尹 露 丁遷成

上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司 上海 200063

在城市交通控制系統(tǒng)中，控制的對象是交通流，控制設(shè)備主要是交通信號(hào)燈。國內(nèi)外常見的交通信號(hào)控制系統(tǒng)多為集中式控制，即中心系統(tǒng)將區(qū)域內(nèi)的所有信號(hào)機(jī)連接起來，由同一臺(tái)計(jì)算機(jī)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。

集中式控制的缺點(diǎn)為當(dāng)路口規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，集中式的控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)大量交通數(shù)據(jù)的通信傳輸和控制策略的實(shí)時(shí)優(yōu)化，且系統(tǒng)維護(hù)難度大[1]。分布式信號(hào)控制系統(tǒng)沒有中央計(jì)算單元，控制操作依賴于局部交叉口控制器，大大簡化了模型結(jié)構(gòu)，為信號(hào)控制方案的實(shí)時(shí)性與可靠性的兼顧優(yōu)化提供了理論支撐[2]。國外已有的一些采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)的信號(hào)控制系統(tǒng)，如PRODYN系統(tǒng)、OPAC系統(tǒng)和RHODES系統(tǒng)[3]，有效地均衡了集中式交通控制模型的通信需求和計(jì)算荷載，但這類系統(tǒng)采用交通模型預(yù)測路口環(huán)境演化，與路口的真實(shí)環(huán)境相差較大，且不具備自學(xué)習(xí)能力，在高飽和度等復(fù)雜交通條件下控制效果差。

近兩年，隨著芯片級(jí)計(jì)算能力變強(qiáng)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，邊緣計(jì)算這一概念實(shí)現(xiàn)的阻礙越來越小，在路口實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，在線分析處理，并得出結(jié)果，使得分布式信號(hào)控制模式的實(shí)施成為可能。人工智能的發(fā)展也使得分布式信號(hào)控制模式的控制規(guī)則實(shí)時(shí)產(chǎn)生成為可能[4]。本文將群體智能的概念引入到分布式信號(hào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，提出了一種新的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

1 信號(hào)控制模式

集中式信號(hào)控制模式用一句話概括就是：一個(gè)中央控制器帶多個(gè)路口信號(hào)控制器，路口信號(hào)控制器沒有數(shù)據(jù)處理能力，僅僅負(fù)責(zé)交通數(shù)據(jù)的錄入和交通信號(hào)的輸出，而運(yùn)算全部在中央控制器上進(jìn)行。分布式信號(hào)控制模式是相對于集中式系統(tǒng)而言的，其由許多臺(tái)路口控制器組成，每個(gè)路口控制器都有自己的數(shù)據(jù)庫、采集器、運(yùn)算器，即每個(gè)路口都有決策能力，在物理上是分散的，但在邏輯上，所有相互連接的路口控制器構(gòu)成了分布式系統(tǒng)。

因此，即使路口控制器多，分布式控制模式也不必?fù)?dān)心長距離數(shù)據(jù)通信的問題，此外，方案生成式響應(yīng)控制也成為可能。其優(yōu)點(diǎn)包括：高度可靠性和魯棒性，效率高，擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低。2種控制模式的結(jié)構(gòu)對比如圖1所示，差異對比如表1所示。

2 群體智能

群體智能（swarm intelligence）是指在集體層面表現(xiàn)的分散的、去中心化的自組織行為。一個(gè)群體智能系統(tǒng)由多個(gè)功能簡單的智能個(gè)體（智能體）構(gòu)成，系統(tǒng)中每個(gè)智能體與其他智能體及外部環(huán)境進(jìn)行信息交互，所有智能體都遵循非常簡單的規(guī)則。盡管沒有中央控制結(jié)構(gòu)，但本地智能體間的直接或間接的通信可以催生復(fù)雜的全局系統(tǒng)性行為。

圖1 2種控制模式的結(jié)構(gòu)對比

表1 2種控制模式的差異對比

本質(zhì)上，交通系統(tǒng)是一個(gè)分布式系統(tǒng)，而分布式交通信號(hào)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制的內(nèi)在需求與智能體技術(shù)自治、協(xié)作的特性相符。智能體，即路口信號(hào)控制器可以通過傳感器感知外部環(huán)境的信息，并根據(jù)控制目標(biāo)和環(huán)境變化，自發(fā)作出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對交通系統(tǒng)的自動(dòng)控制；同時(shí)，分布式交通信號(hào)控制系統(tǒng)中的各路口智能體能夠按照合適的協(xié)調(diào)機(jī)制相互協(xié)作，形成多智能體控制系統(tǒng)（multi-agent system，MAS），通過協(xié)作達(dá)到整個(gè)路網(wǎng)全局最優(yōu)的目的。群體特征與信控系統(tǒng)特征的相似之處如表2所示。

表2 群體特征與信控系統(tǒng)特征的相似之處

3 分布式交通信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

未來智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)該將交通各子系統(tǒng)，如誘導(dǎo)、信控、監(jiān)測等集成起來，要求多智能體交通系統(tǒng)在互用性、不確定性、可拓展性等方面具有更好的性能，多智能體的自學(xué)習(xí)能力也是實(shí)現(xiàn)交通自治的關(guān)鍵，這樣的架構(gòu)是復(fù)雜時(shí)變條件下交通網(wǎng)絡(luò)管理的可行方案?，F(xiàn)提出一種新的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路：

1）每個(gè)路口的信號(hào)機(jī)作為一個(gè)智能體。

2）各路口之間按照區(qū)域信息共享協(xié)調(diào)機(jī)制。

3）路口之間數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)存在一定的進(jìn)化規(guī)則。

該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 分布式交通信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2 智能體信號(hào)機(jī)

基于多智能體技術(shù)，每個(gè)路口的信號(hào)機(jī)作為一個(gè)智能體——為了減少智能體間的不必要通信，避免維數(shù)災(zāi)難——只與相鄰的智能體直接通信。路口智能體（信號(hào)機(jī)）由感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、通信系統(tǒng)三部分組成。

3.2.1 感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)是對系統(tǒng)所在環(huán)境進(jìn)行了解和探測的系統(tǒng)，即由智能體所控制的一組車輛檢測器。它們可將所控制路口的車輛信息傳輸給智能體，使智能體及時(shí)了解環(huán)境狀況。信號(hào)機(jī)通過線圈、視頻探頭、雷達(dá)等檢測器讀取數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)進(jìn)行分析，將路口交通流狀態(tài)轉(zhuǎn)換為排隊(duì)長度、車流量等具體數(shù)據(jù)，交由決策系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算。

3.2.2 決策系統(tǒng)

決策系統(tǒng)分為判斷模塊、計(jì)算模塊、學(xué)習(xí)模塊和存儲(chǔ)模塊。

1）判斷模塊。根據(jù)感知系統(tǒng)輸出的分析數(shù)據(jù)，判斷交通流所處狀態(tài)，當(dāng)交通流飽和度較低時(shí)，以最大通行量及最小延誤時(shí)間為目標(biāo)進(jìn)行決策；當(dāng)交通流飽和度較高時(shí)，以降低擁堵，保證路網(wǎng)安全性為目標(biāo)進(jìn)行決策。同時(shí)，對之前一段時(shí)間的信號(hào)控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，若效果不達(dá)標(biāo)需要啟動(dòng)學(xué)習(xí)模塊，對計(jì)算模塊中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行更新。

2）計(jì)算模塊。根據(jù)本地感知系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)及相鄰路口感知系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)，構(gòu)建以排隊(duì)長度和輸入車流量和輸出車流量為依據(jù)的簡單控制規(guī)則，結(jié)合當(dāng)前相位的排隊(duì)長度及流入車流數(shù)據(jù)、下個(gè)相位待放行車輛數(shù)以及判斷模塊輸出的結(jié)果，決定信號(hào)燈切換與否。

4）存儲(chǔ)模塊。采用隊(duì)列的結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)定長時(shí)間內(nèi)的交通流數(shù)據(jù)，用于規(guī)則失效后新規(guī)則參數(shù)的學(xué)習(xí)。

3.2.3 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)主要是用于實(shí)現(xiàn)與相鄰智能體的信息交互，如4G通信、5G通信、有線通信等。

3.3 協(xié)調(diào)機(jī)制

首先由中央控制器或人工確定需要協(xié)調(diào)的路口范圍，需要協(xié)調(diào)的路口（例如主干道需要綠波）共享路口車輛信息，智能體根據(jù)本地路口的車輛信息和當(dāng)前協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)智能體共享的數(shù)據(jù)計(jì)算得到控制方案，并共享給其他路口，每個(gè)智能體根據(jù)最新共享信息制定新的方案，通過迭代，受協(xié)調(diào)的路口以該方案作為控制方案。

協(xié)調(diào)機(jī)制以需協(xié)調(diào)的多個(gè)路口的決策方案為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上找尋需協(xié)調(diào)路口的中間方案，以實(shí)現(xiàn)綠波。

3.4 數(shù)據(jù)交互

路口間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性交互包括強(qiáng)實(shí)時(shí)性和弱實(shí)時(shí)性兩部分。其中，強(qiáng)實(shí)時(shí)性交互數(shù)據(jù)，如相鄰路口的各車道排隊(duì)長度、各進(jìn)口道車流量數(shù)據(jù)等，交由各路口信號(hào)機(jī)，按特定規(guī)則決定信號(hào)方案，以保證信號(hào)方案能動(dòng)態(tài)變更。弱實(shí)時(shí)性交互數(shù)據(jù)，如計(jì)算時(shí)段劃分、相位修改等，由路口發(fā)送給中央控制器集中處理。此外，中央控制器將對車流數(shù)據(jù)進(jìn)行離線學(xué)習(xí)計(jì)算，得出最優(yōu)協(xié)調(diào)區(qū)域、協(xié)調(diào)參數(shù)更新方式和優(yōu)化規(guī)則，最終將各參數(shù)同步至各個(gè)路口（圖3）。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)

4 基于VISSIM仿真的信號(hào)控制系統(tǒng)測試

信號(hào)控制系統(tǒng)從研發(fā)到投入生產(chǎn)，其功能及可靠性直接關(guān)系到它在道路交通信號(hào)控制中所發(fā)揮作用的大小，從而對城市道路交通管理的科學(xué)性、有效性產(chǎn)生最直接的影響。因此，對這些功能及可靠性進(jìn)行測試的方法尤為重要?？梢圆捎梅抡骝?yàn)證系統(tǒng)算法或路口現(xiàn)場測試實(shí)際效果。

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4.1 仿真算法測試

基于VISSIM軟件的具體仿真步驟如下：

1）選擇合適的交通仿真軟件，建立路網(wǎng)。

2）調(diào)查實(shí)際路口環(huán)境特征，如結(jié)構(gòu)、尺寸、車道數(shù)、車輛組成、交通流流向和交通量、信號(hào)燈相位數(shù)和相序。

3）編寫集中式的算法架構(gòu)的軟件，通過仿真軟件的COM接口，修改路口的交通信號(hào)燈狀態(tài)，主要表現(xiàn)為一個(gè)控制器（中央處理器）控制所有路口的交通信號(hào)燈的狀態(tài)。

4）通過仿真軟件中的虛擬檢測器檢測獲得虛擬交通量信息（車流量等數(shù)據(jù)），通過COM接口交通量信息反饋至控制軟件。

5）運(yùn)行仿真，基于COM接口讀取仿真軟件中的評(píng)價(jià)結(jié)果，選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括排隊(duì)長度、行程時(shí)間、車輛延誤、路網(wǎng)性能等；通過評(píng)價(jià)結(jié)果，確定系統(tǒng)的有效性。

分布式的算法模塊主要表現(xiàn)為由一個(gè)控制器（智能體）控制一個(gè)路口，多個(gè)控制器之間相互通信，讀取所需要的交通量信息，每一個(gè)信號(hào)器關(guān)聯(lián)一個(gè)路口的信號(hào)燈，每個(gè)路口獨(dú)立刷新信號(hào)燈狀態(tài)，仿真測試結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 仿真測試結(jié)構(gòu)

4.2 路口現(xiàn)場測試

控制算法經(jīng)過仿真軟件進(jìn)行初步驗(yàn)證后，必須到路口進(jìn)行實(shí)際測試驗(yàn)證。路口現(xiàn)場測試一般分3個(gè)步驟：

1）交通調(diào)查獲取交通狀況信息。

2）方案配置。根據(jù)交通狀況，配置算法運(yùn)行需要的參數(shù)，設(shè)計(jì)滿足路口交通要求的控制方案。

3）路口驗(yàn)證?？刂菩Ч房隍?yàn)證一般按照算法要求，安排不同數(shù)量的車輛在不同時(shí)段通過測試路口，以獲得通行時(shí)間、停車測試以及車輛通行數(shù)量等數(shù)據(jù)，并分析測試所得數(shù)據(jù)，對算法控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。

5 結(jié)語

人工智能的發(fā)展使得分布式信號(hào)控制模式的控制規(guī)則實(shí)時(shí)產(chǎn)生成為可能，群體智能技術(shù)的自治性、協(xié)作性和交互性完美地符合分布式交通信號(hào)自適應(yīng)控制的內(nèi)在需求。該系統(tǒng)可為復(fù)雜、不確定環(huán)境下交通網(wǎng)絡(luò)的集成優(yōu)化控制，提供一條捷徑。隨著5G通信時(shí)代的到來，我們對新的交通信號(hào)控制系統(tǒng)模式拭目以待。