基于多智能體的分布式交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法

基于多智能體的分布式交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制方法

1美國(guó)網(wǎng)絡(luò)綠波帶信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的通行能力由許多交叉口組成的道路網(wǎng)負(fù)責(zé)城市交通的主要功能。大城市的主要道路網(wǎng)絡(luò)通常包括數(shù)百到數(shù)千個(gè)交叉口。這樣復(fù)雜的交通網(wǎng)絡(luò)需要通過(guò)交通標(biāo)志控制流量。與單通信號(hào)不同，多交叉口的交通網(wǎng)絡(luò)在交叉口之間的交通流中產(chǎn)生了相互作用。考慮到單交叉口的交通問(wèn)題，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)開口，交通問(wèn)題不能被認(rèn)為是最好的交通狀態(tài)。在保證每個(gè)交叉口交通順暢的前提下，通過(guò)增加交叉口之間的交通信息協(xié)調(diào)，提高整個(gè)路網(wǎng)的交通能力是交通網(wǎng)信號(hào)控制的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)綠波帶控制雖然考慮了路口之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題,但實(shí)現(xiàn)條件比較苛刻,首先,相鄰路口之間的距離不能過(guò)大,一般應(yīng)在800米以內(nèi);其次,由于所有路口采用相同的信號(hào)周期,因此,每個(gè)路口的交通流量應(yīng)該相近;最后,區(qū)域內(nèi)行駛的車輛應(yīng)以特定的速度行駛.其中第二個(gè)條件在多數(shù)城市的道路交通中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的.由于現(xiàn)有交通網(wǎng)信號(hào)控制方式的局限,隨著分布式問(wèn)題求解方式和多智能體技術(shù)的發(fā)展,人們開始探討交通信號(hào)的分布式控制問(wèn)題,HakimLaichour等、JeffreyL.Adler等、JohnFrance等相繼提出多種基于多智能體的道路交通分布式控制概念模型.李英構(gòu)建了分布式交通信號(hào)控制的概念模型,并對(duì)由兩個(gè)路口組成的簡(jiǎn)單交通系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),證明分布式控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)控制方式.李靈犀等建立了兩相鄰路口的分層遞階模糊控制模型,并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明該方法優(yōu)于傳統(tǒng)感應(yīng)控制.本文在基于多智能體的分布式道路交通控制概念模型和單路口交通信號(hào)機(jī)器學(xué)習(xí)控制方法的基礎(chǔ)上,建立了交通信號(hào)控制智能體BDI模型,提出基于多智能體的分布式道路交通協(xié)調(diào)控制方法,并對(duì)一個(gè)由8個(gè)路口組成的交通網(wǎng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種新控制方法的控制效果明顯優(yōu)于定時(shí)控制和感應(yīng)控制.2信號(hào)控制要求每個(gè)路口由一個(gè)信號(hào)控制智能體控制,通過(guò)相鄰路口信號(hào)控制智能體之間的協(xié)調(diào)達(dá)到交通網(wǎng)絡(luò)整體控制優(yōu)化的目的.路口信號(hào)控制智能體由本地路口信號(hào)控制模塊、相鄰路口信息處理模塊、通信模塊和車輛檢測(cè)器信息處理模塊四個(gè)主要部分組成(如圖1所示).本地路口信號(hào)控制模塊的信號(hào)控制過(guò)程(如圖2所示)是控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),設(shè):通過(guò)感知系統(tǒng)獲得的信息的集合為PSC,它包括從本路口車輛檢測(cè)器獲得的車輛信息和通過(guò)通信模塊接受的相鄰路口的信息,由所有信號(hào)控制信念組成的集合為BelSC,當(dāng)前信號(hào)控制信念集為BSC,由所有信號(hào)控制愿望組成的集合為DesSC,當(dāng)前信號(hào)控制愿望集為DSC,由所有信號(hào)控制意圖組成的集合為IntSC,當(dāng)前信號(hào)控制意圖集為ISC,則任意給定時(shí)刻,一個(gè)路口信號(hào)控制智能體的狀態(tài)可以表示為以下三元組形式:(BSC,DSC,ΙSC),這里BSC?BelSC,DSC?DesSC,ΙSC?ΙntSC.(BSC,DSC,ISC),這里BSC?BelSC,DSC?DesSC,ISC?IntSC.挑選信號(hào)控制信念的過(guò)程可以定義為:p(BelSC)×ΡSC→p(BelSC).產(chǎn)生供選擇的信號(hào)控制愿望的過(guò)程可以定義為:p(BelSC)×p(ΙntSC)→p(DesSC).根據(jù)當(dāng)前信號(hào)控制信念、愿望和意圖篩選信號(hào)控制智能體新意圖的過(guò)程可以定義為:p(BelSC)×p(DesSC)×p(ΙntSC)→p(ΙntSC).為了信號(hào)控制的需要,將路口的車輛堵塞分為四個(gè)級(jí)別,分別定義為:一般堵塞:車輛在路口行駛受到阻礙,且該方向排隊(duì)車輛在路段車道內(nèi)的長(zhǎng)度超過(guò)路段總長(zhǎng)的1/4;中等堵塞:車輛在路口行駛受到明顯阻礙,且該方向排隊(duì)車輛在路段車道內(nèi)的長(zhǎng)度超過(guò)路段總長(zhǎng)的1/3;嚴(yán)重堵塞:車輛在路口行駛受到嚴(yán)重阻礙,且該方向排隊(duì)車輛在路段車道內(nèi)的長(zhǎng)度超過(guò)路段總長(zhǎng)的1/2;完全堵塞:車輛無(wú)法通過(guò)路口,且該方向排隊(duì)車輛在路段車道內(nèi)的長(zhǎng)度超過(guò)路段總長(zhǎng)的2/3.BelSC={①減少本路口車輛延遲;②與相鄰路口的信號(hào)控制智能體進(jìn)行協(xié)作;③接受人工干預(yù);④應(yīng)對(duì)突發(fā)交通事件.}DesSC={①優(yōu)先保證本路口端線排隊(duì)車輛在一個(gè)綠燈相位中通過(guò)路口;②在不降低本路口綠燈時(shí)間有車輛通過(guò)的有效時(shí)間比例的前提下,優(yōu)先保證車隊(duì)不停車地通過(guò)本路口;③避免本路口車輛堵塞;④協(xié)助相鄰路口信號(hào)控制智能體避免相鄰路口車輛堵塞;⑤保持與相鄰路口信號(hào)控制智能體的信息交流;⑥按照人工輸入的命令進(jìn)行本路口信號(hào)相位的持續(xù)和轉(zhuǎn)換;…}IntSC={①當(dāng)本相位由紅燈變?yōu)榫G燈時(shí),根據(jù)車輛檢測(cè)器信息處理模塊提供的本相位所控制的路段進(jìn)路車輛排隊(duì)情況,以單車道最大排隊(duì)車輛數(shù)作為參考值,確定本相位的基礎(chǔ)綠燈時(shí)間.如圖4所示,當(dāng)單車道最大車輛排隊(duì)數(shù)不大于兩輛車時(shí)(包括車輛數(shù)為零),基礎(chǔ)綠燈時(shí)間為3秒;當(dāng)單車道最大車輛排隊(duì)數(shù)大于等于21輛時(shí),基礎(chǔ)綠燈時(shí)間為24秒;其余情況如圖所示.基礎(chǔ)綠燈時(shí)間是根據(jù)車輛啟動(dòng)、加速、跟車等經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定,主要是為了排隊(duì)車輛能順利通過(guò)路口;②當(dāng)前綠燈相位的綠燈時(shí)間累計(jì)達(dá)到或超過(guò)基礎(chǔ)綠燈時(shí)間時(shí),根據(jù)相鄰路口信息處理模塊和車輛檢測(cè)器信息處理模塊提供的信息,判斷當(dāng)前相位所控制的路段進(jìn)路中是否有正在消散的車隊(duì),如果有則將當(dāng)前相位綠燈時(shí)間延長(zhǎng)1秒,如果沒有則實(shí)施意圖③的內(nèi)容;③當(dāng)本路口沒有車隊(duì)正在通過(guò)時(shí),根據(jù)相鄰路口信息處理模塊和車輛檢測(cè)器信息處理模塊提供的信息,考察本相位所控制的各個(gè)路段車道目前離本路口最近的車隊(duì)的情況,根據(jù)車隊(duì)首車和尾車的速度、距路口的距離,計(jì)算到達(dá)路口所需時(shí)間t1(首車以當(dāng)前速度行駛到路口的時(shí)間)、t2(尾車以當(dāng)前速度行駛到路口的時(shí)間),按照累計(jì)綠燈時(shí)間不大于最大綠燈時(shí)間和最大限度保證車隊(duì)不停車通過(guò)路口的原則,計(jì)算每個(gè)車道的預(yù)計(jì)增加綠燈時(shí)間t(設(shè)本相位的最大綠燈時(shí)間為tmax、目前本相位累計(jì)綠燈時(shí)間為tsum,如果t2+tsum>tmax,則t=tmax-tsum;如果t2+tsum≤tmax,則t=t2).計(jì)算各個(gè)車道的車隊(duì)有效占用綠燈增加時(shí)間比例r,r=(t-t1)/t.從各個(gè)車道的r中選出最大值rmax(設(shè)rmax=(t′-t′1)/t′),將rmax與車隊(duì)有效占用綠燈增加時(shí)間比例閥值δ(該值的確定方法后面討論)比較,如果rmax<δ則綠燈增加時(shí)間為零,本相位經(jīng)過(guò)黃燈向紅燈轉(zhuǎn)換;如果rmax≥δ則綠燈增加時(shí)間為t′.當(dāng)本相位的綠燈時(shí)間延長(zhǎng)t′后則不在延長(zhǎng)綠燈時(shí)間,開始經(jīng)過(guò)黃燈向紅燈轉(zhuǎn)換.④當(dāng)本路口進(jìn)行相位轉(zhuǎn)換時(shí),向相鄰路口的信號(hào)控制智能體發(fā)送本路口新的信號(hào)相位信息;⑤隨時(shí)接受由相鄰路口信號(hào)控制智能體發(fā)送來(lái)的相鄰路口信號(hào)相位信息;⑥如果本路口出現(xiàn)車輛堵塞現(xiàn)象,向與本路口車輛堵塞的行駛方向相關(guān)的相鄰路口發(fā)送車輛堵塞方向和級(jí)別等信息,并請(qǐng)求相鄰路口減少向本路口車輛堵塞車道放行的車輛數(shù)目;⑦如果接受到相鄰路口車輛堵塞的信息和要求協(xié)助減少堵塞的請(qǐng)求,對(duì)應(yīng)于堵塞級(jí)別為一般堵塞、中等堵塞、嚴(yán)重堵塞和完全堵塞四種情況,本路口相應(yīng)將通往該方向相位的最大綠燈時(shí)間分別減少25%、50%、75%和100%;⑧如果接受到目前進(jìn)行人工干預(yù)的信息,則停止常規(guī)信號(hào)控制流程,完全按照人工輸入的信號(hào)控制命令進(jìn)行本路口的信號(hào)控制,包括當(dāng)前相位的綠燈時(shí)間和何時(shí)進(jìn)行相位的轉(zhuǎn)換;⑨如果出現(xiàn)交通突發(fā)事件,按照事先制定的交通突發(fā)事件應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行信號(hào)控制;…}在通常的情況下,BSC={①減少本路口車輛延遲;②與相鄰路口的信號(hào)控制智能體進(jìn)行協(xié)作.},此時(shí),DSC={①;②;⑤},ISC={①;②;③;④;⑤}.通過(guò)隨時(shí)掌握相鄰路口信號(hào)相位的信息,路口控制智能體可以將通向本路口的各個(gè)車道內(nèi)的車隊(duì)進(jìn)行分類,分為:正在消散的車隊(duì)、行駛在途中的車隊(duì)和正在形成的車隊(duì)三類.設(shè)本路口為路口A(如圖3所示),當(dāng)前綠燈相位所控制的車道中有一輛車(圖中最左側(cè)灰色矩形)正在通過(guò)路口端線進(jìn)入路口A內(nèi),該車和緊隨其后的另兩輛車形成的車隊(duì)屬于正在消散的車隊(duì),也就是說(shuō),該車隊(duì)前部的車輛已經(jīng)開始進(jìn)入路口;在路口B方向有兩輛車(圖中最右邊的兩個(gè)灰色矩形)正在向路口A行駛,一輛已經(jīng)進(jìn)入路段,另一輛還在路口B中,這兩輛車構(gòu)成的車隊(duì)屬于正在形成的車隊(duì);中間四輛車(圖中中間的四個(gè)白色矩形)形成的車隊(duì)是在路口B的前一個(gè)相位的綠燈時(shí)間中通過(guò)路口B進(jìn)入路段的,該車隊(duì)屬于行駛在途中的車隊(duì).車隊(duì)有效占用綠燈增加時(shí)間比例閾值δ的意義在于保證路口信號(hào)綠燈時(shí)間的利用率維持在合理水平之上.該值對(duì)于路口交通信號(hào)控制的效果具有重要影響,δ值過(guò)小會(huì)導(dǎo)致路口信號(hào)在配時(shí)決策時(shí)為了等待距離路口較遠(yuǎn)的車隊(duì)通過(guò)而延長(zhǎng)綠燈時(shí)間,路口在綠燈時(shí)間時(shí)長(zhǎng)時(shí)間沒有車輛通過(guò);δ值過(guò)大則會(huì)使實(shí)際配時(shí)決策時(shí)永遠(yuǎn)沒有符合條件的情況出現(xiàn)而沒有實(shí)際意義.采用極值法來(lái)確定δ值,通過(guò)多路口交通控制仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)從小到大的一組δ值的仿真結(jié)果繪制曲線圖,尋找δ值由小到大變化時(shí)控制效果指標(biāo)的變化曲線的極值點(diǎn).當(dāng)交通量相同,δ值不同、控制效果指標(biāo)不同,最優(yōu)控制效果對(duì)應(yīng)的δ值就是最終確定的車隊(duì)有效占用綠燈增加時(shí)間比例閾值.表1記錄了采用分布式信號(hào)控制方法以不同的δ值分別模擬180分鐘后的控制效果,圖5和圖6則是將表1的數(shù)據(jù)繪制成曲線,圖中橫坐標(biāo)的1～8分別對(duì)應(yīng)δ值為0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9.從圖5～6可以明顯的看到隨著δ值的變化,信號(hào)控制效果曲線具有極值點(diǎn),兩個(gè)圖中當(dāng)δ=0.7時(shí)車輛延遲最小,因此,確定δ取值為0.7.多路口交通控制微觀仿真軟件使用VisualC++6.0高級(jí)編程語(yǔ)言及編程環(huán)境編寫,動(dòng)態(tài)顯示模塊采用OpenGL圖象處理高級(jí)語(yǔ)言.3信號(hào)控制方案道路交通網(wǎng)的交通控制微觀仿真實(shí)例采用一個(gè)由8個(gè)路口組成的交通網(wǎng)絡(luò)(如圖7所示),各路段的上下行均為2車道,共4車道.其中6個(gè)丁字路口的信號(hào)機(jī)設(shè)置三個(gè)相位,每個(gè)相位控制同一個(gè)路段兩個(gè)駛?cè)肼房诘能嚨?2個(gè)十字路口的信號(hào)機(jī)設(shè)置四個(gè)相位,分別為:東西直行及右轉(zhuǎn)相位、東西左轉(zhuǎn)相位、南北直行及右轉(zhuǎn)相位、南北左轉(zhuǎn)相位.在8個(gè)不同的交通量的條件下,交通信號(hào)控制類型分別選擇定時(shí)單點(diǎn)控制方式、感應(yīng)式單點(diǎn)控制方式、分布式協(xié)調(diào)控制方式,每個(gè)信號(hào)控制方案的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)間為180分鐘,路網(wǎng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)(沒有設(shè)置突發(fā)的交通事件和人工干預(yù)的情況).定時(shí)單點(diǎn)控制根據(jù)交通量采用理論最優(yōu)周期;感應(yīng)式單點(diǎn)控制每個(gè)相位的最小綠燈時(shí)間為7秒、最大綠燈時(shí)間為30秒,單位延長(zhǎng)綠燈時(shí)間為3秒;分布式協(xié)調(diào)控制方法中每個(gè)相位的最大綠燈時(shí)間為30秒.仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表