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一Multi-Agent仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1仿真系統(tǒng)的需求分析和功能設(shè)計(jì)

本文所涉及的仿真評(píng)價(jià)系統(tǒng)，是在無(wú)信號(hào)交叉口的環(huán)境中，引導(dǎo)次路車(chē)輛穿越主路的仿真系統(tǒng)。該引導(dǎo)系統(tǒng)是為無(wú)信號(hào)交叉口次路駕駛員設(shè)計(jì)的，協(xié)助其高效地完成穿越主路的車(chē)輛間隙，安全度過(guò)交叉口沖突區(qū)。系統(tǒng)依托于智能車(chē)路環(huán)境，應(yīng)用臨界間隙理論，完成了包括引導(dǎo)方案制定、圖像仿真界面、可擴(kuò)展程序設(shè)計(jì)等，使程序可以滿(mǎn)足后續(xù)開(kāi)發(fā)等功能需求。研究所涉及的仿真系統(tǒng)滿(mǎn)足以下要求:1)實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)方案的決策功能。主要應(yīng)用于特定的交通環(huán)境、信號(hào)規(guī)則、人車(chē)信息的條件下，引導(dǎo)策略和引導(dǎo)方案的制定。2)實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)功能。針對(duì)引導(dǎo)系統(tǒng)提出的引導(dǎo)策略和引導(dǎo)方案，仿真系統(tǒng)根據(jù)次路交叉口通行能力、排隊(duì)延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度等指標(biāo)對(duì)引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，證明其優(yōu)越性。3)實(shí)現(xiàn)算法參數(shù)的標(biāo)定功能。針對(duì)模型算法中參數(shù)，如調(diào)速區(qū)長(zhǎng)度、虛擬停車(chē)線(xiàn)的位置等進(jìn)行標(biāo)定。以次路通行能力、延誤為指標(biāo)進(jìn)行衡量，標(biāo)定出最為合理的設(shè)置方案。4)實(shí)現(xiàn)可視化的仿真效果。仿真系統(tǒng)的輸入在后臺(tái)完成，輸出的引導(dǎo)方案和車(chē)輛行駛狀況在前臺(tái)展示。仿真系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)路段、交叉口、車(chē)輛的可視化仿真效果，直觀精確地表達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)的工作原理。

2仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)仿真系統(tǒng)的需求分析和功能設(shè)計(jì)，得到仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中各主體之間的具體關(guān)系為:1)仿真者與仿真主體。仿真者與仿真主體為開(kāi)發(fā)與被開(kāi)發(fā)的關(guān)系，仿真者通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)定、開(kāi)發(fā)仿真主體。反過(guò)來(lái)，仿真主體的運(yùn)行效果影響仿真者的設(shè)計(jì)，達(dá)到反饋調(diào)節(jié)。2)仿真主體與仿真界面。仿真主體的活動(dòng)和運(yùn)行效果通過(guò)仿真界面呈現(xiàn)給仿真者。3)仿真主體與結(jié)果輸出。仿真主體的活動(dòng)經(jīng)過(guò)程序的記錄、分析，并通過(guò)具體指標(biāo)(通行能力、排隊(duì)延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度等)形成仿4)仿真主體與交叉口、路段、引導(dǎo)策略。交叉口、路段、引導(dǎo)策略為仿真主體的三個(gè)對(duì)象，它們的成員變量與成員函數(shù)預(yù)先定義好存儲(chǔ)在仿真系統(tǒng)中，無(wú)返回值調(diào)用。5)仿真主體與交叉口仿真模型、路段跟馳模型。交叉口仿真模型即系統(tǒng)模型算法，路段跟馳模型采用非線(xiàn)性模型。二者是仿真主體的預(yù)存儲(chǔ)過(guò)程，在仿真過(guò)程中直接由仿真主體調(diào)用。6)仿真主體與交叉口車(chē)輛、路段車(chē)輛。交叉口車(chē)輛和路段車(chē)輛為仿真主體的兩個(gè)主要對(duì)象，它們的成員變量與成員函數(shù)預(yù)先定義好存儲(chǔ)在仿真系統(tǒng)中，有返回值調(diào)用。

3仿真系統(tǒng)中各Agent類(lèi)的設(shè)計(jì)

作為仿真對(duì)象的無(wú)信號(hào)交叉口次路車(chē)輛穿越引導(dǎo)系統(tǒng)中的Agent類(lèi)，由車(chē)輛、路段、交叉口、引導(dǎo)策略等組成，

4仿真環(huán)境及語(yǔ)言的選取仿真系統(tǒng)選擇

NetLogo語(yǔ)言作為無(wú)信號(hào)交叉口車(chē)輛穿越引導(dǎo)系統(tǒng)的仿真環(huán)境。如圖3所示，橫向黑線(xiàn)代表交叉口沖突區(qū)的時(shí)間軸，從車(chē)輛到達(dá)交叉口到駛離交叉口所占用的時(shí)間以?xún)蓚€(gè)數(shù)組形式嵌入該時(shí)間軸，前車(chē)的駛離時(shí)間和后車(chē)的進(jìn)入時(shí)間差在交叉口沖突區(qū)的時(shí)間軸上顯示為不連續(xù)的時(shí)間段。豎向黑線(xiàn)同樣代表交叉口沖突區(qū)的時(shí)間軸，但顯示的是被次路來(lái)車(chē)的預(yù)計(jì)抵達(dá)交叉口和預(yù)計(jì)駛離交叉口的時(shí)間占用情況，引導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)判斷次路來(lái)車(chē)的情況從橫向時(shí)間軸被割裂剩余的不連續(xù)時(shí)間段中分配給次路來(lái)車(chē)，橫豎時(shí)間軸中對(duì)應(yīng)情況如圖中虛線(xiàn)所示。NetLogo具有出色的圖形輸出能力，可通過(guò)語(yǔ)言編程輸出大量數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)出csv格式數(shù)據(jù)，便于使用Matlab等計(jì)算工具對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括交通量、延誤、單車(chē)位置速度關(guān)系圖等。

二仿真結(jié)果對(duì)比通過(guò)以上系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)

可以看出，當(dāng)使用無(wú)信號(hào)交叉口車(chē)輛穿越引導(dǎo)系統(tǒng)后，在主、次交通量較低的情況下，能夠很大程度上減少交叉口的平均延誤和停車(chē)次數(shù)。而決定延誤的主要因素由主路交通量轉(zhuǎn)移到次路交通量。另外，向兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)輸入同一股車(chē)流，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn):在交通狀況完全相同的狀況下，引導(dǎo)系統(tǒng)的車(chē)輛采取了引導(dǎo)系統(tǒng)給予的不同的行車(chē)策略，提高了效率。

三結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的交通流仿真軟件，如vissim等，都是通過(guò)對(duì)交通流設(shè)定不同的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。因此，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員的個(gè)性化引導(dǎo)，以及評(píng)定系統(tǒng)的優(yōu)越性。而通過(guò)應(yīng)用Multi-Agent理論，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛Agent，路段Agent和引導(dǎo)策略Agent的仿真，并有效地提高了無(wú)信號(hào)交叉口的行車(chē)效率，減少交通延誤。綜上所述，Agent技術(shù)的出現(xiàn)為進(jìn)行交通問(wèn)題研究提供了理想的解決途徑，基于Agent的智能交通的研究方法正在興起，我國(guó)目前對(duì)采用Agent技術(shù)進(jìn)行交通問(wèn)題研究也是剛剛開(kāi)始，許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步深入地研究。

作者：于海熊軍單位：天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院道橋分院