浅谈城市交通规划及智能交通控制系统-发表论文

浅谈城市交通规划及智能交通控制系统

石兰超

摘要：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

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。

一、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。

二、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。随着计算机技术、优化方法、自动控制和车辆检测技术的发展，人们研究把一个城市区域内或一个局部小区内所有交叉口的交通信号联合起来综合加以协调控制，以使得区域内的车辆在通过某些交叉口时所产生的总损失最小。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。

三、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。另一种定义是在一定环境下针对特定的目的而有效地获取信息、处理信息和利用信息从而成功达到目的的能力。智能交通系统，是利用人工智能的理论和方法，解决交通问题的综合系统。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。这是因为：一方面交通系统是结构复杂、影响因素多、随机性很强的系统，利用数学方法解决交通问题的难度很大，所建立的模型往往过于复杂，难于求解，同时也很难用一种或几种模型来概括交通流系统的多样性。另一方面，交通系统又是一个动态的时变系统，交通管理与控制的实时性要求非常高。因此，从实际情况出发，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 城市智能交通控制结构图

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。

四、结束语

随着改革开放的深入和国家经济建设的发展，国家城市道路交通运输的发展与国家建设规划相适应。优化城市交通运输，能够有效缓解出行难的问题，创造出巨大的社会效益和经济效益。