____一、引言
____随着经济的高速发展和全球化进程的加速,交通运输的压力越来越大,对其有效控制和管理已成为政府和公众所关注的大问题。
____交通管理是全局性的,对实时性要求很高,安全问题尤为突出。对公路交通来说,公路管理人员和司机通常很难立即得到沿途的路面情况和事故信息,公路管理人员常常在交通事故发生几小时后,甚至已解决完毕,才能将信息通过人工方式提供给司机。目前世界上一些国家的交通管理部门都在应用先进的实时智能交通系统(ITS)来有效地减轻管理人员的负担。
____实时智能系统可将大量的实时控制过程和管理层数据转变为智能系统的信息,并且按照专家的方式去处理这些信息。ITS就是通过分析和控制复杂的交通信息,帮助管理人员为司机提供秒级的最新交通状况。在欧美一些地区,ITS已在公路、铁路、港口、航空等许多领域得到应用。
____二、ITS在交通运输中的应用
____目前在国外,ITS已经在公路管理、铁路(地铁)运输及港口、船运、机场等方面发挥了很大的作用。像欧美、南非、亚洲等国家以及IBM、西门子等大公司都已在使用实时I TS,并获得了可观的效益。下表列出了实时ITS在一些国家的应用。
表1 实时ITS在一些国家的应用
____在公路交通方面,实时ITS可以解决交通状况的模拟、监测和控制,以及操作员决策支持、事故处理管理和乘客信息管理等。瑞士的Neuchatel城不仅以美丽的湖泊闻名于世, 其交通拥塞也令人生畏。大约10年前,他们建立了新的环城公路。这一工程全长约34公里 ,其中包括两条各长7公里左右的遂道和大量的监测、引导设施,有900多个红绿灯和650个左右可变信息牌,共有约2800个数据点。其市区车流量大,公路上下坡路段多,隧道状况非常复杂,这些都很容易引起交通事故。
____面对这一棘手的问题,他们决定采用ITS进行控制管理。首先建立了完整的信号灯、传感器、信息指示电子系统,同时建立了交通管理中心,并开发了基于G2平台的智能交通系统。
____首先要根据不同的资源建立模型。这主要是根据有经验的操作员处理交通行为的经验知识以及交通干线的结构、操作程序、安全法规和特殊的政府规定等,建立事件特殊反应知识库。然后,根据知识库进行推理,为操作员在紧急情况下提出控制策略和建议。这样,操作员仅通过简单的鼠标按动就可以及时地对事故作出反应,完成某些路段的关闭或通行信号设置,同时监测驶入隧道车辆的速度,提示警告信息,并在交通情况变化时及时清除这些信号。这可能需要在几分钟内完成成百上千个信号灯、信号牌的设置,而且不允许有丝毫的差错,因为任何一个小差错,如忘了在隧道口提示关闭标志"X",都可能造成无法挽回的后果。
____在Neuchatel城交通管理系统中,当操作员接到事故信息后(由紧急事故小组从公路上传来),利用鼠标点出发生事故的路段,实时ITS就会根据数据知识库和安全规则等计算出哪个路段禁行(红灯)、如何疏导交通(绿灯)、在信息牌上显示目前的限速或警告信息、哪些红绿灯应随之改变等。当操作员按下确定键后,系统就可以自动执行这些控制步骤, 将信号直接发给沿途的红绿灯及信息牌。实时ITS的实时处理能力能使事故瞬时得到处理。
____实时ITS在交通网络的基础结构和铁路与地铁的管理中也发挥着重要的作用。在车站内,实时ITS应用于设施管理,如安全、车费管理、自动电梯、乘客信息管理及紧急事件处理。另外一个重要的应用方面是车辆的计划和调度,如火车行驶计划和调度优化。
____西门子公司在G2上开发了铁路调度派谴实时专家系统。假设在一个不熟悉的城市中寻找路线,一种方法是花上几周时间来记住所有的街道,另一种方法是用已有的知识去看地图。传统的计算机程序是按前种方式工作的,基于知识的专家系统(KBES)则采取后一种方式。基于知识的专家系统是保存各种技术的仓库,无论是在常见的还是罕见的事故中, 都能为操作员提供足够、恰当的信息,帮助他们更快和更好地采取相应措施。操作员还可通过查询这些知识来学习操作管理过程。
____此外,香港地铁于1995年开始采用基于G2的实时交通智能系统进行车站设备监控,并为操作员提供决策支持,帮助操作员少犯或不犯错误,尤其能减轻他们处理紧急情况的压力,使交通管理更安全、有效。
____在船运方面,对运输过程中的稳定平衡以及装卸货物的顺序、位置等都有很高的要求 ,因此,应用ITS优化货物的装卸方式是很重要的,同时还可以提高码头、港口的运作能力。南非的开普顿港利用G2研究集装箱码头的吞吐能力,并通过模型仿真提出了码头扩充的最佳方式,仅此一项就节约了300万～2000万美元的项目经费。同样,在机场方面也存在着类似问题。例如解决货物的装卸和移动方式、提高后勤操作、集装箱管理、乘客信息管理及通道管理等。
____近几年来,航空领域竞争日趋白热化,为增强竞争力,采用先进的智能化管理信息系统是大势所趋。
____三、ITS系统结构
____列车派遣是铁路交通管理中连接长期计划与实时实施的纽带,是一个典型的ITS系统。其主要任务就是一旦实际情况发生变化,应尽可能地按照列车时刻表的时间进行调整。其中最常见的变化就是增加临时列车、某些设备如铁轨等出现问题、火车晚点等情况发生。实时列车专家系统利用现代软件技术,当发生偏离列车调度的情况时,可通过计算机辅助的派遣系统检测出冲突所在,并为操作员提供支持,也可由系统自动处理冲突情况。实时智能系统软件使该系统设计灵活,并可方便地利用专家知识,优化处理意外情况。
____实时智能列车派遣系统基于冲突的自动检测和处理,其结构如下图所示。
图基于冲突的调度派遣系统结构
____1.冲突检测
____冲突是指两列火车同时使用同一资源或运行时间与时刻表发生偏离。比如,两列列车同时占用同一轨道、列车追尾、轨道维护时须占用部分轨道或列车调度发生冲突等。冲突检测是由自动列车跟踪系统触发的,利用预测时间表可以检测到未来1～2小时的冲突情况,时间表是基于已有的时刻表,并根据实际列车运行情况进行修正得到的。修正时间是通过模拟方法,利用列车实际驱动能力、列车重量、限速等因素计算出来的,因而相对于传统方式有明显的优势。
____2.冲突处理
____对每种冲突都有一系列解决方案。在很多情况下,将基本的解决方法,如超车、减速或错车等相结合,对解决冲突是十分有效的。在决策之前要考虑具体问题,看其是否受到硬件设施的约束,如超车时是否有边轨可以使用、边轨的长度是否够用、错车路线是否畅通以及是否出现死锁等。这就要求有十分具体的数据模型,对实际的列车运行进行模拟。处理大量的数据需用一定的计算时间,同时,由于这种系统主要应用于交通繁忙的主干线或客、货车不分线的情况,且预测的时间范围较宽(30～60分钟),因此,要尽量缩短计算时间和反应时间。为此,可利用专家知识和实时技术。
____解决冲突主要分三步:
____(1)计算所有可能的方案,并检查是否与硬件设施等情况发生冲突。
____(2)根据规则库选择一个或几个已确认的解决方案,并为操作员列出最终选择。这些选择必须符合软约束,并且是在考虑到下一步可能带来的冲突的基础上进行的。基于这一点,系统给出的是经过肯定的最佳方案。
____(3)将所选方案以时间、距离图的形式显示,并传给自动线路设置设备。
____规则库中专家知识规则是以自然语言表示的,如
____If
____the type of conflict is "track occupation in the same direction"
____and
____train 2 is faster than train 1
____Then
____let train 2 pass train 1 at the first station before the conflict,which has a situation side track, currently not being reserved.
____这些规则被分成不同的组,每个组的级别可以由操作人员进行调整。通过全图形化用户界面,操作人员可以监测列车的行驶情况及冲突处理情况。
____目前,这个实时ITS正应用在德国交通繁忙的西南货运主干线上。与人工派遣比较,利用这一系统减少了10%～40%的火车延误现象,另外,交通质量也大大提高了。
____四、开发工具
____开发出基于规则的系统和工具要花费很长的时间。据有关部门统计,其开发费用相当昂贵,而结果却不如一些人工智能商业软件。面对实时性和智能技术的要求,选择何种实时智能开发平台便显得十分重要。目前,智能(专家)系统应用效果不理想的主要因素是缺乏有经验的程序员,这意味着程序员要有交通管理和专家系统两类经验,而具有这两种经验的人员当然很少。
____随着人工智能技术的发展,神经网络模糊逻辑及专家系统等技术日趋成熟,并逐步走向应用。美国Gensym公司将这几种人工智能技术天衣无缝地结合起来,利用并发式实时功能,使实时人工智能技术可以有效地解决很多实际问题,并广泛应用于过程监控、计划调度、系统优化等,尤其在交通运输行业得到了广泛的应用。将这种实时智能系统软件与实时监测和控制设备相连接,就可以迅速地完成设备自动化和复杂交通问题的管理。同时, 基于G2的调度工具使开发计划调度系统在优化交通和货物运输方面更为方便快捷。Gens ym的G2系统将多种先进软件技术集成起来,使人们从专家系统的编程规则中解脱出来。
____Gensym的G2实时智能系统软件使交通运输工程师们可以快速方便地建立实时智能交通系统。假若使用传统的软件技术(如C、C++等)开发这样的应用系统,其困难、费用及花费的时间都是不可想象的。
____实时智能系统作为实时ITS的神经中枢,使公路、铁路、港口及机场等交通运输业获益匪浅,不仅提高了效益,增加了安全性,还有效地优化了交通和货物分布。因此,在世界范围内普及实时ITS已是大势所趋。目前,我国在这方面的研究也已起步,正逐步开展对I TS的研究和试验。