1.2 人工智能在智慧交通控制中的應用

1.2.1 交通控制領域中的人工智能研究

交通控制，也叫“交通信號控制”是依靠交通控制設施根據路網交通流信息對交通信號進行設置管理，并參考當下的交通流狀況，對配時方案進行持續性調整，提高交通控制的整體效率。從系統化的角度來分析，交通控制能夠為交通管理部門提供科學、有效的配時方案。

從總體上來說，要想提高整個路口的交通效益，應該采取如下措施：

（1）利用數學模型實現對交叉口不同方向車輛的精準推測，按照最優化理論及運籌學知識調整交叉口的燈色轉換時間。

（2）運用智能控制技術管理交叉口的交通運行。

◇ 人工智能在區域協調領域的應用

什么是區域協調?即由交通中心承擔宏觀調控任務，參考各個區域的交通流量情況，實現不同路口之間的協調互補，為交通流量繁重的路口分擔壓力，加快整個道路的通行速度。在區域協調中，要實現不同城市道路之間、城市道路與快速路之間的協作，不同路口之間必然相互影響，不可避免地會產生路口之間相互沖突的情況。這是在未來發展過程中要重點解決的問題。利用人工智能技術，路網協調控制可以在這方面發揮重要作用，基于分布式人工智能的Agent技術在交通控制領域的應用，就是這方面的典型代表。

Multi-Agent是多個Agent組成的集合，這些Agent成員之間相互協調、相互服務，共同完成一個任務。城市交通網絡智能決策系統依托Multi-Agent，將交通網絡系統理論、計算機應用與權威專家的知識經驗融為一體。不同的Agent中存有不同的知識體系，方便應用者進行信息搜索與應用，且便于后續擴展與延伸。

智慧交通控制系統依托Agent創建數學模型的過程中，第一步要做的是用Agent代替交通控制系統的功能模塊，按照不同Agent承擔的功能，建設相對應的功能結構，促進各個Agent之間的協作運行，致力于完成整體的任務。

智慧交通控制系統由三個層次的控制結構組成，不同層次擁有不同的功能：

決策Agent位于組織層，即控制系統的最高層，掌握著宏觀決策權，能夠科學判斷總體的交通運行情況，立體化地分析各方數據資源，據此制定規劃與決策，促進不同區域控制系統之間的配合，目的是實現整體的最佳控制效果，優化交通控制。

區域協調Agent位于協調層控制系統的中間層，主要承擔所屬地區路口的交通監管及維護任務，如果有必要，區域協調Agent會對所轄區域內的路口模式實施強硬管理，并及時應對緊急事件，還能與其他Agent相互配合，實現信息共享。

路口Agent、路段Agent、車輛Agent、交通燈Agent位于控制層，即控制系統的最底層，負責進行交通控制與管理。

其中，路口Agent能夠獲取當前路口與附近路段的數據。由于路口聚集了不同方向的交通流，且時常發生車輛分流、車輛擁堵等情況，使得路口Agent的價值表現得尤為突出，應用該控制系統，能夠把該路口的交通信息提供給附近路口，同時可以遵循區域控制中心的指示來完成相關任務，并與其他區域控制中心相互形成協作關系。路段Agent能夠快速獲取不同路段的交通數據，利用傳感技術對車輛的數量及其運行情況，以及該路段的整體交通秩序進行把控。

在具體運營過程中，交通系統與不同Agent之間相互作用、相互影響。交通系統的要求不同，Agent的功能、組成方式、整個系統與各個Agent之間的作用方式也不同，應該根據實際情況進行設置。

1.2.2 仿真工具在交通控制領域的應用

使用仿真軟件，能夠對人工智能的效益進行科學評估。現階段下，應用者可以利用C語言、Matlab設計仿真程序進行評估，也可以選擇專業交通仿真軟件來評估。交通仿真工具能夠生動地還原交通現場，高效方便。在這里對微觀交通仿真軟件Paramics進行重點分析，該軟件被北京工業大學智慧交通中心采用，擁有眾多優勢功能。

Paramics是一種并行微觀仿真軟件，由歐盟、愛丁堡并行計算中心、英國交通部研發，并設立了專門的研發項目。Quadstone公司基于前三者的探索，聯合英國工商部，將Paramics發展成商業化軟件。借助于Paramics，交通領域的研究者能夠更好地了解、掌握當下的道路交通情況，并且能夠進行深入的數據挖掘與分析。該軟件能夠以三維立體化形式呈現交通道路情況，同時向多用戶開放其功能，還能連接到應用程序上。此外，Paramics對于不同的路網具有強大的適應能力，可覆蓋至32000個區域，控制400萬個路段、管理100萬個節點。

Modeller、Processor、Analyser、Programmer、Monitor五大工具支撐起Paramics，占據關鍵性地位的是Modeller，下面對這五大組成部分進行逐一分析。

（1）Modeller的主導功能包括統計數據輸出、交通路網建立以及三維交通仿真。這三個功能都可以通過圖形方式展現給用戶。實際交通路網的各個節點都被容納到Modeller的功能中，具體如智慧交通信號控制、公共交通、環形交叉路口、城市路網建設及完善，以及各個類型的車道管理等。運用Modeller，管理部門不僅能夠了解單一車輛在實際交通環境中的運行情況，還能系統地掌握當下的交通情況。

（2）Processor可以實現對數據信息的批量化處理，迅速給出統計結果。該軟件也以圖形方式向用戶展示分析過程，在具體設置過程中，還能夠選擇輸出數據、仿真參數等。在批量化處理模式下，路網及仿真車輛的位置數據會被忽略，這有效提高了仿真計算的效率。

（3）用Modeller或Processor進行仿真計算得出分析結果后，需要通過Analyser進行結果輸出。這種工具以圖形用戶界面的方式來展示多種數據結果，具體包括路段交通流量、交通密度、車輛行駛路線、車輛排隊長度、管理服務情況等。在以圖形方式進行結果輸出的同時，該工具還能夠輸出數字化形式的統計結果，方便后續查詢與應用。

（4）Programmer工具對外開放C++的應用程序接口，這種方式能夠進一步拓展Paramics的功能。舉例來說，Paramics最初是根據英國的道路交通管理辦法及車輛特性制定的，要想應用于英國之外的國家，就要設計相應的應用程序接口，使之符合當地的駕駛規則。通過使用API接口，Paramics將擁有更加豐富的功能，能夠根據不同地區的具體情況制定交通控制與管理辦法。

（5）有專業人士基于Programmer研究出了API模塊Monitor，這個模塊能夠對交通路網中車輛尾氣的排放情況進行精準的統計與計算，并以直觀方式體現出來。

在智慧交通系統中應用Paramics，能夠發揮微觀交通仿真技術的作用，靈活選擇可變信息板、交通信號、可變速度控制標志等，在此基礎上可對仿真車輛實施智能化調度。除此之外，利用API函數能夠開發出更多針對特定區域及路段的控制模式，從而推出更具針對性的交通控制及管理策略。

1.2.3 車路協同在交通控制領域的應用

◇ 車路協同系統概述

CVIS（Cooperative Vehicle Infrastructure System，車路協同系統）是一種基于人工智能、信息處理、定位導航、無線通信、電子傳感等眾多技術來獲取車輛和道路信息，實現車與車、車與道路之間的無縫對接，通過對實時交通數據的采集、分析，實現車輛主動安全控制及道路協同管理，充分發揮人、車、道路的協同聯動作用，最終達到提高交通效率與安全性目標的道路交通系統。在智慧交通建設中，車路協同系統是一項重要組成部分。

◇ 車路協同系統的產生與發展

交通安全、通行效率及節能環保是交通領域的三大痛點，隨著我國城鎮化進程日漸加快，其負面影響愈發嚴重。這種背景下，為滿足交通運輸整體戰略的需要，能夠保證交通安全、提高交通效率且節能環保的車路協同系統應運而生。隨著車路協同系統不斷走向成熟，車輛與道路管理處于割裂狀態的不利局面將被打破，車與車、車與道路將保持實時交互，充分利用現有交通資源，提高交通路網供給能力，有效減少交通事故的發生。

車路協同系統在我國的發展最早可以追溯到2010年10月，當時科技部推出了863計劃“智能車路協同關鍵技術研究”課題項目，不久后，工信部立項并開展深入研究。2011年9月，清華大學等十家單位被賦予實施“智能車路協同關鍵技術研究”項目的使命，2014年2月，經過科技部驗收后，該項目成功交付。

在車路協同系統發展初期，我國的相關研究主要集中在車路協同典型場景驗證、交叉路口安全通行、交通環境檢測、危險狀況識別等領域。2015年12月，我國車路協同技術開始對接國際標準，車路協同系統的技術與應用都得到一定程度的拓展，比如，路口車速引導、以節能環保為目標的在途動態誘導、車隊引導下的信號協同控制等。

2016年，我國智能汽車集成系統試驗區建設取得初步成果，多個國家級智能汽車集成系統試驗區開園，如，11月15日，位于重慶兩江新區的智能汽車集成系統試驗區i-VISTA（Intelligent Vehicle Integrated Systems Test Area）正式開園。有了試驗區的支持，我國車路協同系統研究從理論研究轉變為現場檢測與試驗，比如，車路協同的輔助駕駛與自動駕駛、基于信號協同的公交先行、基于智能駕駛的多交通主體群決策與控制等，這為科技成果轉化提供了強有力的支持。

◇ 車路協同系統中的關鍵技術

車路協同系統是ITS領域的熱點研究方向之一，對信息安全、狀態感知、多模通信、數據融合與協同處理等諸多技術有較高依賴性，而這些技術相互交叉和作用成為車路協同系統的關鍵技術，如，智能通信、智能車輛關鍵技術、智能系統協同控制、智能路測系統關鍵技術等。

（1）智能通信。在智慧交通與車輛領域，移動通信技術是基礎性技術，它是人、車輛及道路進行實時交互的核心所在。智能通信技術基于車車通信技術以及車路通信技術，實現了車輛高速行駛過程中的車車、車路實時高效的信息交互。

（2）智能車輛關鍵技術。智能車輛關鍵技術主要包括：借助在車輛上安裝的定位系統、陀螺儀、電子羅盤及激光雷達車載單元等傳感設備，實時搜集車輛位置、運行狀態、行車環境等各類信息；借助在車輛上安裝的電液制動系統、工業控制計算機等控制設備，智能化控制車載單元，以便及時規避追尾等交通事故。

（3）智能系統協同控制。智能系統協同控制可以被分為兩大類，一類以效率為目的，另一類以安全為目的。其中，以效率為目的的智能系統協同控制包括：精準停車控制技術、動態協同專用車道技術、交叉口智能控制技術、集群誘導技術、交通控制與交通誘導協同優化技術等。另一類以安全為目的的智能系統協同控制包括：協作式駕駛輔助系統（C-DAS），車路協同安全預警系統。

（4）智能路測系統關鍵技術。智能路測系統關鍵技術可實現多種功能，如多通道路面狀態信息采集、多模無線數據傳輸、多通道交通信息采集、信息融合及突發異常事件快速識別與定位等。

1.2.4 人工智能在交通管理領域的應用

◇ 智慧交通系統

智能化道路交通管理系統在運行過程中把獲取到的道路交通信息交給交通管理控制部門進行深度挖掘與分析，再將分析結果提供給包括居民、車主、停車場、物流企業等在內的用戶，為他們的出行規劃提供有效的參考數據。與此同時，交通管理部門可運用交通系統，及時處理緊急情況及交通事故；運輸部門能夠迅速了解車輛運行狀況，據此優化自身管理及服務體系。

◇ 智慧交通信號系統

人工智能的應用能夠有效緩解城市面臨的交通擁堵問題。權威數據統計結果顯示：在經濟方面，每年美國因交通擁堵問題導致的經濟損失高達1210億美元；在環境方面，每年交通擁堵導致的二氧化碳排放量高達250億千克，當汽車在市區處于運行狀態時，由于城市未安裝智慧交通信號系統，約40%的發動機是空轉的。

針對這個問題，卡耐基梅隆大學教授斯蒂芬·史密斯推出了智慧交通信號系統，用以優化城市道路交通管理。測試結果顯示，該系統的應用能夠提高城市交通管理的效率，大幅減少發動機空轉的時間。

具體而言，智慧交通信號系統的應用，能夠提高城市交通道路的承受能力，避免相關部門不斷進行道路拓寬與改建，從而降低成本消耗；能夠對當前的路況進行準確的監控與感知，根據先進的人工智能算法自動調整燈色轉換時間。該系統利用分散方式對交通網絡的運營情況進行精準掌控，這與商業自適應交通控制系統之間存在明顯的區別。具體而言，各個交叉點根據當下的車流決定燈色轉換時間，并將數據提供給臨近的交叉口，方便它們預知未來的入站車輛數。采用這種模式的交通信號系統能夠更好地適應實際交通狀況，并與鄰近交叉口相互配合，優化整體的道路交通管理。

該系統推出后不久，便在匹茲堡車流較大的East Liberty街區進行了初步應用，并在后期不斷拓寬應用范圍，旨在實現全面覆蓋，通過調控交通信號系統，對通行汽車實施高效的管理與調度。

◇ 警用機器人

隨著人工智能在道路交通管理領域的普遍應用，交通警察的工作將由警用機器人來承擔，這種機器系統能夠24小時進行道路巡邏并實施全方位的監管，從而提高公安交通管理部門的工作效率。

◇ 公路交通安全防控體系

運用公路交通安全防控體系，相關部門能夠及時了解各個路段的車輛通行情況，對交通違法情況進行監管，并迅速進行處理，恢復正常的交通秩序，從整體上提高自身的管控能力，提高勤務管理的效率，對交通違法行為進行修正，使整個城市道路系統保持暢通，降低重大交通事故發生的概率，提高城市交通的安全性。

交通行為監測技術、交通安全研判技術、交通風險預警技術、交通違法執法技術是道路交通安全防控體系的主要組成部分，如今，人工智能已經實現了與這四大核心技術的結合發展。人工智能技術在道路交通領域的應用，能夠讓管理部門更好地掌握交通運行狀態、車輛通行軌跡，在及時處理違法行為的同時，避免隱患事件的發生，促進相關部門之間的協同合作，優化交通管理服務。

在全國公安交通管理部門主抓城市暢通和公路安全問題的當下，人工智能技術在道路交通管理中的應用，能夠提高交通管理部門的工作效率，推動公安交通管理事業的發展。