摘  要： 車輛誘導系統(tǒng)的大部分工作是利用全球定位系統(tǒng)來實現(xiàn)，但是全球定位系統(tǒng)存在一定誤差，且費用較高等。為解決這些問題，提出了自動導航車系統(tǒng)，它是車輛誘導系統(tǒng)基礎上的一個重要分支，是以多Agent系統(tǒng)為基礎的。重點研究的是最優(yōu)路線的路徑誘導策略和多Agent間的通信。自動導航車系統(tǒng)替代安裝全球定位系統(tǒng)，減少了其在資源利用、成本等方面的開支，對緩解當今社會的交通壓力有一定的積極作用。
　　關鍵詞： 車輛誘導；自動導航車系統(tǒng)；多Agent系統(tǒng)

    智能交通系統(tǒng)ITS[1-2](Intelligent Transportation System)是近年來興起的運用各種先進的技術手段解決交通問題的綜合系統(tǒng)。它將信息、通信控制、計算機網(wǎng)絡等高新技術有效地綜合運用于地面交通管理體系，從而建立起一種大范圍、全方位發(fā)揮作用，實時、準確、高效的交通運輸管理系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)將成為21世紀現(xiàn)代化地面交通運輸體系的模式和發(fā)展方向，使用ITS能有效地提高道路使用效率，是交通運輸進入信息時代的重要標志。ITS主要有以下2個系統(tǒng)：城市交通控制系統(tǒng)和車輛路徑誘導系統(tǒng)[2]。作為ITS的重要組成部分，隨著相關技術的成熟，車輛誘導系統(tǒng)將在未來的智能交通系統(tǒng)中扮演重要角色[3]。
　　車輛誘導系統(tǒng)[4]，即車輛路徑誘導系統(tǒng)，是利用全球定位系統(tǒng)(GPS)、電子交通圖、計算機和先進的通信技術，為駕駛員找到從當前位置到目的地的最優(yōu)行駛路線。但是GPS信號的缺點是誤差比較大，引起誤差的原因比較多，如GPS信號存在受高樓和隧道遮擋問題、無法連續(xù)地進行車輛定位[3]。另外，安裝GPS裝置的費用比較高。 
　　在發(fā)達國家車輛誘導系統(tǒng)的研究起步較早，并取得了一些比較有意義的成果。特別是美國、德國、日本已經(jīng)開發(fā)出一些各具特點的車輛誘導系統(tǒng)。雖然與大范圍的應用還存在一些差距，但初步的實驗已經(jīng)表明，在加強交通控制與管理功能方面有很大的作用。目前，研究開發(fā)比較成功的有美國的TravTek系統(tǒng)[6]、德國的Ali-Scout[7]系統(tǒng)和日本的導航系統(tǒng)[8]等。
　　我國對車輛誘導系統(tǒng)的研究起步較晚，主要的研究有：由上海交警總隊和同濟大學合作完成的多段接力式動態(tài)標志路線引導系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學運用GPS和集群通信系統(tǒng)設計的試驗性指揮調度系統(tǒng)；清華大學、北京人民廣播電臺和中科院遙感所共同研制的車輛定位導航系統(tǒng)[10]。目前處于對定位系統(tǒng)、電子地圖、雙向通信等問題的研究階段，投入使用的基本上都是以無線電廣播為基礎的初級誘導手段，基于GPS、集群通信、可變標牌的誘導系統(tǒng)正處于研究和實驗階段，而缺少對車輛誘導系統(tǒng)全面的研究[10]。
　　為了解決車輛誘導系統(tǒng)存在的諸多問題，本文提出了自動導航車AGV(Automatic Guidance Vehicles)系統(tǒng)，它是車輛誘導系統(tǒng)基礎上的一個研究分支，以多Agent系統(tǒng)為基礎，以多Agent間的通信來得到各種實時信息。
1 自動導航車系統(tǒng)
　　本文提出的自動導航車(AGV)系統(tǒng)是車輛誘導系統(tǒng)基礎上的一個研究分支，但又有很大不同。自動導航車系統(tǒng)以多Agent系統(tǒng)[11]為基礎，并結合計算機和通信技術，為駕駛員提出的目的地找到最佳路徑，并在車輛的行駛過程中實時地進行定位，以滿足駕駛員的各種需求。該系統(tǒng)能夠有效地防止交通阻塞的發(fā)生，減少車輛在道路上的逗留時間，并最終實現(xiàn)交通流量在網(wǎng)絡中各路段上的最優(yōu)分配。
　　自動導航車系統(tǒng)由指揮中心Agent[12]與多輛安裝有Agent系統(tǒng)的自動導航車組成。指揮中心Agent將多輛AGV Agent組成1個或若干個編隊，指揮中心Agent統(tǒng)一指揮各個編隊，其中每個編隊里由1輛AGV Agent擔任組長。
　  指揮中心Agent是自動導航車系統(tǒng)的核心，對整個系統(tǒng)有全局控制的作用。指揮中心Agent的一個重要的部分是知識庫，包含各個AGV Agent的基本信息和路網(wǎng)信息。基本信息包括靜態(tài)信息(如名字、地址、接口和提供的服務等)和動態(tài)信息(如某些駛入或駛出指揮中心Agent域范圍的AGV Agent的信息)； 路網(wǎng)信息也有2種形式：靜態(tài)信息和動態(tài)信息。靜態(tài)信息包含的是指揮中心域范圍內(nèi)的所有的道路信息，即路網(wǎng)信息、信號燈信息、立交橋相關信息等。動態(tài)信息即實時交通信息，由指揮中心Agent隨時與每輛AGV Agent進行通信得到。
　  指揮中心Agent可以隨時與每輛AGV Agent進行通信，并對得到的數(shù)據(jù)進行融合而得到動態(tài)路網(wǎng)交通信息，如交通事故、因施工而關閉的道路情況等信息，指揮中心Agent將這些交通信息傳送給自動導航車Agent，并了解任務的完成情況及態(tài)勢信息。
　  自動導航車Agent可以通過定位來確定車輛當前在網(wǎng)絡中的位置和駕駛員輸入的目的地，結合動態(tài)路網(wǎng)交通信息，為駕駛員提供能夠避免擁擠、減少延誤、快速到達終點的最優(yōu)行車路線，在屏幕上顯示出車輛行駛前方的交通狀況，并以顏色線來標示所建議的最優(yōu)路徑。所得到的最優(yōu)路徑隨駕駛員需求的不同而不同，既可以是路程最短的路徑，也可以是時間最短的路徑。最優(yōu)路徑的提示可以有3種方式：文本方式、聲音方式、圖形方式。其中，文本方式是在顯示器上用文字顯示誘導信息，如“在前方路口左轉”等；聲音方式是通過語音轉換和語音合成單元將文本信息以聲音的形式輸出，這是一種最直接方式；圖形方式是在電子地圖上用特殊顏色的連線表示出最優(yōu)路徑信息，這是一種常見的比較直觀的屏幕輸出形式。
　　在自動導航車系統(tǒng)中，自動導航車Agent不僅充當系統(tǒng)的感應器和傳送器，在路段上感應、收集實時交通信息并向指揮中心Agent傳送。同時，作為系統(tǒng)的接收器，接收由指揮中心Agent傳送的實時路網(wǎng)信息，并充當誘導系統(tǒng)的計算單元，利用其收集的實時的局部交通信息，修正生成的最優(yōu)路徑。在AGV系統(tǒng)中，自動導航車Agent充當了感應器、傳送器、計算單元和用戶的多重角色，發(fā)揮了極其重要的作用。
　　自動導航車Agent的功能有：(1)接收實時交通信息數(shù)據(jù)；(2)定位；(3)顯示交通信息，即用不同的顏色表示各不同路段的交通擁擠情況；(4)路徑選擇，即依據(jù)車輛定位所確定的車輛在網(wǎng)絡中的位置和出行者輸入的目的地，結合動態(tài)路網(wǎng)交通信息進行動態(tài)交通分配，為駕駛員計算到達終點的最優(yōu)行車路徑；(5)路徑在線導航提示，即在車載PC的電子地圖上以顏色線標示所建議行駛的最優(yōu)行駛路線，并通過多媒體設備在線提示。
　　自動導航車系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有：自由瀏覽所在城市的路網(wǎng)地圖；準確定位車輛和顯示車輛的實時位置；車輛Agent向指揮中心Agent發(fā)送位置和行駛軌跡數(shù)據(jù)；車輛Agent可向指揮中心Agent發(fā)送請求服務及緊急求救信號；車輛Agent的顯示設備可以顯示最優(yōu)行車路徑；實時誘導行車(在行車過程中以文字或語音的形式，對前方的轉彎、行駛方向及目的地等進行實時的提示)；指揮中心Agent接收車輛Agent發(fā)送來的各種數(shù)據(jù)；指揮中心Agent向入網(wǎng)車輛Agent發(fā)送交通路況信息等；指揮中心Agent對單車或集群車輛Agent的跟蹤、監(jiān)控；信息查詢，即能夠查到入網(wǎng)車輛的型號、檔案、駕駛員姓名等用戶資料。
　　由于篇幅有限，本文僅對系統(tǒng)中較重要的路徑誘導策略、搜索方式和多Agent間的通信進行了具體的研究。
2 最優(yōu)路徑的路徑誘導策略及搜索方式
2.1 路徑誘導策略
　　路徑誘導是自動導航車系統(tǒng)的重要功能之一。其作用是依據(jù)車輛Agent定位所確定的車輛在網(wǎng)絡中的位置和駕駛員輸入的目的地，結合車輛Agent采集動態(tài)交通信息與中心Agent知識庫中的路網(wǎng)交通信息，為駕駛員提供能夠避免擁擠、減少延誤、快速到達終點的行車路線，在車輛的屏幕上顯示出車輛行駛前方的交通狀況，并以箭頭標示所建議的最優(yōu)行駛路線。
    路徑誘導系統(tǒng)可分為集中式和分布式[13]。集中式是在交通信息中心Agent的主機上，基于實時交通信息進行路徑優(yōu)化選擇，為每一個可能的車輛Agent計算出最優(yōu)或準最優(yōu)路線，然后通過Agent間的信息交換將最優(yōu)路徑提供給用戶；而分布式則是信息中心Agent負責從車輛Agent接收實時交通信息，并將此信息發(fā)送給網(wǎng)絡中的車輛Agent，車輛Agent則根據(jù)接收到的實時交通信息，結合車輛Agent存儲的有關數(shù)據(jù)，計算出最優(yōu)或準最優(yōu)路徑，依次進行路徑誘導。集中式路徑誘導系統(tǒng)是一種典型的預測型誘導系統(tǒng)，而分布式路徑誘導系統(tǒng)則是一種典型的反應型誘導系統(tǒng)[5]。分布式路徑誘導系統(tǒng)能提供高質量的誘導信息，因此，本文中采用的是分布式路徑誘導系統(tǒng)，其功能框圖如圖1所示。

2.2 最優(yōu)路徑的搜索方式
　　車輛Agent對最優(yōu)路徑的搜索方法有靜態(tài)路徑搜索和動態(tài)路徑搜索2種方法[14]。靜態(tài)路徑搜索策略的依據(jù)是從路段的歷史信息中得到的統(tǒng)計，認為是在現(xiàn)實交通狀況與統(tǒng)計數(shù)據(jù)一致的情況下的最優(yōu)路徑，而在實際交通路網(wǎng)中這種情況很難實現(xiàn)。因此，必須在此靜態(tài)路徑的基礎上根據(jù)路段行程時間的動態(tài)信息進行調整，靜態(tài)最優(yōu)路徑對于交通情況的變化或者突發(fā)事件(如交通事故等)缺乏有效的應變措施。動態(tài)路徑誘導必須依靠車輛Agent獲得的實時交通信息進行自主導航，根據(jù)車輛Agent定位信息獲取車輛當前的位置信息，并在車輛行駛過程中，根據(jù)路段行程時間的實時動態(tài)信息在線調整路徑。
　　本文采用靜態(tài)路徑搜索和動態(tài)路徑搜索相結合的混合道路交通路徑誘導策略。首先，車輛Agent根據(jù)定位信息獲得車輛當前的位置信息，其路徑誘導模塊先采用靜態(tài)路徑搜索方法，從交通狀況的歷史數(shù)據(jù)庫或者地理信息數(shù)據(jù)庫等靜態(tài)信息中得到最優(yōu)或準最優(yōu)路徑，并進行路線誘導。在車輛行駛過程中，車輛Agent采用動態(tài)路徑誘導方法，根據(jù)得到的實時交通路網(wǎng)信息，得到路段行程時間的實時動態(tài)信息，并實時、局部地進行路徑調整，引導車輛避開擁擠路段，以最短行程時間抵達目的地。該策略能夠有效地防止交通阻塞的發(fā)生，減少車輛在道路上的逗留時間，并最終實現(xiàn)交通流量在網(wǎng)絡中各路段上的最優(yōu)分配。混合道路交通路徑誘導策略，以車輛獲得的實時交通信息對車輛行程時間進行預測，根據(jù)預測結果的變化進行判斷，然后根據(jù)判斷結果在2種方式之間進行切換，對車輛進行動態(tài)誘導，引導車輛以最短行程時間到達目標點。
3 系統(tǒng)中多Agent的通信
　　系統(tǒng)中的一個關鍵問題就是通信[17]。多Agent之間需要進行通信，以便相互交換信息、進行協(xié)調或合作、完成求解任務。Agent的通信能力是其自主性的基礎，社會性的體現(xiàn)，是其學習能力的工具和智能性的外在表現(xiàn)。Agent的通信是它與其環(huán)境(指它所生存的系統(tǒng))，包括其他Agent協(xié)調、交流、合作和競爭等活動的基礎。
　　多Agent系統(tǒng)內(nèi)部或不同多Agent系統(tǒng)之間的各個Agent必須通過通信來實現(xiàn)知識與信息共享，以進行交互和協(xié)商，進而分工合作解決復雜的異構性問題。Agent通信語言ACL(Agent Communication Language)是實現(xiàn)Agent之間通信的基礎和關鍵。
　　Agent的基本交互模式[16]如圖2所示。

    ACL是專用于支持多Agent系統(tǒng)的協(xié)調、協(xié)商、信息傳遞和合作等活動的通信命令高級語言。知識查詢及操作語言KQML(Knowledge Query and Manipulation Language)是目前最主要的Agent通信語言之一。KQML是一種交換知識和信息的描述性語言，它定義了Agent間傳遞消息的格式和消息處理的協(xié)議，通過提供一套標準的通信原語實現(xiàn)Agent間信息的交流和知識的共享。它既是一種Agent間消息的表示格式，也是一種處理消息的協(xié)議。
　　KQML分為內(nèi)容層、消息層和通信層等3個層次。內(nèi)容層以KIF(Knowledge Interchange Format)為語法對需要傳輸?shù)闹R進行編碼、明確消息所包含的內(nèi)容，用相應的程序語言表示；消息層是KQML的核心，包括行為類型、資格等，其中行為類型主要從言語行為(Speech Acts)理論演化而來，該層的基本功能是確定消息傳遞時所使用的協(xié)議、動作或原語(如判斷、查詢、命令，或是一組已知的原語)，主要明確通信原語和知識表述語言以及使用的本體；通信層包括底層的通信參數(shù)，如消息的發(fā)送者、接收者、唯一標識、同步等。KQML語言已成為一種比較成熟的Agent通信語言。KQML的層次結構如圖3所示。

　　KQML的語言格式如下所示。
　　

　　例如，當車輛Agent C1想要查詢道路R1的路況信息，向指揮中心Agent Server發(fā)送一個查詢的消息，其具體消息如下：
　　

　　Agent Server收到消息后派遣一個查詢Agent到知識庫中執(zhí)行查詢操作：rd(“road”，“ R1”，?status，?length)。如果知識庫中沒有關于R1的信息，則該Agent一直等待，直到元組空間出現(xiàn)一個匹配的元組，然后把它復制到域中返回給Agent Server。假設元組空間中有一個road name為R1的元組：
　　<“road”， R1， free， 520>
　　則rd操作得到了一個匹配的元組，它把結果返回給Agent Server，然后Agent Server再將結果發(fā)送給Agent C1，其消息如下：
　　(tell
         ：sender   Agent Server
         ：receiver  Agent C1
         ：in_reply_to  Agent C1id1
         ：language  KQML
         ：content  [<“road”， R1，free，520>])
　　以上過程實現(xiàn)了從車輛Agent到Agent server再到知識庫的通信。
　　本文提出的自動導航車系統(tǒng)，是車輛誘導系統(tǒng)的基礎上的一個研究分支。研究了自動導航車系統(tǒng)的組成，對各個部分的功能及作用進行了詳細的研究。在AGV系統(tǒng)中，路線誘導是非常重要的一個功能，文中對路線誘導的方式進行研究，采用靜態(tài)路徑搜索和動態(tài)路徑搜索相結合的混合道路交通路徑誘導策略。系統(tǒng)中的一個關鍵問題就是通信，文中對最常用的Agent通信語言KQML進行了研究，并給出了系統(tǒng)中Agent間的通信語言，實現(xiàn)了車輛Agent、指揮中心Agent、好友車輛Agent之間的相互通信。
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