基于Multi-Agent的高速公路集成交通控制系统的研究

113基于Multi-Agent的高速公路集成交通控制系统的研究邹群1邹国平2（1南昌水利水电专科学校南昌330029）（2江西高等级公路管理局南昌330025）摘要：高速公路集成交通控制系统是一个分布的、非线性的、动态的、复杂的巨型系统。本文在智能控制系统分级递阶结构的基础上，提出了高速公路集成交通控制系统的集散递阶体系结构，并以Agent作为各级智能控制器，建立了高速公路集成交通控制系统MAS模型，并对该MAS中主体的结构模型、构造方法、通信机制和协商机制进行了深入研究。关键词：信息工程；高速公路；集成交通控制；集散递阶；Agent；MAS0前言高速公路交通控制方法有匝道控制、主线控制、路由控制和集成交通控制（也叫通道控制）。集成交通控制作为高速公路交通控制的最高形式，它包括匝道控制、侧道控制、主线控制、交叉口控制、路由控制、干道控制和城市道路控制等,是对通道系统（corridorsystem）交通流进行协调、管理、诱导和警告[1、2、3]。这里所说的集成，一是控制对象的集成：把城市区域的间断交通流和高速公路的连续交通流放在一起考虑。二是控制方式和控制策略的集成：把点、线、面的控制结合在一起；同时，多种控制理论、控制技术的集成，特别是信息诱导、运行管理与系统控制的集成。因此，集成交通控制系统是一个分布（时间和空间上的分布）的、非线性的、动态的、复杂的巨型系统。研究和实践表明，传统控制方法和技术在巨型复杂系统控制领域颇显乏力。而智能控制系统由于引入专家系统、模糊逻辑、人工神经元网络、遗传算法等人工智能技术（后三者统称为计算智能），在自适应、自组织和自学习功能的实现上不单纯依赖于模型，同时更加重视知识的核心作用，通过把人类专家的管理控制经验转化为系统可利用的后发式知识或运用机器学习等手段实现知识的自动获取，从而使其在复杂系统控制领域展现出相当的优势。Multi-Agent作为分布式人工智能（DAI、DistributedArtificialIntelligent）的一门新技术，已成为研究热点并取得了一些重要成果。多主体系统（MAS、Multi-AgentSystem）研究的是一组自治智能主体之间智能行为的协调，怎么协调它们的知识、目标、技巧和规划，联合起来采取行动或问题求解。关于多主体系统的应用已有人做了大量工作，甚至应用于一些大型、复杂系统，如机场交通管理、自动驾驶、高级机器人系统、分布式电力管理、信息检索等。Agent技术也受到智能控制界的关注，并被应用到智能控制系统中[4]。大型、复杂的智能控制系统通常采用分级递阶结构。本文以智能控制系统的分级递阶结构为基础，提出了高速公路集成交通控制系统的集散递阶体系结构，在此基础上建立了高速公路集成交通控制系统MAS模型，并探讨了该MAS模型中Agent的实现技术。1高速公路集成交通控制系统集散递阶体系统结构集散递阶控制系统采用了分解和协调的设计原则，通过水平（空间）分解和垂直功能分解，将整个系统分解为若干个易处理的子系统，同时把控制作用分解到不同的层次上，并辅以局部的协调来实现复杂的控制任务和目标，很好解决了巨型复杂控制系统的维数灾难和可靠性问题。因此，高速公路集成交通控制系统也采用集散递阶控制结构，并将其分为组织层、协调层和控制层。高速公路集成交通控制系统通过优化与调节高速公路、匝道、侧道、干道、城市街道相互联接处的交通信号方案来提高通道系统的通行能力和交通安全性、减缓阻塞和改善环境，所以其应具备以下功能：①通过各种检测手段和计算机信息处理技术，获取通道系统的实时交通信息；②分析交通路况信息（实时）、交通需求特征、通道系统结构特征以及通道系统环境，及时作出交通宏观控制决策，优化通道系统交通运行；③将有关控制决策转化为各级具体控制策略，并据此设计信号配时方案、匝道调节率及可变信息系统内容等，并予以执行；④保持与交通信息显示、动态路线诱导等其它交通管理控制系统的通讯与协作。将这些功能细化和划分，可得到高速公路集成交通控制系统集散递阶控制各层的功能及目标：①组织层：主要是由高速公路集成交通控制智能决策支持系统构成。根112据通道系统环境、通道系统路网结构特征，通道系统区域（各条高速公路、侧道、干道和城市街道各区域）控制系统交通需求预测和控制效果及交通阻塞等其它交通供影响因素，对整个通道系统的交通运行状况作出评估，并对区域网络动态划分（分解）和整合，以追求总体控制效果最优。此外，组织层速成可就跨区域的交通控制进行协调，统筹优化各类道路交通信号的配时方案和各匝道的调节率，集成公共汽车/合同车优先和拥挤收费（CongestionPricing）等控制策略，实现所有区域控制系统间的协作。该层是整个系统的大脑，它能根据各方面的汇总信息，进行推理、规划和决策，具有自组织能力。②协调层：由若干区域协调控制系统构成，分别接受各自所辖路口控制系统、匝道控制系统和主线控制系统的局部路况信息和信号配时及匝道调节率的限制条件，在综合分析评估的基础上（包括对协助处理相应区域堵塞等特殊事件或协作实现公交运输优先及拥挤收费策略等的考虑）给定相应的控制策略，进而以最优化控制相应干线或区域路网运行的交通流为目标，产生协调控制参量，下传至路口级、匝道级予以实施。同时，本层系统需及时把各自的区域交通需预测和控制效果传给组织层，以作为整个通道系统交通路网进行区域控制系统划分的参考依据；而且，各系统协调器也需根据组织级系统裁定的系统划分方案进行所控对象系统构成的适应调整。③控制层：由若干匝道控制系统、路口控制系统、主线控制系统和路由控制系统构成。根据来自检测器的实时交通检测数据的分析处理结果及协调控制层的协调控制指示，确定适当的控制策略，优化设计和调整对应路口的信号配时方案、匝道的调节率和主线控制方案及路由控制方案。此外，本层还需将有关局部交通状况和控制效果传送给协调层，以作为区域协调的参考。高速公路集成交通控制系统的集散递阶体系结构见图12高速公路集成交通控制系统的MAS建模要建立交通控制系统的多智能体模型，首要的任务是将交通控制系统的各功能模块转化成有独立功能的自主智能体，并根据各自智能体所完成的功能不同，分别建立各智能体的功能结构。根据多智能体理论和上面对高速公路集成交通控制系统集散递阶体系结构的深入分析，本文提出基于Multi-Agent的高速公路集成交通控制系统结构。见图2。在图2的MAS中，多个Agent才形成一个有组织、有序的群体，共同工作在“环境”中，它们的组织性和有序性体现在：一个组织层Agent管理若干协调层Agent；一个协调层Agent管理若干控制层Agent。这种组织结构类似于人的群体组织，有领导得和被领导者、分工协作、共同完成特定的任务。每个Agent都处于环境中，根据环境信息完成各自承担的工作。同时，MAS也作用于环境，如该控制系统通过智能人机界面和人进行交互。此外，Agent可与其它类似的Agent系统（如交通管理MAS）进行交互，构成更高级的有织级、有序的MAS（如交通控制与管理MAS）。高速公路集成交通控制MAS中的Agent采用混合结构（见图4）。图中“环境”是广义的，可以是外部世界，也可以是被控对象，甚至是人。感知器通过检测器接受环境信息，并进行预处理和特征辨识，如果感知到的是简单的或紧急的情况，则信息被送到反应器。反应器对传入的信息立即作出决定，并将动作命令送给效应器由效应器采取相应的动作。如果感知到复杂的或时间充裕的情况，则信息被送到建模模块进行分析。建模模块中包含主体对环境和其它主体所建立的模型，根据模型和当前感知的情况可以对短期的情况作出预测，进而提出相应的对策给决策模块。同时，其它Agent可能通过通信模块对其未来的行动提出请求，规划器预先对其行动作出规划，在这种情况下，决策模块根据冲突消解知识进行冲突消解，决定其采取的相应动作。3高速公路集成交通控制MAS中的Agent实现技术高速公路集成交通控制MAS中，各层的Agent是不同高速公路集成交通控制智能决策支持系统IDDS区域协调控制系统1区域协调控制系统2区域协调控制系统N路口控制系统1路口控制系统N匝道控制系统1匝道控制系统N主线或路由控制1主线或路由控制N组织层协调层控制层图1高速公路集成交通控制系统集散递阶体系结构113的，主要体现在“智能随层次的升高而增强、精度随层次的降低而提高”。而同层的Agent也是不同的，主要体现在通道系统面临着非常复杂的交通状况，单一的控制策略没有足够的知识、资源去解决全局性的问题，从而各局部区域的交通控制（如各匝道、主线、交叉口的控制）需针对具管辖区的特点采用最合适的控制策略，如神经网络、专家系统、模糊控制等。如果从Agent的功能结构上抽象出来，各Agent之间的不同在于它们的决策策略、能做的动作和知识的表示等。同时，各Agent也有一些相同的特性。如通信方式、执行机、心智状态（mentalstate）的表示等可以是相同的。因此，在构造Agent时，通过对不同部分的分离，可以定义一个对所有Agent都相同的内核结构（agentkernelstructure）。在主体内核上定义一个接口，使得各层次Agent不同的决策方法、功能模块等可以方便地联接到主体内核。在此构造方法中，主体内核就象计算机主板，而接口就象主板上的扩展槽，各功能模块就计算机内实现不同功能的板卡。图5对主体内核作了形象说明。每个Agent由一个通用的主体内核（agentkernel）和许多功能模块（functionmodules）构成。主体内核由内部数据库、邮箱、黑板、执行机等部分组成。其中，内部数据库中包含主体自身的信息、目标集合、环境模型等信息；邮箱提供主体和环境以及其它主体的通信；黑板提供主体内部各个功能模块之间的通信；执行机则完成消息分派、功能模块的执行控制等。各个功能模块都是相对独立的实体，由执行机启动后即完全并行地执行，并通过黑板协调工作。利用此方法，可以方便地构造高速公路集成交通控制MAS中混合式结构的Agent。感知、效应、反应、通信、建模、规划、决策生成等都以功能模块的形式加入主体中。用多主体系统进行复杂交通控制问题的求解时，集成在交通控制系统中的主体必须能通过某种主体通信语言来实现彼此通信和协作。通信是协作的基础。主体通信主要涉及通信方式和通信语言两个问题。高速公路集成交通控制MAS中Agent间通信采用基于消息（Message）的通信方式和KQML通信语言[9]。高速公路集成交通控制MAS中，协作是系统设计的难点与重点，各Agent只有通过相互协作才能实现以下目的：①通过并行性提高完成任务的效率；②通过共享资源（信息、专家知识、设备等）扩大完成任务的能力范围；③可使用不同的方法去完成任务，提高任务完成的可靠性；④通过避免任务间有害的相互作用减少任务间的冲突。因此建立具有协作技术的MAS是提高高速公路集成交通控制系统整体性能的重要手段。多智能体协作技术的一个重要方面是多智能体协作模型。从多智能体协作机制建模的发展过程来看，以逻辑推理的形式化建模的方法和以决策理论和动态规划为基础的建模方法正在逐渐融合，二者都强调智能体的理性作用，而决策论是产生这种融合的媒介[5、6、7]，纵观近十年的研究状况，适应不同的应用环境，从不同角度产生过多种不同类型的多智能体模型和应用系统。这些模型包括：理性智能体的BDI模型、协商模型、协作规划模型和自协调模型[8]。其中，自协调模型是适应复杂控制系统的动态实时控制和优化而提出的。因而最适合作为高速公路集成交通控制MAS中的Agent协作模型。4结语本文对基于Multi-Agent技术的高速公路集成交通控制系统作了全面深入的研究。首先提出了高速公路集成交通控制系统的集散递阶体系结构，在此基础上建立了高速公路集成交通控制系统MAS模型，并深入研究了该MAS模型中Agent的混合式结构、基于消息的通信方式、KQML通信语言和Agent间协作的自协调模黑板Agent执行机邮箱内部数据库Agent间通信功能模块图4主体内核示意图其它Agent系统组织层Agent人协调层