01当代交通控制系统的发展

当代交通控制系统的发展-1-当代交通控制系统的发展朱弘戈，工学博士，高级工程师亿阳信通股份有限公司ITS体系总工程师当代交通控制系统的发展，在结合交通控制自身特点的基础上，融入综合的信息采集与数据融合（DM,DataMining）技术、当代人工智能（AI,Artificialintelligence）等先进控制技术，以及多层次分布式（HDES,Hierarchical,Distributed,andEffectiveSystem）的控制策略和松耦合（LC,LooseCoupling）的控制理念，具有典型的时代特征。不同专业，不同角度，对当代交通控制系统的理解，不尽相同。本文试图从控制理论的研究、信息技术的应用和标准体系的建立，这三个方面介绍当代交通控制系统的发展趋势。1.在控制理论的研究方面自从开始使用计算机控制系统后，在控制硬件取得了较大进展，但是交通控制领域的控制逻辑方面没有实质性的突破。一方面，对于规模较大的交通网络而言，仍然缺乏有效的交通响应控制策略。计算机硬件能力与控制软件能力很不相符，造成的影响是很多交通控制策略的实用效果不理想。从另一方面来看，对交通控制内部工作机理的理解与研究也没有大的突破。在缺乏更深入研究的情况下，获得有效的解决方案是比较困难的。有效的交通控制仍依赖于交通动力学的建模。车流不应该只作为一种普通的物理现象来看待，应该把它看成是包括各路段使用者行为相互作用的复杂系统。交通信号控制仍然是点、线、面控制并存的形式。对于中小城市，仍将是点、线控制相结合的控制方式；对于大型城市，大多将采用网络控制方式。当代城市交通信号控制研究主要表现在以下三个方面：1）人工智能（AI,Artificialintelligence）在城市交通信号控制问题中的应用，以提高当前交通信号控制系统的性能。由于交通系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性，是一个典型的分布式系统，而且具有多信息来源、多传感器的特点，用经典的理论与方法，对其进行有效地控制，难度比较大，实践效果，不能令人满意。如何将先进的智能控制技术、信息融合技术、智能信息处理技术与交通工程学结合起来，是一个很有前途的研究方向。交通系统与工业过程相比的显著区别：随机性、模糊性和不确定性比工业控制更加明显。由于交通出行是人类直接参与的活动，相对于工业过程，交通系统更能够忍受扰动；交通系统对实时性的要求相对弱一些。城市交通信号控制系统在操作方面分为三个重要阶段，即交通数据采集、数据分析与处理、判断与控制。从数据采集和处理，到确定最好的控制动作，以及到动作的实施，关键是全面提高信息决策过程的质量。这些都和相当多的专门知识有关，在很大程度上涉及相关的规章制度，并且受限于现实中的实际约束。不难发现，用AI途径来提高相应的基本职能是当代交通控制系统的发展-2-可能的。智能控制主要是指基于专家系统的控制、模糊控制、神经网络控制、基于遗传算法、蚂蚁算法等的控制等。智能控制方法的最大特点是其控制算法是具有强逼近非线性函数的能力，不依赖于精确的数学模型，这对于交通系统这样复杂难以建立较好数学模型的系统是一个有效方法。美国和荷兰等国目前正在研究基于智能代理的UTC，主要原理是在城市交通网络中的一系列重要节点部署智能代理，用于对所属网络区域实现信号灯控制，他不但具有交通管理专家的经验知识，还具有不断学习的能力，具有本区域的交通流信息；这些智能代理之间通过通信层（规范、内容、协议）进行信息（路由信息、交通流信息、控制信息）交流，解决单智能代理信息的不完整性，并通过协调层进行目标协同，解决交通网络中资源、目标和结果冲突，最终实现交通控制的优化。2）利用离散时间、滚动区域法(rollinghorizon)研究交通信号控制系统。滚动区域法利用最近检测到的数据，对系统现行状态（主要是各个路口的现行排队长）进行估计，为滚动区域的持续时间内搜寻一种优化信号控制方案（决策）。滚动区域的时间必须足够长，时间分为两部分，前一段时间执行滚动区域法的优化方案。在滚动区域法的最后一段时间内，以终端代价函数的形式验证滚动区域法基础上优化的信号方案。若满足要求，则继续执行该方案，否则停止执行，重新优化信号方案。以OPEC（OptimizationPoliciesforAdaptiveControl）系统最具有代表性，该系统是1983年由美国提出的较先进的一代智能控制交通系统，并在90年代初开始试运行。该系统采用了动态规划原理来优化控制策略及DYPIC程序的反传动态编程算法中提出离散时间周期性滚动优化的方法；同时采用分散式控制结构以减少网络通信量、分布并行处理以便将危险分散，并使优化过程可以达到最少的约束条件。第一个离散时间控制系统是在OPAC的基础上最新改进的UTOPIA系统。该系统决策间隔为3秒，滚动区间长度为120秒，系统控制结构是完全的分散式结构。初始或缺省的信号策略由交通控制计算机提供给交叉口节点控制器，然后各节点控制器用启发式优化过程根据自己的实际情况在滚动区间部分或全部修改信号策略。作为优化的一部分，各节点都将相邻节点当前信号优化策略上的开销考虑到自己的优化过程中，通过这种方式节点之间可以在分散式结构中得到良好的协调，从而局部对初始信号策略的优化可以使整个系统的性能得到提高。在优化方法上，该系统将滚动区间内的所有决策系列以决策树的方式表示，对滚动区间求取最优化信号策略的问题就可转化为求解最短路径的问题，其中决策树里的连线长度与滚动水平线中相应的决策开销对应成比例。Robertson和Bretherton于1974年最初提出了离散时间滚动区域法，至今该领域的主要研究及发展，大多在欧洲国家。用户网络的离散时间、滚动区域法信号控制系统有待于研究。3）将多层次分布式的控制策略和松耦合的控制理念，融入交通控制系统。分布控制是把系统分成若干层次，每个层次都具有若干控制单元，例如最上级完成战略性协调任务，最下级完成战术性控制任务。同层次控制单元之间的信息交换既可以通过上级系统完成，也可以在同级进行信息交互，构成典型的网状结构。分布式控制具有如下显著特点：当代交通控制系统的发展-3-具有系统扩展能力。由于采用了多层次分布系统的结构，当需要添加设备或者信号控制系统增加时，能够在不改变原来已有系统的前提下进行组件和功能的扩展。具有新系统建设过程中的过渡功能。由于新技术的出现，越来越多的企业开始采用最新的计算机技术和网络技术研发自己的交通信号系统，但是原有的交通信号系统不能够在短时间内淘汰，因此出现新旧系统并存的情况。多层次分布式交通信号控制系统结构保证了新旧交通信号控制系统的并存，使新旧系统处于统一的管理之下。能够实现不同交通系统之间的数据交流。美国ITS框架中对先进交通信号控制系统的定义是：能够通过适应交通需求和有益于公众的交通管理策略来进行管理，改善交通流，并且系统易于维护、扩展、更新和能够与其他交通系统协同工作。这种多层次分布系统结构在集成不同交通信号控制系统的基础上，能够完成各个系统之间的数据的交换和与其他交通系统之间的信息交流。分布式控制系统相对集中控制系统来说可减少信道负载，减少网络控制中灾难性失效。因此,这种控制系统仍是未来研究和发展的一个重要方向。藕合和内聚是软件模块独立性的两个基本评价原则。藕合度指程序模块间存在联系的紧密程度。内聚性则是模块内部的相互依赖程度。松耦合的基本概念是：允许改变或者当问题发生在“电线的一端时”来避免影响到其他的端点。也就是说，改变或者供应者或者服务的问题不能影响到用户——或者用户的问题不应影响到供应。在许多级别。必须区分生成时(编译时)依赖和运行时依赖。在分布环境中，为了确定系统的耦合程度，必须分析各个级别。下表简要介绍了这些级别，以及这些级别与紧耦合-松耦合的关系。紧耦合与松耦合级别紧耦合松耦合物理耦合需要直接的物理链接物理中介通信方式同步异步类型系统强类型系统(例如接口语义)弱类型系统(例如载荷语义)交互模式以OO方式导航复杂对象树以数据为中心，独立消息过程逻辑的控制集中控制处理逻辑分布式逻辑组件服务发现和绑定静态绑定服务动态绑定服务平台依赖性对操作系统和编程语言的依赖性高独立于操作系统和编程语言理想的交通信号控制系统设计应当做到“高内聚，松藕合”。换而言之，如何处理好实时自适应与系统协调的关系仍然是当代交通控制系统的核心问题。2.在信息技术的应用方面与传统交通控制更多的关注道路交叉路口红绿灯有效控制相比，当代交通控制充分利用信息的潜在功能，将信息的应用提前到个人、车辆和企当代交通控制系统的发展-4-业出行的安排，实现交通需求的控制与管理。交通综合信息深处理和个人手持移动系统使得人人可以享受充分的信息服务，影响人的出行行为，发挥人的交通主导作用，达到利用信息影响交通产生和均衡交通流量的高级目的。对于车辆，交通控制信息应用的目的已不仅仅是影响驾驶员选择路径，而是通过车载设备检测到的实时交通信息进行部分或完全的自动驾驶控制，从而提高行车安全和道路通行能力。公交公司、旅游公司、货运公司等管理人员借助获取的实时交通运输信息，有效地管理车辆，提高车辆运输安全；通过建立自动化调配中心并提供客货运配送信息，提高运营效率。当代交通控制与传统交通控制中的信息技术对比传统交通控制当代交通控制信息来源交叉口直接技术参数信息与道路交通系统有关的社会、环境、城市、道路网、出行者等海量信息信息采集手段以环形线圈检测器为主的车辆检测器线圈、全球定位系统、视频、高效视频流压缩、高清晰度卫星图像、航空摄影或成像、探测车、传感器以及来自交警或交通信息提供者的实时定性信息信息应用区域交叉口交通信号控制道路网的交通信号控制、高速公路控制、公共交通优先控制等数据融合作为一种数据综合处理技术，实际上是许多传统科学与新技术的集成与应用。按照数据抽象的层次不同，数据融合可分为三个级别，即像素级融合、特征级融合和决策级融合。像素级融合是直接在采集到的原始数据层上进行的融合，在各种传感器的原始测报未经预处理之前就进行的综合和分析，这是最低层次的融合，也是最为直接的数据融合。特征级融合属于中间层次，它先对来自传感器的原始信息进行特征提取，然后对特征信息进行综合分析和处理。决策级融合是一种高层次融合，其结果为指挥决策提供直接依据。数据融合系统的功能主要有校准、相关、判别和估计。其中校准和相关是为判别和估计做准备的，实际融合在判别和估计中进行。该模型的融合功能分两步完成，对应于不同的信息抽象层次，第一步是低层处理，对应于像素级融合和特征级融合，输出的是状态、特征和属性等等；第二步是高层处理，对应的是决策级融合，输出的是抽象结果。数据融合实现的基础是信息系统的标准化。3.在标准体系的建设方面现代交通控制系统依赖于现代电子、机械、软件、通讯等综合制造业，是工业级系统工程。这一发展趋势对交通控制系统的制造、互换、互通和竞争提出更高的要求。为了迎合这一发展趋势，各国相继开展了一系列标准化工作。如美国成立了美国电子制造协会（NEMA）、电子与电器工程师协会（IEEE）和美国州道路和运输局协会（AASHTO）等标准化组织，当代交通控制系统的发展-5-其中与现代交通控制有关的主要成果有NTCIP标准、数据通讯、数据字典和数据交换协议等的制定。欧洲成立的ITS标准化组织CEN/TC278包括WG5交通控制工作团体。尽管日本的ITS体系结构动手较晚，但其标准化工作并不落后，如日本的国家警察厅建立了关于交通信号、交通信号控制器标准。20世纪90年代，我国成立了交通工程设施标准化技术委员会，从事标准化的规划、制定、修改、计划的建议，并逐步与ISO/TC204接轨。制定了国家ITS标准，其中专门将交通控制的标准化工作作为交通监控与管理子系统提出。（1）硬件平台标准的应用传统的交通控制领域没有统一的硬件标准，各生产商独立开发自己的产品，各生产商之间难以协调，在一定程度上造成了硬件平台的混乱状态。此外，用户在购买不同厂商的产品后不能通用，大大降低了产品的兼容性和可购性。为实现各硬件平台间的互换，使得各系统间可以进行信息共享，同时也为各生产