mt h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e s，a n da r ed e s c r i b e db yn a t u r a ll a n g u a g e s，j u s ta sm e nu s u a l l yd oi nt h e i rm i n d s A sar e s u l t，I T C Sb a s e do nF u z z yC o n t r o ld e v e l o p e dr a p i d l y T h i sp a p e
12、 rp r o p o s e san e wc o o r d i n a t ec o n t r o la l g o r i t h mo f t t r b a nm a i nr o a dt os o l v es o m ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a la l g o r i t h m，s u c ha st h er a n d o m i c i t yo ft h ea r r i v i n gv e h i c l e s，t h es p e e dc h a n g i n go ft h ev e h i c l
13、 e so nm a i nr o a d，t h ed i s c r e t ep h e n o m e n ao ft h et r a f f i cf l o wa n dt h ea r r i v i n gv e h i c l e so nt h es e c o n d a r yr o a d T h i sn e wa l g o r i t h ma p p l i e si m p r o v e df u z z yc o n t r o la l g o r i t h mi ne a c hi n t e r s e c t i o nt oi n c r
14、e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h eg r e e nt i m ea n dr e d u c et h et r a f f i cd e l a y；m e a n w h i l e，i n t e r r u p t st h ef u z z yc o n t r o l l e r,a sl o n ga sm a s sv e h i c l e sa r ec o m i n gf r o mt h em a i nr o a d；t h e r e f o r e，r e a l i z e st h ec o o r d i n
15、a t ec o n t r o lo nt h eu r b a nm a i nr o a d T h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h en e wa l g o r i t h mc a ni m p r o v et h et r a f f i cc o n d i t i o no f t h ew h o l er o a ds u c c e s s f u l l y A c t u a l l y,i ti sa l w a y sad i f f i c u l tp r o b l e mt oa b s
16、t r a c tf u z z yr u l e sa n ds e l e c tm e m b e r s h i pf u n c t i o n s S o m es c h o l a r sc o n s i d e r e dt h a ti n t r o d u c i n gc e r t a i no t h e rU Ij，!_山东大学硕士学位论文i n t e l l i g e n tt e c h n i q u e si nc a ns o l v et h i sp r o b l e m，a n dp r o v e di t sf e a s i b i
17、 l i t y B u t，i nt h i sp a p e r,w ec h o o s et ou s eac o m p a r a t i v e l yn e w e rt e c h n i q u e，M u l t i-A g e n tS y s t e mT e c h n i q u e B e c a u s et h ed i s t r i b u t e ds t r u c t u r eo ft h eu r b a nr o a d s，t h ec o m p l e x i t ya n du n c e r t a i n t yo ft h et
18、 r a f f i cs y s t e m，m a k eM u l t i-A g e n tT e c h n i q u ei sm o r es u i t a b l ef o rt h eI T C S F u r t h e r m o r e，I T C Sb a s e do nM u l t i A g e n tS y s t e mT e c h n i q u eh a sah u g ep o t e n t i a li nl o n gp e r s p e c t i v e C o n s e q u e n t l y，e v e r yi n t e
19、 r s e c t i o ni sd e f i n e da sas e l f-c o n t r o l l e dA g e n t，i nw h i c han e wt r a f f i cf l o wc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nR e i n f o r c e m e n tL e a r n i n gi sa p p l i e d T h e n，c o n s t r u c tad i s t r i b u t e dI T C St h a ti s f r o mb o s o mt ot o p”
20、S i m u l a t i o ni sp e r f o r m e do no u rs e l f-d e v e l o p e dC i t yT r a f f i cS i m u l a t i o nS y s t e m I td i s p l a y st h es i m u l a t i o nf i g u r eo fr e i n f o r c e m e n tl e a r n i n ga l g o r i t h ma n df u z z yc o n t r o la l g o r i t h m，w h i c hd e m o n
21、s t r a t e st h a tt h er e i n f o r c e m e n tl e a r n i n ga l g o r i t h mi ss u p e r i o rt ot h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h ma te v e r yp e r f o r m a n c ei n d e x K e y w o r d s：I n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o nc o n t r o ls y s t e m；F u z z yc o n t r o
22、l；C a rf o l l o w i n gt h e o r y；M u l t i a g e n ts y s t e m；R e i n f o r c e m e n tl e a r n i n g原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：盘监日期娜6 关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或
23、向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：监翩签名：建立日期：巡山东大学硕士学位论文第一章绪论交通问题是当今世界人们普遍关注的重要问题，交通问题所带来的严重危害日益影响到人们日常生活与社会经济的发展，所以发展我国的智能交通事业势在必行。智能交通控制系统是智能交通系统的重要组成部分。因此，本章在介绍智能交通系统的基础上，对智能交通控制系统理论研究的由来和必要性进行了简单的阐述，并简要介绍了其研究内
24、容和发展现状，然后基于目前应用到此领域的智能控制理论引出本论文的研究内容和主要贡献。1 1 问题的提出早在3 0 多年前，人们就提出了智能交通的概念，不过对智能交通进行系统研究则始于2 0 世纪8 0 年代。起初智能交通研究工作始于英国、法国、德国等欧洲国家及美国、日本等，后来世界各地的许多国家和地区又相继开展起对智能交通的研究。随着科学技术的飞速发展，尤其是近十年来，世界各发达国家建立了四通八达的交通运输网络。但一个有目共睹的事实是：与曰俱增的道路交通系统的复杂性和拥挤度，特别是车辆增长的速度已经远远超过道路和其他交通设施的增长速度，随之引起的交通拥挤、环境污染、交通事故等一系列社会问题，给
25、国家造成了极大的经济损失。据研究统计：仅美国的主要城市每年因交通拥挤而造成的经济损失为4 7 5 亿美元，每年由于交通拥挤浪费多达1 4 4 亿升的燃料和2 7 亿工作小时，并且这些数字以每年5-1 0 的速度持续增长：在英国由于交通拥挤导致的能源浪费达到每年1 0 亿英镑，而且政府部门预计，在未来3 0 年该项费用还将加倍，环境污染也将加剧。多年来的实践经验表明：单纯依靠修建道路设施和采用传统的管理方式来解决交通问题，不仅成本昂贵，环境污染严重，而且其缓解交通拥挤的效果也十分有限。于是，为了解决各自的交通问题，美国、欧洲、日本等世界发达国家的交通管理部门纷纷投入大量的人力和物力，借助计算机、
26、信息、通讯技术以及人工智能等领域的新技术，大规模的进行道路交通运输智能化的研究，以保障交通畅通，改善道路安全，最大限度地发挥现有交通系统的效率，减少交通拥挤和环境污染对生态环境造成的恶劣影响。这一研究起初只是局限于改进道路功能和实现车辆智能化方面，称为“智能车辆道路系统(I n t e l l i g e n t V e h i c l e山东大学硕士学位论文H i g h w a yS y s t e m，简称I V H S)”。随着研究的不断深入，系统功能逐渐扩展到道路交通运输的全过程及其相关的服务部门，发展成为整个道路交通运输现代化的“智能交通系统(I n t e l l i g e n
27、 tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m，简称I T S)叫1。智能交通系统是采用信息技术、计算机技术、控制技术等多种高新技术与传统交通运输融合的集成和应用，是集高新技术的开发、集成、产业化和推广应用为一体的系统工程。1 2 智能交通系统的发展现状1 2 1 国外智能交通发展概况交通的发展与一个国家的经济发展水平密不可分。美国、日本以及欧洲的一些国家正是凭借其雄厚的经济实力，在研究智能交通方面走在了世界的前列【7,8 1。(1 1 I T S 在美国在美国交通部(D O T，D e p a r t m e n to fT r a f f i c)的支持下
28、，成立于1 9 9 1 年的H V T S A m e r i c a 学会(后改名为I T S A m e r i c a)进行了开发智能交通系统方面的研究，并于1 9 9 2 年5 月，制定了美国智能交通系统战略规划，描述了美国此后2 0 年的智能交通设计蓝图。在规划中，将智能交通系统划分为高级交通管理系统(A T M S)、高级车辆信息系统(A T I S)、高级车辆控制与安全系统(A v C S S)、商用车辆操作系统(C V O)、高级公共交通系统(A P T S)、农区交通系统(R T S)等几个研究开发领域。在智能交通实施的法规和系统标准化系统方面，美国交通部和美国智能交通学会在
29、1 9 9 5 年5 月制定了国家智能交通规则，1 9 9 6 年颁布的约五千页的国家系统结构，1 9 9 7 年继冰茶法案(I S R T E A)之后，美国交通界又提出续冰茶法案，作为美国跨世纪交通与经济发展战略的纲领性文件。该法案继承了冰茶法案的许多优点，并提出了一些更为新颖的策略。且在最近颁布的关于2 0 0 1 年-2 0 1 1 年的国家智能交通发展策略中详尽地描述了美国智能交通技术的发展策略、各参与者所扮演的角色与责任，规定了各种交通系统模式及设计实施技术细则。另外，美国运输部正式出版的国家智能交通系统项目规划中概括了美国智能交通系统的7 大领域，即交通控制与管理系统、出行需求管
30、理系统、公共交通运营系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、先进的车辆控山东大学硕士学位论文制和安全系统。(2)I T S 在日本在日本，智能交通的研究较美国更加侧重于都市交通智能管理和智能交通信息系统，其重要成就有：都市交通监控与智能交通信号控制、高速公路监控系统、实用城市停车系统、车客信息系统、车辆导航系统、车辆定位系统、公共汽车定位与到站预报系统、电子收费系统、隧道监视及事故检测系统、数字地图系统等。在车辆导航方面，目前日本汽车公司在近1 0 的内销汽车产品出厂时就配备了汽车导航系统。另外，G P S 卫星定位和超短波近距离通讯(D e d i c a t e ds h o
31、r tR a n g e R a d i o，D S R R)技术在日本智能交通系统领域也得到广泛应用。在智能交通系统标准化方面，日本交通部、日本邮电部、日本警察厅等五个政府部门于1 9 9 5 年1 1 月联合制定了高等信息通讯在道路、交通和车辆方面的基本政府纲领。1 9 9 6 年制定了日本智能交通综合计划，为日本智能交通系统的研究与开发做出了长远规划。1 9 9 9 年1 1 月，上述五个部门又联合制定了日本智能交通系统结构，该文件详细描述了大规模智能交通系统设计时的标准流程，规定了智能交通系统的9 个开发领域，2 1 个标准用户服务项目，5 6 个特别用户服务项目和1 7 2 个特别用
32、户子服务项目。文件中也详细定义了工程设计中的各项术语并规定了系统实施时的技术标准选择范畴。(3)I T S 在欧洲在欧洲，1 9 8 6 年由私人公司主导，开发了“普罗米休斯”(P R O M E T H-E U S：P r o g r a mf o rE u r o p eT r a f f i c 淅mH i 曲e s tE f f i c i e n c ya n dU n p r e c e d e n t e dS a f e t y)交通项目，以研究高科技的车辆应用技术为主。1 9 8 7 年，欧共体运输部长联席会议开始筹划“集成化道路运输环境系统”(D R I V E：D e d
33、 i c a t e dR o a dI n f r a s t r u c t u r ef o r R o a dS a f e t y i n E u r o p e)。1 9 8 8 年，开始实施第一阶段的D R I V E 计划，即欧洲车辆安全专用道路设施，旨在充分提高道路的交通效率与安全性。1 9 9 2 年开始实施的第二阶段的D R I V E 计划，即新型道路运输系统，目的是使第一阶段的D R I V E 研究成果付诸实施并建立通用的系统规范，并在欧洲实施了P R O M O T E(P r o g r a mf o rM o b i l i t yT r a n s p o
34、r t a t i o ni nE u r o p e)智能交通系统项目。1 9 9 1 年欧洲智能交通组织E R T I C(E u r o p eR o a dT r a n s p o r tT e l e m a t i c sI m p l e m e n t a t i o na n dC o o r d i n a t i o nO r g a n i z a t i o n)成立。另外，欧洲的智能交通设计标准一般遵循C E N 厂r C 2 7 8 和I S O 厂r C 2 0 4。山东大学硕士学位论文1 2 2 国内智能交通发展概况我国交通部公路科学研究所在1 9 9 8
35、年完成了“智能运输系统发展战略研究”的报告。该报告提出了我国智能交通运输系统的体系结构以及近期、中期、远期的发展战略目标。该战略目标将我国I T S 的六大方面交通控制系统、集成信息服务系统、通信系统、安全保障系统、电子收费系统、运输管理系统以时间为界限，以I T S 内涵深度为依据分为三个阶段：(1)2 0 0 0 年，作为我国智能交通运输系统的近期目标已经基本实现，我国I T S的六大系统方面的初步建立工程已经完成，并一直处于顺利向前发展和完善中。(2)到2 0 1 0 年定为中期目标，致力于我国I T S 的六大系统板块发展的深度和广度的进一步研究与实现上。交通控制系统：在新建的高速公路
36、上全面建设交通控制系统，并在区域内进行路网控制的研究和具体应用。集成信息服务系统：开始利用广播、公共网和专网等手段把各种交通信息以有偿或者无偿方式提供给道路使用者，在城市内开始进行全面的信息服务。通信系统：进行全国范围内的交通通信信息网建设，在充分利用公共网的基础上建设以沿高速路铺设的光缆为主干的全国交通网。安全保障系统：全面推广以安全气囊等为代表的车载安全辅助设备，在高速公路上建立起一支设备先进、反应迅速的抢险队伍。电子收费系统：在全国逐步推广不停车收费，并开始在全国进行联网。运输管理系统：全力推进以公路为主、多种方式结合的快速客货运系统，争取覆盖全国的所有大城市。(3)2 0 2 0 定位
37、为我国I T S 发展战略中的长期目标。此目标完成之后，国家的智能交通运输系统的体系结构全部完成，并真正实现了交通运输系统的智能化。具体如下：交通控制系统：能够全面详尽的掌握整个道路网实际的道路交通信息、事件、事态，通过预测，对已经发生或即将发生的事件进行处理，将交通控制、诱导信息通过通信系统传递给用户。集成信息服务系统：能够让用户在任何时间、任何地点知晓路网上的各种信息，甚至对即将的出行有一个预知，使用户采取正确的行动。通信系统：满足各种信息和用户的传输需求。安全保障系统：保证交通正常运行时人员的安全和舒适，对交通发生异常事山东大学硕士学位论文件时提供迅速有效的处理。电子收费系统：减少在交通
38、口的延误和产生的阻塞。运输管理系统：充分利用以上五个系统提供的信息和保障，通过合理的调度使运输企业发挥出最大的效益。1 3 智能控制技术的发展2 0 世纪6 0 年代，自动控制理论和技术的发展已渐趋成熟，而人工智能还只是个诞生不久的新兴技术。1 9 6 6 年J M M e n d e l 首先主张将人工智能用于飞船控制系统的设计。1 9 7 1 年著名学者K S F u 从发展学习控制的角度首次正式提出智能控制这个新兴的学科领域。他的文章题目是：“学习控制系统和智能控制系统：人工智能与自动控制的交叉”“。G N S a r i d i s 对智能控制的发展作出了重要贡献，他在1 9 7 7
39、年出版了“随机系统的自组织控制”一书，1 9 7 9 年发表了综述文章“朝向智能控制的实现”。在这两篇著作中他从控制理论发展的观点，论述了从通常的反馈控制到最优控制、随机控制，再到自适应控制、自学习控制、自组织控制，并最终向智能控制这个更高阶段发展的过程。他首次提出了分层递阶的智能控制结构形式，整个控制结构从上而下分为三个层次：组织级、协调级、控制级。在7 0 年代中期前后，以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出发，智能控制在另一个方向规则控制(r u l e b a s e dc o n t r 0 1)上也取得了重要的进展。1 9 7 4 年，M a m d a n i 将模糊集和模
40、糊语言逻辑用于控制，创立了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，并被成功地应用于工业过程控制。1 9 7 9 年，他又成功地研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制器具有了较高的智能。在智能控制的发展过程中，另一个值的一提的著名学者是K J A s t r o m，他在1 9 8 6 年发表的“专家控制”的著名文章中，将人工智能的专家系统技术引入到控制系统中，组成了另外一种类型的智能控制系统。A s t r o m 提出的专家控制将人工智能中的专家系统技术与传统的控制方法相结合，并吸取了这两者的长处，在实际中取得了明显的效果。8 0 年代中后期，由于神经网络的研究获得了重要进展，于是这一领域吸引了
41、众多学科的科学家、学者。如今在控制、计算机、神经生理学等学科的密切配合下，在“智能控制论”的旗帜下，又在寻求新的合作，神经网络理论和应用研究山东大学硕士学位论文为智能控制的研究起到了重要的促进作用。在S a r i d i s 等人的倡议下，1 9 8 5 年8 月在美国纽约的T r o y N 开了第一次智能控制学术讨论会，然后不久在I E E E 的控制系统学会中成立了智能控制技术委员会，首任主席就是S a r i d i s 教授，从1 9 8 7 年起，每年召开一次智能控制的国际学术会议。智能控制作为一门新兴学科，现在还只是处于它的发展初期，还没有形成完整的理论体系。由于被控对象越来越
42、复杂，其复杂性表现为高度的非线性，高噪声干扰、动态突变性以及分散的传感元件与执行元件，分层和分散的决策结构，多时间尺度，复杂的信息结构等，这些复杂性都难以用精确的数学模型来描述。除了上述复杂性外，往往还存在着某些不确定性，不确定性也难以用精确数学方法加以描述。对于这样复杂对象的控制问题，实际研究表明，用智能控制方法是行之有效的。1 4 智能交通控制系统概述1 4 1 智能交通控制系统发展概况城市交通控制系统发展的初期，人们主要把精力放在包括信号灯和信号控制器等硬件设备的更新和改进方面。直到因机动车辆增多和交通流量增大而使得路口间交通流运行与信号控制的日渐增强的耦合作用被认识到时，城市交通控制机
43、理才逐步受到重视并得到研究和发展口6 l3。”j。这里主要对控制协作、控制方式及系统体系结构三方面进行阐述。最初的交通信号灯，只按本路口交通情况独立运行，不考虑其邻近路口的交通状况以及相邻路口信号控制间的耦合作用，这样的路口控制通常称作孤立路口控制或点控。但由于路口问交通流存在耦合作用，这种相互独立的控制方式会导致频繁停车和影响控制效果，从而需引入协调控制。协调控制包括线控和面控。线控主要指干线方向的信号协调控制，就是设计一种相互协调的配时方案来控制干线上各交叉口信号灯的协作运行。然而，对于整个区域的交通负荷都很大的情况，采用干线协调控制方式往往不能收到预期控制效果甚至可能使之恶化，因此需在整
44、个交通网络上寻求统一协调，即交通网络协调控制，或称面控。可见，从控制协调的规模来看，城市交通控制可分为点控、线控和面控三种情况。就控制方式而言，交通控制可分为定时控制、感应控制和实时自适应控制三种。定时控制根据关于交通状况的历史数据及统计结果，找出每天及每小时的不山东大学硕士学位论文同交通流变化规律，用人工方法或计算机仿真方法按不同天及不同时段的若干种典型状况及一定的优化模型与算法制订出相应的信号配时方案，由交通警察根据当时路况进行选择或用日历钟按照交通流变化的规律每天在一定的时间自行转换。定时控制方式具有简单经济的优点，但对交通流的随机变化不能有效响应，适应能力很差。感应控制方式则在交叉路口
45、的部分或所有进口车道上安装检测器，并随时根据检测得到的交通信息和预先设定的信号配时方案决定当前信号状态是否延长或终止转换。此方式符合交通流的随机特征，较定时控制方式有更大的灵活性，适应能力有所增强，适用于饱和度较低、交通流没有明显变化规律、随机性较强的路口。实时自适应控制则是根据路口检测得到的有关交通信息并基于交通预测模型预测近短期交通需求状况变化，从协调信号配时方案库中选择相应最优的方案或实时计算产生相应的最优信号配时方案来实现交通控制。由于信号方案的实施充分考虑了实时交通需求，所以能通过不断修正控制参数来适应交通流的动态随机变化，具有较高的控制精度和较好的响应速度，适应能力最强，但由于需要
46、安装大量的检测设备和通讯线路而使其造价很高。根据系统控制逻辑和硬件配置来看，城市交通控制系统体系结构经历了无计算机控制、计算机集中式和计算机分散式三代演变过程。最初的信号灯是人工操作控制的，所以称为无计算机控制的系统。1 9 4 6 年电子数字计算机问世，不过因为当时的计算机价格较为昂贵，通常只能针对多个路口构成的路网系统设立一个中央计算机系统，根据来自检测器或局部控制器的交通信息数据，统一对整个路网系统进行信号配时方案的选择或计算，这即计算机集中式控制系统。伴随集成电路的发展和计算机的日益微型化，智能交通控制步入计算机分散控制时代，具体分为两种情况：一种是计算机完全分散式控制系统，其特点是无
47、控制中心，各路口的局部微计算机负责相应的信号配时和与其它计算机的数据交换；另一种则是基于递阶分层结构的计算机分布式控制系统，作为集中式控制和分散式控制的结合，它汇集了二者的优势，既提高了灵活性、可靠性和有效性，还节省了系统投资，所以成为发展方向所在。从总体上而言，基于数学模型和传统控制方法的智能交通控制机理己相对成熟，并在非拥挤交通路况条件下取得了令人满意的控制效果。然而伴随社会与交通的飞速发展，主要是城市交通路网规模及交通流量的急剧增长，传统交通控制系统的性能极限受到了极大的挑战。新的技术和方法的引入显得十分必要和非常迫切，而这又必然会导致包括系统体系结构及控制策略等各方面的调整和改进。山东
48、大学硕士学位论文计算机的出现和广泛应用促成了人工智能研究热潮的掀起。针对传统交通控制系统的固有缺陷和局限性，许多学者把人工智能中的专家系统、模糊系统、人工神经网络、遗传算法、M u l t i A g e n t 等实用技术相继推出并应用到工程领域。下面简单介绍一下模糊控制和M u l t i A g e n t 技术在智能交通控制系统中的应用研究概况。1 4 2 基于模糊控制的智能交通控制系统的研究概况Z a d e h 提出的模糊集理论【l2 j 对解决复杂过程中不确定性的问题提供了一个很好的概念框架，它对那些人们只能进行粗糙近似的过程的建模和分析提供了强大的概念基础。自P a p p i
49、 s 于1 9 7 7 年首先将模糊逻辑概念应用到交通控制领域【l3 以来，路口交通控制就一直是模糊控制研究与应用的对象。经过二十多年的研究，基于模糊逻辑的智能交通控制已经取得了很大的发展，在内容和手段上也出现了许多新的变化。基于模糊逻辑的交通控制最初的研究对象是单交叉口或简单的交叉口组，模糊规则和隶属度函数一般采用试探的方式确定，试图以较简单的模糊控制模型来解决复杂的交通控制问题。P a p p i s 的研究对象就是一个孤立、单向、无拐弯车流的路E l 模型，控制系统设计为基于绿信调整次数的模糊决策系统【1 3 1。继P a p p i s以后，很多研究者在其工作基础上做了进一步拓展，并且
50、在与定时控制或感应控制进行系统性能比较时，在平均等待时问性能指标上都得出了更为优越的乐观结果。他们对P a p p i s 提出的模糊控制系统的改进主要在以下方面：增加研究对象的复杂度，如加入转向交通流，扩展到多个路口构成的路口组等：改进系统的输入输出参数，采用不同的方式描述系统的交通状况和不同的控制策略。N a k a t s u y a m a “】对两个相邻的单向路口组进行模糊逻辑控制，对下游的路1 5 1控制考虑了上游路1 2 1 的交通状况，从而达到整体协调。C h i u l l5，1 6】j 哿模糊控制应用于一般的无转向运动的双向多路口的交通网络，后来又进一步将调节周期时间和绿信