01 當(dāng)代交通控制系統(tǒng)的發(fā)展

當(dāng)代交通控制系統(tǒng)的發(fā)展朱弘戈，工學(xué)博士，高級(jí)工程師億陽(yáng)信通股份有限公司ITS體系總工程師當(dāng)代交通控制系統(tǒng)的發(fā)展，在結(jié)合交通控制自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，融入綜合的信息采集與數(shù)據(jù)融合（DM,DataMining）技術(shù)、當(dāng)代人工智能（Artificialintelligence）等先進(jìn)控制技術(shù)，以及多層次分布式（HDES,Hierarchical,Distributed,andEffectiveSystem）的控制策略和松耦合（Loose Coupling）度，對(duì)當(dāng)代交通控制系統(tǒng)的理解，不盡相同。三個(gè)方面介紹當(dāng)代交通控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。在控制理論的研究方面自從開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)后，在控制硬件取得了較大進(jìn)展，但是交通控制領(lǐng)域的控制邏輯方面沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破。一方面，對(duì)于規(guī)模較大的交通網(wǎng)絡(luò)而言，仍然缺乏有效的交通響應(yīng)控制策略。計(jì)算機(jī)硬件能力與控制軟件能力很不相符，造成的影響是很多交通控制策略的實(shí)用效果不理想。從另一方面來(lái)看，對(duì)交通控制內(nèi)部工作機(jī)理的理解與研究也沒(méi)有大的突破。在缺乏更深入研究的情況下，獲得有效的解決方案是比較困難的。有效的交通控制仍依賴(lài)于交通動(dòng)力學(xué)的建模。車(chē)流不應(yīng)該只作為一種普通的物理現(xiàn)象來(lái)看待，應(yīng)該把它看成是包括各路段使用者行為相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。交通信號(hào)控制仍然是點(diǎn)、線、面控制并存的形式。對(duì)于中小城市，仍將是點(diǎn)、線控制相結(jié)合的控制方式；對(duì)于大型城市，大多將采用網(wǎng)絡(luò)控制方式。當(dāng)代城市交通信號(hào)控制研究主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：人工智能（AI,Artificialintelligence ）在城市交通信號(hào)控制問(wèn)題中的用，以提高當(dāng)前交通信號(hào)控制系統(tǒng)的性能。由于交通系統(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性、模糊性和不確定性，是一個(gè)典型的分布式系統(tǒng)，而且具有多信息來(lái)源、多傳感器的特點(diǎn)，用經(jīng)典的理論與方法，對(duì)其進(jìn)行有效地控制，難度比較大，實(shí)踐效果，不能令人滿意。如何將先進(jìn)的智能控制技術(shù)、信息融合技術(shù)、智能信息處理技術(shù)與交通工程學(xué)結(jié)合起來(lái)，是一個(gè)很有前途的研究方向。交通系統(tǒng)與工業(yè)過(guò)程相比的顯著區(qū)別：隨機(jī)性、模糊性和不確定性比工業(yè)控制更加明顯。統(tǒng)更能夠忍受擾動(dòng)；交通系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求相對(duì)弱一些。城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)在操作方面分為三個(gè)重要階段，即交通數(shù)據(jù)采限于現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際約束。不難發(fā)現(xiàn)，用AI途徑來(lái)提高相應(yīng)的基本職能是可能的。智能控制主要是指基于專(zhuān)家系統(tǒng)的控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、基于遺傳算法、螞蟻算法等的控制等。智能控制方法的最大特點(diǎn)是其控制算法是具有強(qiáng)逼近非線性函數(shù)的能力，不依賴(lài)于精確的數(shù)學(xué)模型，這對(duì)于交通系統(tǒng)這樣復(fù)雜難以建立較好數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)是一個(gè)有效方法。美國(guó)和荷蘭等國(guó)目前正在研究基于智能代理的 UTC主要原理是在城市交通網(wǎng)中的一系列重要節(jié)點(diǎn)部署智能代理，用于對(duì)所屬網(wǎng)絡(luò)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)燈控制，他不但具有交通管理專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，還具有不斷學(xué)習(xí)的能力，具有本區(qū)域的交通流信息；這些智能代理之間通過(guò)通信層（規(guī)范、內(nèi)容、協(xié)議進(jìn)行信息（路由信息、交通流信息、控制信息）交流，解決單智能代理信息的不完整性，并通過(guò)協(xié)調(diào)層進(jìn)行目標(biāo)協(xié)同，解決交通網(wǎng)絡(luò)中資源、目標(biāo)和結(jié)果沖突，最終實(shí)現(xiàn)交通控制的優(yōu)化。利用離散時(shí)間、滾動(dòng)區(qū)域法(rollinghorizon) 研究交通信號(hào)控制系統(tǒng)滾動(dòng)區(qū)域法利用最近檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)行狀態(tài)（主要是各個(gè)路口的現(xiàn)行排隊(duì)長(zhǎng)）控制方案（決策）終端代價(jià)函數(shù)的形式驗(yàn)證滾動(dòng)區(qū)域法基礎(chǔ)上優(yōu)化的信號(hào)方案。若滿足要求，則繼續(xù)執(zhí)行該方案，否則停止執(zhí)行，重新優(yōu)化信號(hào)方案。以O(shè)PEC（OptimizationPoliciesforAdaptiveControl ）系統(tǒng)最具有代性，該系統(tǒng)是1983 年由美國(guó)提出的較先進(jìn)的一代智能控制交通系統(tǒng)，并在90年代初開(kāi)始試運(yùn)行。該系統(tǒng)采用了動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理來(lái)優(yōu)化控制策略及DYPIC同時(shí)采用分散式控制結(jié)構(gòu)以減少網(wǎng)絡(luò)通信量、分布并行處理以便將危險(xiǎn)分散，并使優(yōu)化過(guò)程可以達(dá)到最少的約束條件。第一個(gè)離散時(shí)間控制系統(tǒng)是OPAC的基礎(chǔ)上最新改進(jìn)的UTOPIA系統(tǒng)。該系統(tǒng)決策間隔為3動(dòng)區(qū)間長(zhǎng)度為120秒，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)是完全的分散式結(jié)構(gòu)。初始或缺省的用啟發(fā)式優(yōu)化過(guò)程根據(jù)自己的實(shí)際情況在滾動(dòng)區(qū)間部分或全部修改信號(hào)應(yīng)成比例。Robertson 和Bretherton 于1974年最初提出了離散時(shí)間滾動(dòng)區(qū)域法至今該領(lǐng)域的主要研究及發(fā)展，大多在歐洲國(guó)家。用戶網(wǎng)絡(luò)的離散時(shí)間、滾動(dòng)區(qū)域法信號(hào)控制系統(tǒng)有待于研究。3）將多層次分布式的控制策略和松耦合的控制理念，融入交通控制系統(tǒng)。分布控制是把系統(tǒng)分成若干層次，每個(gè)層次都具有若干控制單元，例如最上級(jí)完成戰(zhàn)略性協(xié)調(diào)任務(wù)，最下級(jí)完成戰(zhàn)術(shù)性控制任務(wù)。同層次控制單元之間的信息交換既可以通過(guò)上級(jí)系統(tǒng)完成，也可以在同級(jí)進(jìn)行信息交互，構(gòu)成典型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。分布式控制具有如下顯著特點(diǎn)：當(dāng)代交通控制系統(tǒng)的發(fā)展 的前提下進(jìn)行組件和功能的擴(kuò)展。具有新系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中的過(guò)渡功能。由于新技術(shù)的出現(xiàn)，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始采用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)自己的交通信號(hào)系統(tǒng)，但是原有的交通信號(hào)系統(tǒng)不能夠在短時(shí)間內(nèi)淘汰，因此出現(xiàn)新舊系統(tǒng)并存的情況。多層次分布式交通信號(hào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)保證了新舊交通信號(hào)控制系統(tǒng)的并存，使新舊系統(tǒng)處于統(tǒng)一的管理之下。能夠?qū)崿F(xiàn)不同交通系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交流。美國(guó)ITS通信號(hào)控制系統(tǒng)的定義是：能夠通過(guò)適應(yīng)交通需求和有益于公眾的交通管理策略來(lái)進(jìn)行管理，改善交通流，并且系統(tǒng)易于維護(hù)、擴(kuò)展、更新和能夠與其他交通系統(tǒng)協(xié)同工作。這種多層次分布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在集成不同交通信號(hào)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，能夠完成各個(gè)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)的交換和與其他交通系統(tǒng)之間的信息交流。分布式控制系統(tǒng)相對(duì)集中控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)可減少信道負(fù)載，減少網(wǎng)絡(luò)控制中災(zāi)難性失效。因此,一個(gè)重要方向。藕合和內(nèi)聚是軟件模塊獨(dú)立性的兩個(gè)基本評(píng)價(jià)原則。藕合度指程序模塊間存在聯(lián)系的緊密程度。內(nèi)聚性則是模塊內(nèi)部的相互依賴(lài)程度。松耦合的基本概念是：允許改變或者當(dāng)問(wèn)題發(fā)生在 “電線的一端時(shí)”避免影響到其他的端點(diǎn)。也就是說(shuō)，改變或者供應(yīng)者或者服務(wù)的問(wèn)題不能影響到用戶——或者用戶的問(wèn)題不應(yīng)影響到供應(yīng)。在許多級(jí)別。必須區(qū)分生成時(shí)()境中，為了確定系統(tǒng)的耦合程度，必須分析各個(gè)級(jí)別。下表簡(jiǎn)要介紹了這些級(jí)別，以及這些級(jí)別與緊耦合-松耦合的關(guān)系。緊耦合與松耦合級(jí) 物理耦合通信方式類(lèi)型系統(tǒng)交互模式過(guò)程邏輯的控制服務(wù)發(fā)現(xiàn)和綁定平臺(tái)依賴(lài)性

緊耦合需要直接的物理鏈接同步強(qiáng)類(lèi)型系統(tǒng)(例如接口語(yǔ)義)以O(shè)O方式導(dǎo)航復(fù)雜對(duì)象樹(shù)集中控制處理邏輯靜態(tài)綁定服務(wù)對(duì)操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言的依賴(lài)性高

松耦合物理中介異步以數(shù)據(jù)為中心，獨(dú)立消息分布式邏輯組件動(dòng)態(tài)綁定服務(wù)獨(dú)立于操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言理想的交通信號(hào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)做到“ 高內(nèi)聚，松藕合”。換而之如何處理好實(shí)時(shí)自適應(yīng)與系統(tǒng)協(xié)調(diào)的關(guān)系仍然是當(dāng)代交通控制系統(tǒng)的核心問(wèn)題。在信息技術(shù)的應(yīng)用方面與傳統(tǒng)交通控制更多的關(guān)注道路交叉路口紅綠燈有效控制相比，當(dāng)代交通控制充分利用信息的潛在功能，將信息的應(yīng)用提前到個(gè)人、車(chē)輛和企-3-業(yè)出行的安排，實(shí)現(xiàn)交通需求的控制與管理。交通綜合信息深處理和個(gè)人手持移動(dòng)系統(tǒng)使得人人可以享受充分的信息服務(wù)，影響人的出行行為，發(fā)揮人的交通主導(dǎo)作用，達(dá)到利用信息影響交通產(chǎn)生和均衡交通流量的高級(jí)目的。對(duì)于車(chē)輛，交通控制信息應(yīng)用的目的已不僅僅是影響駕駛員選擇路徑，而是通過(guò)車(chē)載設(shè)備檢測(cè)到的實(shí)時(shí)交通信息進(jìn)行部分或完全的自動(dòng)駕駛控制，從而提高行車(chē)安全和道路通行能力。公交公司、旅游公司、貨運(yùn)公司等管理人員借助獲取的實(shí)時(shí)交通運(yùn)輸信息，有效地管理車(chē)輛，提高車(chē)輛運(yùn)輸安全；通過(guò)建立自動(dòng)化調(diào)配中心并提供客貨運(yùn)配送信息，提高運(yùn)營(yíng)效率。當(dāng)代交通控制與傳統(tǒng)交通控制中的信息技術(shù)對(duì)比傳統(tǒng)交通控制

當(dāng)代交通控制信息來(lái)源

交叉口直接技術(shù)參數(shù)信息

城市、道路網(wǎng)、出行者等海量信息信息采集手以環(huán)形線圈檢測(cè)器為主的車(chē) 線圈、全球定位系統(tǒng)、視頻、高段 輛檢測(cè)器 視頻流壓縮、高清晰度衛(wèi)星圖像航空攝影或成像、探測(cè)車(chē)、傳感器以及來(lái)自交警或交通信息提供者的實(shí)時(shí)定性信息信息應(yīng)用 區(qū)域交叉口交通信號(hào)控制 道路網(wǎng)的交通信號(hào)控制、高速公路控制、公共交通優(yōu)先控制等數(shù)據(jù)融合作為一種數(shù)據(jù)綜合處理技術(shù)，實(shí)際上是許多傳統(tǒng)科學(xué)與新技術(shù)的集成與應(yīng)用。按照數(shù)據(jù)抽象的層次不同，數(shù)據(jù)融合可分為三個(gè)級(jí)別，即像素級(jí)融合、特征級(jí)融合和決策級(jí)融合。像素級(jí)融合是直接在采集到的原始數(shù)據(jù)層上進(jìn)行的融合，在各種傳感器的原始測(cè)報(bào)未經(jīng)預(yù)處理之前就進(jìn)行的綜合和分供直接依據(jù)。數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的功能主要有校準(zhǔn)、相關(guān)、判別和估計(jì)。其中校準(zhǔn)和相關(guān)是為判別和估計(jì)做準(zhǔn)備的，實(shí)際融合在判別和估計(jì)中進(jìn)行。該模型的融合功能分兩步完成，對(duì)應(yīng)于不同的信息抽象層次，第一步是低層處理，對(duì)應(yīng)于像素級(jí)融合和特征級(jí)融合，輸出的是狀態(tài)、特征和屬性等等；第二步是高層處理，對(duì)應(yīng)的是決策級(jí)融合，輸出的是抽象結(jié)果。數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是信息系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化。在標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)方面是工業(yè)級(jí)系統(tǒng)工程。這一發(fā)展趨勢(shì)對(duì)交通控制系統(tǒng)的制造、互換、互通和競(jìng)爭(zhēng)提出更高的要求。為了迎合這一發(fā)展趨勢(shì)，各國(guó)相繼開(kāi)展了一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作。如美國(guó)成立了美國(guó)電子制造協(xié)會(huì)（ NEMA）、電子與電器工程師協(xié)會(huì)（IEEE）和美國(guó)州道路和運(yùn)輸局協(xié)會(huì)（AASHTO）等標(biāo)準(zhǔn)化組織當(dāng)代交通控制系統(tǒng)的發(fā)展 其中與現(xiàn)代交通控制有關(guān)的主要成果有NTCIPITS標(biāo)準(zhǔn)化組織CEN/TC278WG5交通控制工作團(tuán)體。盡管日本的ITS體系結(jié)構(gòu)動(dòng)手較晚，但其標(biāo)準(zhǔn)化工作并不落后，如日本的國(guó)家警察廳建立了關(guān)于交通信號(hào)、交通信號(hào)控制20世紀(jì)90年代，我國(guó)成立了交通工程設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，從事標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)劃、制定、修改、計(jì)劃的建議，并逐步與ISO/TC204制定了國(guó)家ITS標(biāo)準(zhǔn)，其中專(zhuān)門(mén)將交通控制的標(biāo)準(zhǔn)化工作作為交通監(jiān)控與管理子系統(tǒng)提出。硬件平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用傳統(tǒng)的交通控制領(lǐng)域沒(méi)有統(tǒng)一的硬件標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)商獨(dú)立開(kāi)發(fā)自己的此外，用戶在購(gòu)買(mǎi)不同廠商的產(chǎn)品后不能通用，大大降低了產(chǎn)品的兼容性和可購(gòu)性。為實(shí)現(xiàn)各硬件平臺(tái)間的互換，使得各系統(tǒng)間可以進(jìn)行信息共享，同時(shí)也為各生產(chǎn)商之間能在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)以擴(kuò)大硬件平臺(tái)的來(lái)源，現(xiàn)代交通控制系統(tǒng)廣泛采用統(tǒng)一的硬件標(biāo)準(zhǔn)，其中比較有代表性的是美國(guó)的ATC 標(biāo)準(zhǔn)。它是從2070和NEMA合并起來(lái)，建立的一套交通控制器結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)。它是在廣泛吸取了諸如 2070和NEMA這樣先進(jìn)的控器標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，具有以下優(yōu)點(diǎn) [45]：（1）當(dāng)前最新一代“開(kāi)放式系統(tǒng)”；（2）應(yīng)用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)，調(diào)試縮寫(xiě)容易，可移植其它硬件平臺(tái)；（3）硬件軟件分開(kāi)，采用OS-9操作系統(tǒng)，進(jìn)一步提高軟件獨(dú)立運(yùn)行能力；（4）比170更強(qiáng)的互換性和模塊化規(guī)定,搭建標(biāo)準(zhǔn)化API接口臺(tái)，可在不同廠家之間互換；（ 5）具有高級(jí)通信能力，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)控制器的網(wǎng)絡(luò)通信能力，實(shí)施NTCIP和IP協(xié)議，將以太網(wǎng)作為首選通信連接接口；（6）可購(gòu)性和兼容性提高，降低了成本；（ 7）數(shù)據(jù)更加安全。ATC標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，其發(fā)展過(guò)程如圖所示。標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過(guò)程DevelopmentProcessof通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用現(xiàn)代交通信號(hào)控制采用開(kāi)放式的交通信號(hào)控制系統(tǒng)，并且通信系統(tǒng)建設(shè)的資金投入應(yīng)與系統(tǒng)對(duì)通信帶寬的要求成正比，即若系統(tǒng)對(duì)通信帶寬的要求相對(duì)較低，其通信系統(tǒng)的費(fèi)用在整個(gè)系統(tǒng)中所占的比例也應(yīng)該較低；反之亦然。而在傳統(tǒng)的交通信號(hào)控制領(lǐng)域，交通信號(hào)控制機(jī)通信協(xié)議是不公開(kāi)的，因而阻礙了開(kāi)放式交通信號(hào)控制系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)城市交通管理-5-部門(mén)也無(wú)法通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制購(gòu)置交通信號(hào)控制機(jī)。而且在傳統(tǒng)的交通控制系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)建設(shè)的資金投入較高。基于上述原因，現(xiàn)代交通控制系統(tǒng)要求采用統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)，其中最有代表性的是美國(guó)的 TransportationCommunicationsforITSProtocol) 標(biāo)準(zhǔn)。NTCIP 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用確保了交通信號(hào)控制系統(tǒng)與智能運(yùn)輸系統(tǒng)組成單管理部門(mén)決定其系統(tǒng)采用NTCIP 架構(gòu)，就可以向不同的供貨商購(gòu)買(mǎi)與NTCIP兼容的產(chǎn)品、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、軟件等，而且能夠確保設(shè)備保持長(zhǎng)期的可用性和兼容性，避免設(shè)備過(guò)早被淘汰；由于NTCIP允許在不同運(yùn)營(yíng)部門(mén)進(jìn)行信息交換，各運(yùn)營(yíng)部門(mén)間可實(shí)現(xiàn)信息共享，還可以進(jìn)行跨部門(mén)控制；NTCIP 還可使管理系統(tǒng)能夠在相同的通信信道內(nèi)與不同種類(lèi)的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。像廣泛采用的TCP/IP 協(xié)議一樣，NTCIP也采用分層的結(jié)構(gòu)。其框如圖所示。開(kāi)放的軟件平臺(tái)

NTCIP框架結(jié)構(gòu)NTC