摘  要： 車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)的大部分工作是利用全球定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，但是全球定位系統(tǒng)存在一定誤差，且費(fèi)用較高等。為解決這些問題，提出了自動導(dǎo)航車系統(tǒng)，它是車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上的一個重要分支，是以多Agent系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。重點(diǎn)研究的是最優(yōu)路線的路徑誘導(dǎo)策略和多Agent間的通信。自動導(dǎo)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(dāng)今社會的交通壓力有一定的積極作用。
　　關(guān)鍵詞： 車輛誘導(dǎo)；自動導(dǎo)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(yùn)用各種先進(jìn)的技術(shù)手段解決交通問題的綜合系統(tǒng)。它將信息、通信控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)有效地綜合運(yùn)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(shí)時、準(zhǔn)確、高效的交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)將成為21世紀(jì)現(xiàn)代化地面交通運(yùn)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(yùn)輸進(jìn)入信息時代的重要標(biāo)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(dǎo)系統(tǒng)[2]。作為ITS的重要組成部分，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，車輛誘導(dǎo)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(dǎo)系統(tǒng)[4]，即車輛路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)，是利用全球定位系統(tǒng)(GPS)、電子交通圖、計(jì)算機(jī)和先進(jìn)的通信技術(shù)，為駕駛員找到從當(dāng)前位置到目的地的最優(yōu)行駛路線。但是GPS信號的缺點(diǎn)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(jìn)行車輛定位[3]。另外，安裝GPS裝置的費(fèi)用比較高。 
　　在發(fā)達(dá)國家車輛誘導(dǎo)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(diǎn)的車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)。雖然與大范圍的應(yīng)用還存在一些差距，但初步的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，在加強(qiáng)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(dǎo)航系統(tǒng)[8]等。
　　我國對車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)的研究起步較晚，主要的研究有：由上海交警總隊(duì)和同濟(jì)大學(xué)合作完成的多段接力式動態(tài)標(biāo)志路線引導(dǎo)系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)運(yùn)用GPS和集群通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)性指揮調(diào)度系統(tǒng)；清華大學(xué)、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(dǎo)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(chǔ)的初級誘導(dǎo)手段，基于GPS、集群通信、可變標(biāo)牌的誘導(dǎo)系統(tǒng)正處于研究和實(shí)驗(yàn)階段，而缺少對車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)全面的研究[10]。
　　為了解決車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)存在的諸多問題，本文提出了自動導(dǎo)航車AGV(Automatic Guidance Vehicles)系統(tǒng)，它是車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上的一個研究分支，以多Agent系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以多Agent間的通信來得到各種實(shí)時信息。
1 自動導(dǎo)航車系統(tǒng)
　　本文提出的自動導(dǎo)航車(AGV)系統(tǒng)是車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)基礎(chǔ)上的一個研究分支，但又有很大不同。自動導(dǎo)航車系統(tǒng)以多Agent系統(tǒng)[11]為基礎(chǔ)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，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(shí)時地進(jìn)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(shí)現(xiàn)交通流量在網(wǎng)絡(luò)中各路段上的最優(yōu)分配。
　　自動導(dǎo)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(dǎo)航車組成。指揮中心Agent將多輛AGV Agent組成1個或若干個編隊(duì)，指揮中心Agent統(tǒng)一指揮各個編隊(duì)，其中每個編隊(duì)里由1輛AGV Agent擔(dān)任組長。
　  指揮中心Agent是自動導(dǎo)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(wù)等)和動態(tài)信息(如某些駛?cè)牖蝰偝鲋笓]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(guān)信息等。動態(tài)信息即實(shí)時交通信息，由指揮中心Agent隨時與每輛AGV Agent進(jìn)行通信得到。
　  指揮中心Agent可以隨時與每輛AGV Agent進(jìn)行通信，并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)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(dǎo)航車Agent，并了解任務(wù)的完成情況及態(tài)勢信息。
　  自動導(dǎo)航車Agent可以通過定位來確定車輛當(dāng)前在網(wǎng)絡(luò)中的位置和駕駛員輸入的目的地，結(jié)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(dá)終點(diǎn)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(biāo)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(dǎo)信息，如“在前方路口左轉(zhuǎn)”等；聲音方式是通過語音轉(zhuǎn)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(dǎo)航車系統(tǒng)中，自動導(dǎo)航車Agent不僅充當(dāng)系統(tǒng)的感應(yīng)器和傳送器，在路段上感應(yīng)、收集實(shí)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(shí)時路網(wǎng)信息，并充當(dāng)誘導(dǎo)系統(tǒng)的計(jì)算單元，利用其收集的實(shí)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(dǎo)航車Agent充當(dāng)了感應(yīng)器、傳送器、計(jì)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(dǎo)航車Agent的功能有：(1)接收實(shí)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(luò)中的位置和出行者輸入的目的地，結(jié)合動態(tài)路網(wǎng)交通信息進(jìn)行動態(tài)交通分配，為駕駛員計(jì)算到達(dá)終點(diǎn)的最優(yōu)行車路徑；(5)路徑在線導(dǎo)航提示，即在車載PC的電子地圖上以顏色線標(biāo)示所建議行駛的最優(yōu)行駛路線，并通過多媒體設(shè)備在線提示。
　　自動導(dǎo)航車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有：自由瀏覽所在城市的路網(wǎng)地圖；準(zhǔn)確定位車輛和顯示車輛的實(shí)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(wù)及緊急求救信號；車輛Agent的顯示設(shè)備可以顯示最優(yōu)行車路徑；實(shí)時誘導(dǎo)行車(在行車過程中以文字或語音的形式，對前方的轉(zhuǎn)彎、行駛方向及目的地等進(jìn)行實(shí)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(dǎo)策略、搜索方式和多Agent間的通信進(jìn)行了具體的研究。
2 最優(yōu)路徑的路徑誘導(dǎo)策略及搜索方式
2.1 路徑誘導(dǎo)策略
　　路徑誘導(dǎo)是自動導(dǎo)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(luò)中的位置和駕駛員輸入的目的地，結(jié)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(dá)終點(diǎn)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(biāo)示所建議的最優(yōu)行駛路線。
    路徑誘導(dǎo)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(jī)上，基于實(shí)時交通信息進(jìn)行路徑優(yōu)化選擇，為每一個可能的車輛Agent計(jì)算出最優(yōu)或準(zhǔn)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(fù)責(zé)從車輛Agent接收實(shí)時交通信息，并將此信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的車輛Agent，車輛Agent則根據(jù)接收到的實(shí)時交通信息，結(jié)合車輛Agent存儲的有關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出最優(yōu)或準(zhǔn)最優(yōu)路徑，依次進(jìn)行路徑誘導(dǎo)。集中式路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)是一種典型的預(yù)測型誘導(dǎo)系統(tǒng)，而分布式路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)則是一種典型的反應(yīng)型誘導(dǎo)系統(tǒng)[5]。分布式路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)能提供高質(zhì)量的誘導(dǎo)信息，因此，本文中采用的是分布式路徑誘導(dǎo)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(jì)，認(rèn)為是在現(xiàn)實(shí)交通狀況與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一致的情況下的最優(yōu)路徑，而在實(shí)際交通路網(wǎng)中這種情況很難實(shí)現(xiàn)。因此，必須在此靜態(tài)路徑的基礎(chǔ)上根據(jù)路段行程時間的動態(tài)信息進(jìn)行調(diào)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(yīng)變措施。動態(tài)路徑誘導(dǎo)必須依靠車輛Agent獲得的實(shí)時交通信息進(jìn)行自主導(dǎo)航，根據(jù)車輛Agent定位信息獲取車輛當(dāng)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(shí)時動態(tài)信息在線調(diào)整路徑。
　　本文采用靜態(tài)路徑搜索和動態(tài)路徑搜索相結(jié)合的混合道路交通路徑誘導(dǎo)策略。首先，車輛Agent根據(jù)定位信息獲得車輛當(dāng)前的位置信息，其路徑誘導(dǎo)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(zhǔn)最優(yōu)路徑，并進(jìn)行路線誘導(dǎo)。在車輛行駛過程中，車輛Agent采用動態(tài)路徑誘導(dǎo)方法，根據(jù)得到的實(shí)時交通路網(wǎng)信息，得到路段行程時間的實(shí)時動態(tài)信息，并實(shí)時、局部地進(jìn)行路徑調(diào)整，引導(dǎo)車輛避開擁擠路段，以最短行程時間抵達(dá)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(shí)現(xiàn)交通流量在網(wǎng)絡(luò)中各路段上的最優(yōu)分配?；旌系缆方煌窂秸T導(dǎo)策略，以車輛獲得的實(shí)時交通信息對車輛行程時間進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果的變化進(jìn)行判斷，然后根據(jù)判斷結(jié)果在2種方式之間進(jìn)行切換，對車輛進(jìn)行動態(tài)誘導(dǎo)，引導(dǎo)車輛以最短行程時間到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。
3 系統(tǒng)中多Agent的通信
　　系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵問題就是通信[17]。多Agent之間需要進(jìn)行通信，以便相互交換信息、進(jìn)行協(xié)調(diào)或合作、完成求解任務(wù)。Agent的通信能力是其自主性的基礎(chǔ)，社會性的體現(xiàn)，是其學(xué)習(xí)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(diào)、交流、合作和競爭等活動的基礎(chǔ)。
　　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(shí)現(xiàn)知識與信息共享，以進(jìn)行交互和協(xié)商，進(jìn)而分工合作解決復(fù)雜的異構(gòu)性問題。Agent通信語言ACL(Agent Communication Language)是實(shí)現(xiàn)Agent之間通信的基礎(chǔ)和關(guān)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(diào)、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(biāo)準(zhǔn)的通信原語實(shí)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(jìn)行編碼、明確消息所包含的內(nèi)容，用相應(yīng)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(biāo)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　KQML的語言格式如下所示。
　　

　　例如，當(dāng)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(guān)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(fù)制到域中返回給Agent Server。假設(shè)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(jié)果返回給Agent Server，然后Agent Server再將結(jié)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(shí)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(dǎo)航車系統(tǒng)，是車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的一個研究分支。研究了自動導(dǎo)航車系統(tǒng)的組成，對各個部分的功能及作用進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在AGV系統(tǒng)中，路線誘導(dǎo)是非常重要的一個功能，文中對路線誘導(dǎo)的方式進(jìn)行研究，采用靜態(tài)路徑搜索和動態(tài)路徑搜索相結(jié)合的混合道路交通路徑誘導(dǎo)策略。系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵問題就是通信，文中對最常用的Agent通信語言KQML進(jìn)行了研究，并給出了系統(tǒng)中Agent間的通信語言，實(shí)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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