基于多智能体的城市交通仿真研究

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Ｃ ｉａ Ｎ ｗ ｅ ｈ ｏｏ ｉｓａ ｄ Ｐ ｏ ｕ ｔ ｈ ｎ ｅ Ｔ ｃ ｎ ｌｇｅ ｎ ｒｄ ｃｓ
信 息 技 术
基于多智能体的城市交通仿真研究
张 建 国
（ 安徽理 工大学 计 算机科 学与工程 学院， 安徽 淮 南 ２ ２ ０ ） ３０ １
摘 要： 多智 能体模 型 是 一种 研 究社会 、 济 、 态等复 杂 系统 的动 态研 究方 法 ， 经 生 交通 系统 是 一 个具有 随机 性 、 态性 和 自适 应 性等 动 特征 的开放 的 复杂 系统 。 因此 以 多 Ａ ｅｔ 术为 手段 结合 交通 系统 的组 成和 复 杂性 特征 ， 用基 于 Ａ ｅｔ ｇｎ技 利 ｇｎ 的计 算机 仿真 通 过模 拟 交 通 系统 中个体 的行 为 ， 以让一群 这 样的 个体 在计 算机 所 营造 的虚 拟环 境 下进行 相 互作 用并 演化 ， 可 自下而 上 的“ 涌现” 出整 体 系统 的
关 键 词 ： Ａ ｅ ｔ 通 仿 真 ；ｒｆｉ Ｇ ｉ 多 ｇ ｎ； 交 Ｔ ａｆ ｒｄ模 型 ； ｔ ｇ ｃ Ｎｅｌ ｏ ｏ 中 图分类 号 ： ９ Ｕ４ 文 献 标 识 码 ： Ａ
１引言 交通仿真是 ２ ０世 纪 ６ Ｏ年代 以来 ，随着 计 算机 技 术 的进步 而发 展 起来 的采用 计算 机 数 字模 型 来反 映复 杂 道路 交 通现 象 的交 通分 析 技术 和 方法 。 试 验角 度看 ， 交通 仿真 从 道路 是 再 现 交 通 流 时 间和 空 间 变 化 的模 拟 技 术 ， 交 通仿 真 是智 能交 通 运输 系 统 的一 个重 要组 成部 分 ，是计 算 机技 术 在交 通 工程 领域 的一 个 重要 应 用 。利 用 基 于 Ａ ｅｔ ｇｎ 的计算 机 仿 真 通过 模 拟交 通 系统 中个 体 的行 为 ，让 一群 这 样 的个 体在 计算 机 所营 造 的虚 拟环 境 下进 行 相 互 作 用并 演 化 ， 自下 而 上 的 “ 现 ” 涌 出整 体 系 统 的复杂 性行 为 。 主体 模型 基本 思路 是 ： 多 由于人 类社 会 是 由大量 的个体 构 成 的复 杂系 统 ，因 而在 计算 机 中建 立 每个 经 济实 体 的个 体模 型 ，这 样 的计 算机 中模 型 被称 为 Ａ ｅｔ ｇｎ； 然 后让 这 些 Ａ ｅｔ ｇｎ 遵循 一 定 的 简单 规 则 相互 作 用 ；然 后 通过 观 察 这 群 Ａ ｅｔ 体作 用 的 ｇｎ整 涌 现 肚找 到人 工社 会 的 规律 ，并 用 这些 规律 解 释 和理解 人 类社 会 中 的宏 观 现象 … 。 文 中 以 Ｔａ ｃＧ ｄ 型为 基础 ， 真 研 究 了 ｒ ｆ ｒ 模 ｆ ｉ ｉ 仿 交 通 系统 从 而得 出停 着 的 车辆 数量 ，平 均 等 待 时间等 曲 线 ，为城 市 规划 和决 策 者提 供 了 数据 。
一
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ｓｉ ｍ ｌｅ ｄ
设置 嘲格大小 叮 得到不 同的交通 灯数 目
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设置 当前 系统 中车辆的 数目
初婚化程序 运行程序（ 循环运行／再次点击则停止运行 ，
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控制交通灯红绿灯变换 的循环间隔
车 辆 最 大 限 制 速 度
ｓｉｈ ｗｔ ｃ
睫 ㈣ 进入此系统 的车辆数量
ｓ ｄｒ ｌ ｅ ｉ
Ｄａｅ ｈｓ Ｃ ￣ｇ ｇ ｔ ｈ ｅｌ ｈ ｉ 按钮
用来选择当前交通灯
记录当前状态 ， 个足监 视器 这 点 击则变换当前变通灯的状态
体， 主要有道路（ 分为路段和交叉 口）信号控 、 制设 施 、 车辆 、 驶 员 、 等 。 些实 体有 的 驾 行人 这
比，Ａ Ｍ Ｓ有 如下 特 点 ：① 社 会 性 ： ｇｎ 处 于 Ａ ｅｔ 由多个 Ａ ｅｔ 成 的社 会 环境 中 ，通过 某 种 ｇｎ 构 Ａ ｅｔ 言 与 其 他 Ａ ｅｔ ｇｎ 语 ｇｎ 实施 灵 活 多 样 的交 互 和通 讯 ， 现 与 其他 Ａ ｅｔ 实 ｇｎ 的合 作 、 同 、 协 协 商 、 争 等 。② 自制性 ： 多 Ａ ｅｔ 竞 在 ｇｎ 系统 中 个 Ａ ｅｔ 出请 求后 ， 他 Ａ ｅｔ ｇｎ发 其 ｇｎ 只有 同时 具 备 提供 此服 务 的能 力 与兴趣 时 才 能接 受动 作委 托 ， 即一个 Ａ ｅｔ 能 强制 另 一个 Ａ ｅｔ ｇｎ 不 ｇｎ 提供 某 种 服 务 。③协 作 性 ：在 多 Ａ ｅｔ ｇｎ 系统 中 ，具 有不 同 目标 的各 个 Ａ ｅｔ 须 相 互 协 ｇｎ必 作 、 同 、 对未 完成 问题 的求解 。 协 协商 ３ 真模 型 仿 ３１总体 结构 ． 道 路 交 通 系 统 包 含 很 多 相 互 关 联 的 实
具 有一 定程 度 的 自制性 和智 能 性 ， 如驾 驶 员 、 表 １ 行 人等 ， 的是 被动 的受其 他 实体 的影 响 ， 有 如 应 的局 限性 ， 普 遍存 在 着鲁 棒 性差 、 易扩 也 不 路 段等 。多 主体 技 术能 够对 交 通 系统 中 的各 展 、 算 复 杂等 缺 点 ［ 本模 型从 计 算 简 单 出 计 ５ １ ， 要 素进 行建 模［ 如 交 叉 口 、 号灯 、 通 控制 发统 一 管理信 号 灯 ， 次初 始化 好 时间 间隔 。 ４ １ ， 信 交 一 中心 等 ， 这些 要 素进 行 简化 ， 立多 主 体概 对 建 ３ 参数 设置 ． ２ 念 模 型 。主 要 Ａ ｅｔ ｇｎ 有交 通 路 网 Ａ ｅｔ车辆 ｇｎ、 设 置部 分如 图 １ 。 Ａ ｅｔ信 号 灯 Ａ ｅｔ其 中 交 通路 网 Ａ ｅｔ ｇｎ、 ｇｎ， ｇｎ 参 各 个控 件表 示 的物理 意义 如表 １ 考 １７ ９ ９年 Ｈ ｒ ａ ｅｍ ｎ等 ［ 提 出 的 二 流 模 型 ５ １ ３３ ＿初始 化环 境 （ｗ — ｕ ｏｅ） 模 型认 为交 通 流有 运行 Ｔ ｏｆ ｉ Ｍ ｄ１， ｌｄ 该 ２多 主体 建模 环 境 是 由 ３ ￣ ７的网 格组 成 的 ，通 过 设 ７３ 主 体 （ ｇｎ， 有 人 译 为 智 能 体 、 理 ） 车辆 与停 止 的车 辆组 成 。 Ａ ｅｔ也 代 置 ｓｉｅｓ ： ｄ ｓ ｅ ｘ ３， ａ — ｉｅ ｙ ４初 始 ｌ ｒ ｇ —ｉ — ＝ ｇ ｄ ｓ —＝ ｄ ａ ｚ ｚ 路 网描 述 ：交通 路 网是 道路 交 通 系统 的 化一 个 ４行 ３列 的道路 ，其 中两 条道 路交 叉 和 多 主 体 系 统 （ ｕｔ Ａ ｅ ｔＳ ｓ ｍ ＭＡ ） Ｍ ｌ — ｇ ｎ ｙｔ ， Ｓ 是 ｉ ｅ 承 交 随 着分 布式 人工 智 能 的研究 而兴 起 的 。 主体 基础 设 施 ， 载 着车辆 的 运行 。 通路 网具 有 处有 红 色 和 绿 色 的瓦 片 分 别 代 表 红 灯 和 绿 “ （ ｇｎ）一 词 一 般 用 来 描 述 自包 含 的 （ｅ — 复 杂 的拓扑 结构 和集合 特 征 ，如果 过 于复 杂 灯 ， 中汽 车 数 目通 过设 置 ｓｄｒｎｎ—ａｓ Ａ ｅｔ” ｓｌ ｆ 其 ｌ ｅ：ｕ ｃｒ ｉ ＝ ｃｎ ｉ ｄ 、 感 知环 境 并 能在 一 定 程 度 上控 则 计 算 负 载过 重 ， 分 为路 段 、 网 、 叉 口 ｏｔｎ ）能 ａｅ 故 路 交 ｇｎ 负 制 自身 行 为 的计 算 实体 １ ２ １ 工 智 能 学 者 三 次 层管 理 ，路 网 Ａ ｅｔ 责存 储 维 护整 个 。人 Ｍｎｋ 在 １８ 年 出版 的著作 《 ｉｓｙ ９ ６ 思维 的社 会 》 交 通路 网的拓 扑关 系 ，为 交通 实 体提 供路 网 （ｈ ｏｉｙ ｏ Ｍｉ ）１ 出 了 Ａ ｅｔ认 为 信 息 。路段 Ａ ｅｔ Ｔ ｅＳｃｅ ｆ ｎ ｔ ｔ ｄ３ 中提 ｇｎ， ｇｎ 负责 本路 段 的描述 ， 交叉 口 ｇｎ包 社 会 中 的某些 个 体经 过协 商 之后 可 以求 得 问 Ａ ｅｔ 含 信 号 灯 对象 实 现 各入 口车道 交 通 一个 路段 一个 车 道 。 题 的解 ， 这些 个体 就是 Ａ ｅｔＡ ｅｔ 少应 具 流 的时 间分离 ， ｇｎ。 ｇｎ至 备 以下 几 方 面 的关 键 属性 ：① 自主 性 ：ｇｎ 信号 灯结 构 ： 号 灯 是重 要 的交通 控 制设 施 ， Ａ ｅｔ 信 具有 属 于其 自身 的计 算 资源 和 局部 于 自身 行 它实 现对 交叉 口不 同流 向 的车辆 进行 时间分 为控 制 的机 制 ，能在 无 外界 直接 操 纵 的情 况 离 ，减 少 车辆 之 间 可能 的 冲突 ，改善 交 通 安 全 ，提 高交 叉 下 ， 据 其 内 部状 态 和 感 知 到 的 （ 部 ） 境 根 外 环 口流通 效 率 。 信息 ， 定和 控 制 自身 的行 为 。② 交互 性 ： 决 能 信 号 灯 控 制从 与其 他 Ａ ｅｔ 行 多种 形 式 的交 互 ，能 有 效 ｇｎ 进 豳 本 质 上 看 ， 地 与其 他 Ａ ｅｔ 同工作 。 反应 性 ： 知 ｇｎ 协 ③ 能感 是 个 典 型 的 复 所处 的环境 ， 对相 关事 件做 出适 时反 应 。 并 ④ 主 动性 ： 能遵 循 承诺 采 取 主动 行动 ， 现 出面 表 杂 适 应 系统 ， 国 内外 相 关 学 向 目标 的行 为。⑤ 推理 和 规 划能 力 ：ｇ
复杂性行为。借助 Ｎ ｔｇ 软件平台， ｅ ０ｏ ｌ 利用 Ｔａ ｒ 模型仿真研 究了有人参与的交通仿真实验， ｒｍｃＧｉ ｄ 获取 了随着时间变化 的车辆平均
速 度 、 均等待 时间等数 据 ， 平 根据 其 变化 曲线 为建 设低 碳 交通 和智 能 交通 系统 （ Ｓ提 供 决策 。 Ｉ ） Ｔ