浅谈城市智能交通控制系统

浅谈城市智能交通控制系统摘要：近年来我国的机动车保有量呈几何级数增长,城市交通需求也随之急剧增加,而目前我国城市的交通基础设施的增长速度已不能满足日益增长的交通需求,交通阻塞、路网利用率低、交通事故增加、环境污染加剧等成为我国城市交通面临的严重问题。国内外实践证明,解决城市交通问题的有效方法是在现有交通基础设施的基础上,提高交通管理水平,达到从根本上解决问题的目的。智能交通系统是当前我国交通运输领域的前沿研究课题。分析基于城市交通面临的主要问题和原因，并提出城市智能交通控制系统研究与设计，指出智能交通系统的系统控制理论、交通信息的智能处理、应用及其性能改善。关键词：交通运输、智能交通系统、交通控制、一、中国发展智能交通的必要性和紧迫性中国是一个经济持续发展的发展中国家,改革开放以来,城市化与汽车化发展十分迅猛。改革开放前,城市化水平不足19%,目前已经发展到超过30%,预测2010年将接近50%;机动车拥有量以每年10%以上的速度增长,预计2010年达到13亿多辆。中国城市交通的特点是混合交通,目前自行车拥有量超过1.8亿辆,如果公共交通服务水平不提高,城市交通结构不改善,自行车拥有量将会有增无减。改革开放以来,中国道路交通设施及管理设施虽然有较大改观,但跟不上机动车增长速度。总体水平与发达国家有较大差距,特别是大多数城市路网结构不合理,道路功能不完善,道路系统不健全。交通管理设施缺乏,管理水平不高。即使各地都建立了交通控制中心,大多只是实现了监视功能,而远没有发挥控制功能的效应。二、中国发展ITS的主导思想中国是一个发展中国家,与发达国家相比,我国在发展ITS的必要基础条件上还有较大差距，加上我国特有的混合交通特点,以及城市结构、路网结构、交通结构的不完善,因此要结合中国的国情来研究制定我国发展ITS的战略及发展框架。21世纪交通管理的发展趋势必将是管理体制集约化;管理设施现代化;管理手段网络化、信息化、智能化;管理效率高效化;管理方式社会化。因此，中国ITS的发展将带来一场交通管理体制与模式的变革,而这种变革将直接影响着ITS的发展。根据中国目前的交通现状及面临的问题说明交通控制在经济发展及城市化进程中的重大作用，并提出发展智能交通系统的重要目的和现实意义。智能交通系统是一个涉及面广、综合各种高新技术的研究领域。以下重点介绍智能交通系统分类及基于多智能体的城市交通控制系统设计。三、城市交通面临的主要问题和原因1、道路容量严重不足（1）容量不足，长期以来，我国城市人均道路面积一直处于较低水平，只是近十几年来才开始有较快发展，尽管增长幅度较快，仍赶不上城市交通量年均20%速度，目前全国大型城市中，有大多数城市的人均道路面积低于全国平均水平。上海市人均道路面积只有3.5㎡,使中心区约有的车道上高峰饱和度达到95%,饱和度超过70%,些路段十分繁忙、拥挤，中心区平均汽车车速降到10Km/h左右。（2）为什么在道路建设不断上升的情况下，交通拥挤还如此严重？其直接原因是道路面积不足。首先，目前我国城市的人均道路面积尚不及发达国家的1／3。其次，我国城市市区正处在从中心区向郊区化扩散的过程中，近几年城市道路建设的增加，主要分布在新开发的市区和郊区，相对来讲，中心区一般都是老城区，道路规划较早，街道两侧建筑相对稠密，道路拓宽的空间余地不大，道路面积增长幅度较小。再次，城市房地产开发集中于市中心地区，产生了过量的交通，造成道路超负荷运载。2、汽车增长速度过快经济高速增长引起各城市汽车拥有量与出行量的增长远远超过基础设施建设的增长。城市交通运输畅通便利度与机动车受到的偏好呈现正相关关系，交通越通畅，机动车的销售就呈现上升趋势，反过来又加速了城市交通运输中出现的新的堵塞现象。近几年我国城市中。以轿车、客车、微型车等为代表的动车辆平均每年保持在20％的增长速度，这远远超过了我国城市交通道路建设速度，必然造成拥堵加剧。3、大城市交通运输矛盾尤为突出随着大城市、特大城市的出现，在这些区域车速极低。车辆拥塞迅速南特大城市向大巾城市扩展，由市内核心地段迅速呈波浪形向外扩展，向进人市区的对外咽喉地段扩展。时间段也由上下班高峰拥塞向更长时间拥塞扩展，塞车时通过红绿灯的等候时问由几分钟向十几分钟扩展，个别严重堵塞路口甚至一堵就是几十分钟，更无法满足人们正常的出行需求。四、城市交通控制系统的分类城市道路交通控制系统可以从不同的角度进行分类，这里分别从空间关系、控制方式上对城市道路交通控制系统简单分类。1、按空间关系划分(1)单个交叉口的点控制单个交叉口的点控制是一种最基本的控制方式。孤立交叉口点控制的控制参数是信号周期和绿信比，控制的目标一般是车辆延误和交叉口的通行能力。在理想的情况下，希望总延误时问最小和交叉口的通行能力得到最大的利用。由于点控制的设备简单、投资省、维护方便，至今仍是应用较多的一种信号控制方式。(2)干线交通的协调控制城市路网中的交通干线承担着很重的交通负荷，保证干线的交通畅通对改善一个地区甚至一个城市的交通状况往往起着至关重要的作用。在城市交通路网中，有时交叉口相距很近，两个相邻的交叉口之间的距离通常不足以使一小队车流在有限时间内完全疏散。单个交叉口分别设置单点信号控制时，车辆经常遇到红灯，时停时开，行车不畅，环境污染严重。为了减少车辆在各个交叉口的停车次数，特别是当干线的车辆比较畅通时，相邻交叉口之间的控制方案宜采用相互协调的控制策略。(3)区域交通网络的协调控制区域交通信号控制的对象是城市或某个区域中所有交叉口的交通信号。在这种控制方式下，交通信号机将交通量数据实时地通过通信网传至上位机，上位机根据路网交通量的实时变化情况，按一定时间步距不断调整正在执行的配时方案。上位计算机同时控制一个城市区域中的多个交叉路口，实现区域中交叉口之间的统一协调管理，提高路网的运行效率。2、按控制方式划分(1)定时控制定时控制方式以历史交通流数据为依据，找出每个日／周和时间段的不同交通流变化规律，用人工方法或计算机仿真等手段预先准备好不同日／周和不同时间区段内使用的配时方案，它属于开环控制，不易根据车流状况实时调整控制方案。由于定时控制对交通信号机的要求低，无需实时交通量的检测，因而仍然是目前城市道路交通系统中应用较为广泛的一种控制策略。(2)感应控制感应控制的原理是根据车辆检测器测量的交通流数据调整相应的绿灯时间的长短和时间顺序，以适应交通流的随机变化。这种方式比定时控制有更大的灵活性。(3)自适应控制自适应控制是根据检测到的有关道路交通信息，并基于预测模型预测到的未来交通需求，从系统信号配时方案库中选择相应的优化方案。或实时计算产生相应的优化控制方案实现交通自动控制。(4)智能控制严格意义上讲，智能控制不仅仅是交通信号的控制，而是整个交通系统的控制，即智能交通系统。智能交通系统是交通控制的最高层次，它将先进的信息技术、数据通讯技术、检测传感技术、自动控制理论、运筹学、人工智能和计算机及其网络等一系列高新技术综合运用于交通运输各个子系统，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通运输综合管理体系。智能交通系统把人、车、路和环境等交通运输系统的各个环节有机整合，从而使车、路的运行功能一体化和智能化。五、城市智能交通控制系统设计智能是一种应用知识对一定环境进行处理的能力，或对目标准则进行衡量的抽象思考能力。人工智能近年发展的成果，为智能交通系统的研究提供了坚实的理论基础，可以利用这些成果解决传统方法无法解决的问题。基于数学描述的交通管理控制方法难以满足在线实时控制的要求，可操作性较差。而人工智能的方法，借鉴人类求解问题的方法，通过知识的表达、推理和学习解决复杂的问题，将以往用纯数学来描述交通系统转变为用知识或知识与数学模型相结合来描述。通过逐步适应环境的学习能力，来不断提高管理和控制效果。多智能体系统是当今人工智能中的前沿学科，是分布式人工智能研究的一个重要分支，其目标是将大的复杂系统建造成小的、彼此相互通讯及协调的、易于管理的子系统，通过子系统的自治能力和相互协调能力来解决复杂系统控制问题。城市区域交通网络由于其道路交通规模的复杂性和交通流动态特性的实时性，使得将多智能体系统应用到城市交通网络控制学比较关注的研究课题。本文在此基础上设计出城市智能交通控制结构图，如图3所示。图3中，左边为基于多智能体的城市交通流系统，右边为信号控制系统。在交通模型中，路段智能体既具有单个路段流量实时更新的能力，又能够为相连接的信口提供交通流数据，以进行和优化信号配时；根据上级区域交通流信息进行车流调控，同时通过路口与其他路段进行数据交换；与其相对应的信号控制模型中，根据段智能体提供的信息，进行信号配时，并协调路段之间交通流的动态平衡。六、结语与建议在交通领域，GIS—T被公认为2l世纪的支柱性产业，是信息产业的重要组成部分。随着GIS技术研究的进一步深入，必定会促进GIS—T的各个方面的应用和发展，大大地改变交通现状，使整个交通行业突飞猛进，成为促进经济发展的重要动力。因此，提高现有道路的使用效率是今后应重点关注的一个问题，而智能运输系统则是一个发展方向。可以从以下几个方面着手：1、观念、意识上的重视首先，要在思想观念上对发展ITS的重要性有所了解和认识，能够站在战略的高度来看待这个问题。其次，我国政府已经提出希望用增加包括交通在内的基础设施的建设等来拉动我国的经济发展。可以说交通又一次面临着大发展的机遇。然而这一次的发展不能像以往那样，只是从量上进行简单的扩张，扩大交通运输网络的规模，更重要的是质的发展具体是要提高科技含量，强化服务功能，更加适应社会发展的需求，也就是说交通的“可持续发展”应当建立在比扩大数量和规模意义更加广泛和深入的基础上。根据国内外发展的情况，可以预计交通运输业今后仍将是一个重要的行业，在国民经济中占有相当的比重。因此无论是从市场占有，还是从保护民族工业的角度来看，我们都必须及早采取行动，争取主动。2、建立健全组织机构ITS是跨行业的多种技术的综合性产物，必须要有一个高层次的机构进行相关业务活动的领导与协调。可以参照国外经验，组建国家级的、半官方的组织来考虑全面的工作，合理地调配各种可用资源。交通部作为ITS存在的基体一交通基础设施的主管部门，有条件也有义务在业务上进行更多指导与关注。总之，要结合我国国情，使ITS事业稳步有序地向前发展。3、超前开展工作34科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald工程技术虽然我国ITS的整体水平还比较落后，市场远未得到开发，但我们应当在有把握地预测到交通运输管理、服务体系的发展前景时，进行战略上的考虑，借鉴国外ITS发展中成功经验，有针对性地开展基础工作。包括在法律上明确和完善我国发展ITS的近期目标和长远规划；制定ITS体系的构架、发展原则和对策；在技术上对ITS的标准、规范进行研究和规定；从运作上考虑资金的筹措、市场的开发以及“游戏规划”的制定(这主要是指如何对引入国外先进技术和产品加以一定的限制,以保护民族工业的发展)。一个重要的问题是标准，即ITS业界应广泛遵守的标准和规范。倘若大家各行其是，系统互不兼容、沟通，用户则会遇到不必要的麻烦，造成投资的重复和管理的复杂。再如，交通实时信息的提供也应有统一的技术手段与规范。标准问题涵盖面很广，有许多工作要做。从我国目前情况看，全面系统地开展ITS的开发应用似乎为时尚早，但基础性的、学术性的研究工作应该超前进行。另外,应在条件比较成熟的情况下，进行一些试点工作，以取得经验。参考文献【l】邬伦．地理信息系统一一原理、方法和应用．北京：科学出版社，200I，2．【2】李跃军．GIS在交通领域中的应用【JJ．湖南交通科技，200l，l2．【3】徐建刚、韩雪培．城市规划信息技术开发及应用【M】．南京：东南大学出版社，2000，9．【4】苏奎，杨冰．世界智能运输发展状况及我国的对策．国外公路，l998，1．【5】美国自动化公路即将开通．参考消息，1997，【6】1黎德扬.社会交通与社会发展[M].北京：