基于Agent的城市道路交通虚拟仿真系统设计与教学应用
时间：2021-05-13 00:02:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：城市道路交通系统可以说是复杂系统的典型代表，《道路交通管理》课程是对这种复杂系统进行管理控制研究的专业性课程，但受环境与风险的限制，传统教学手段无法直观、具象地向学生传达知识，并完成一系列实验实训科目。Agent技术与虚拟现实技术皆是当前计算机仿真技术的重要方向，使城市道路交通系统的虚拟仿真能够实现，该研究成果为《道路交通管理》的实践教学提供了理想的方法，并为Agent技术与虚拟现实技术在公安学其他课程的应用提供了借鉴与参考。
关键词：Agent；虚拟现实；道路交通管理；仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）03-0253-04
《道路交通管理》是公安学一级学科下属治安学专业的一门重要的专业必修课程，道路交通管理本身也是交通工程学的主要研究对象之一，是指依据道路交通法规，采用交通信号，对道路上的行车、停车、行人和道路使用进行控制，使之畅通有序地运行。[1]由于道路交通系统所特有的复杂性、随机性等特点，使得虚拟仿真技术成为开展研究的重要手段。《国家教育事业发展“十二五”规划纲要》，指出“要落实教学改革重大举措，推动建设虚拟仿真实训系统”。Agent技术与虚拟现实技术的出现为《道路交通管理》提供了理想的虚拟仿真教学方法。本文主要探讨如何设计基于Agent的城市道路智能交通虚拟仿真系统，并应用于《道路交通管理》教学。
1 系统的设计
1.1系统的设计目标
对计算机仿真而言，系统的仿真模型是其最核心的问题。[2]该项目以虚拟现实造型语言VRML为编写工具，以Agent（智能体）思想为核心，围绕交通管理工程专业课程《道路交通管理》为蓝本，开发一个具有高智能的三维虚拟现实仿真系统，能够让学生身临其境地，获取视象、声音、数据等多种要素，并与系统进行互动，完成一系列实验实训项目。
1.2城市道路智能交通虚拟现实仿真系统Agent的设计
基于Agent的城市智能交通虚拟现实仿真系统的目的是对城市复杂的交通主体、交通工具、交通方式等基本要素进行仿真，构造出无限逼近于现实的虚拟仿真环境。交通场景中各类基本要素的运动状态复杂、速度各异，在现实世界中是一个连续的过程，在虚拟现实世界里则是按照时序发展的离散过程。因此机动车、非机动车、行人、交叉口、交通信号灯等要素均可看作是具有高度智能性的Agent，在交互仿真环境中持续自主发挥作用，以探讨如何实现交通控制的目标。
1.2.1车辆Agent的设计
车辆Agent实为驾驶人与机动车共同组成的复合性智能体，一方面具有驾驶人的交通心理、交通法规认识等智能，另一方面具有机动车的制动智能，车辆Agent可以模拟驾驶人获取城市交通环境的各种信号，并自主或根据外部信号而实时反馈，调整行为模式。因此车辆Agent应分为驾驶人Agent与机动车Agent两大模块。
（1）驾驶人Agent的仿真设计
驾驶人Agent包括行车计划智能、交通心理智能、交通法规认知智能三大模块，行车计划智能类函数Driver_ Schedule （ ） 仿真驾驶人Agent原有的行车目的、路线与方式，可以通过随机函数随意组成其行车计划；交通心理智能类函数Driver_Psy （ ） 仿真驾驶人Agent的交通心理特点，根据驾驶人的交通心理状态的特点，可分为疲劳驾驶模式、正常驾驶模式、冲动驾驶模式；交通法规认知智能Driver_Law （ ） 仿真驾驶人Agent的交通规则认知能力，能够识别交通环境中的道路、交叉路口、交通控制信号灯等设施，并根据《道路交通安全法》的要求发出指定的机动车驾驶指令；
（2）机动车Agent的设计
机动车Agent包括速度控制、转弯控制、交叉口控制四大模块，速度控制类函数Car_Speed（ ）仿真机动车行驶过程中的加减速动作的控制；转弯控制类函数Car_Rot（ ）仿真机动车的转弯运动模式；交叉口控制类函数Car_Cross（ ）则仿真了机动车在交叉路口的路径选择运动模式。
1.2.2交通信号灯Agent的仿真设计
交通信号灯是控制城市道路交通系统中行人与机动车行为的重要交通控制设施，主要负责路口交通流的控制，在虚拟现实场景中以信号灯的颜色变化的方式工作。交通信号灯Agent由信号灯系统与信号机系统两大模块组成，信号灯系统类函数Signal_Light（ ）仿真交通信号灯的非闪灯即红、绿、黄灯的转换控制，并与驾驶人Agent的交通法规认知智能Driver_Law （ ）建立通讯，使驾驶人Agent能够识别交通信号灯，并反馈相应的驾驶动作；信号机系统类函数Signal_Control（ ） 仿真交通信号灯的控制方式，包括多时段定时控制法、自适应控制法，并可根据需要在自适应控制法添加神经网络控制、模糊控制等智能算法；
1.2.3道路Agent的仿真设计
道路Agent是整个系统中最基础的交通环境智能体，类函数Road_Queuing（ ）实现对车辆Agent的感知、排队、统计的功能，当车辆Agent进入某条道路时，类函数Road_Queuing（ ）将该车赋予队列编号，加入该路的队列中，离开时，该车队列编号即被注销。
1.2.4交叉路口Agent的仿真设计
交叉路口Agent是整个系统中最核心的交通环境智能体，类函数Cross（）与车辆Agent与交通信号灯Agent各类函数发生实时通信，完成在交通信号灯Agent控制下的车辆Agent的动作，并实现车辆Agent完成道路间的位置转换；
1.2.5城市交通控制评价Agent的仿真设计
城市交通控制最重要的目标就是缓和交通拥挤、提高交通效益，也就是减少交通拥挤和堵塞现象，因此好的城市交通控制评价Agent就是衡量智能城市交通控制系统是否达到目标的关键。本系统的交通控制评价Agent包括各路段车流量评价与平均每车等待时评价。在现实世界里，长时间堵车与红绿灯等待所造成的每辆汽车的等待实际上是不可忍耐的，因此城市交通的控制者希望通过根据路段的车流量状况，调节各路段的红绿灯信号以达到平均每车等待时间最优的效果。[4]
