基于交通管理决策支持的模糊专家系统研究

1、基于交通管理决策支持的模糊专家系统研究摘要在人工智能和知识项目的研究和开发中，专家系统是最为活泼的一个分支领域，在工业、农业、医疗、商业、管理、以及军事方面等领域中，已经研制和开发了许多卓有功效的专家系统，取得了巨大的经济效益和社会效益。专家系统大量利用专业知识以解决只有专家才能解决的问题。专家是一个在特定领域里具有专门知识的人。专家能够解决大多数人所不能解决或是不能高效地(而不是低劣地)解决的问题。当专家系统在20世纪70年代最初发展起来时，专家系统特指包含专家知识。然而"专家系统"这一术语在今天适用于任何应用专家系统技术的系统。专家系统技术包括专门的专家系统语言、程序和

2、为了辅助专家系统观点而得到的。此外，专家系统还可协调多个专家的不同意见。在交通管理领域同样在实践和研究领域都有很多专家，他们掌握了丰盛的管理与控制经验，如果能把他们的领域知识做成专家系统，那么让全国的交通管理都受益无穷。交通信息分析与处理是实匣通管理信息化、集成化、智能化的根底，也是智能化交通管理信息系统的根底，在交通管控中具有不可无视的作用。课题介绍了交通信息处理的重要性以及国内外交通信息系统的研究，课题重点研究将含糊理论应用于交通信息分析与处理，从根底交通信息挖掘出更有用更直观的交通信息为出行者和管理者提供辅助决策支持。课题将含糊理论应用于交通信息处理的4个层面，即交通流量预测、交通状态判

3、别、网络交通流均衡控制、专家系统等。课题应用含糊线性回归模板进行交通流量的预测，为交通控制和交通流诱导等交通管理提供预测型信息。基于含糊综合评判理论，提出根据路线和路口的3个交通参数进行交通状态判别，从而提供应出行者宏观的交通运行状况。针对交通管理者从系统的角度诱导均衡网络交通流的目的，文章首次提出应用含糊控制的办法进行交通流均衡分配，将路段的拥挤程度含糊化，根据设定的含糊控制规那么和专家经验，给出流量均衡诱导的策略。课题最后还提出了面向交通管理决策支持的含糊专家系统(FES-TDS)，分析了FES-TDS的根本功能，构建了FES-TDS的框架结构，并阐述了知识库、数据库、推理机的设计，为进一

4、步实施打下根底。2、内容选题的国内外研究现状及水平、研究目标及意义以及主要参考文献2.1交通信息化的意义及必要性信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选题。坚持以信息化带开工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源耗费低、环境污染少、人力资源优势得到充沛发挥的新型工业化路子。交通作为国民经济根底性产业，大力推进信息化，对于实匣通新的跨越式发展具有十分重要的意义。信息化是实匣通现代化的必然选题。交通信息化的内涵主要包括下列五个领域：一是交通政务信息化；二是交通根底设施建设与管理信息化；三是交通运输生产管理信息化；四是交通产品营销信息化；五是交通科学技术信息化。交通信息化建

5、设通过将计算机技术、现代通信技术和现代控制技术等高新电子信息技术的有效集成，已经在勘察设计、项目施工、交通平安、环境监控、船舶自动化等诸多方面取得了可喜的技术成果，在信息根底设施建设方面初步构建了交通信息化网络的根本骨架，在交通信息资源开发利用方面建设了一批信息应用和管理系统。目前国内外特别关注的智能交通系统ITS，其核心就是交通管理数字信息化。国外先进的交通管理系统无一不是建立在全面综合的交通信息分析处理之上。国内，"十五"国家科技攻关重大工程开展了根底交通信息采集与融合技术、在示范城市建立交通共用信息平台、开发车载诱导装置等都是重视交通信息化的举措。据报道:"

6、十一五"期间，"交通科技将大力开发应用交通信息化技术、运输管理技术、交通平安技术和环保技术，加强交通决策支持研究和先进适用技术的推广应用"，取得一批拥有自主知识产权和具有世界当先水平的科技成果，全面提升公路水路交通的科技含量，促进交通事业快速发展。从国内外的交通管理来看，数字信息化交通管理是必然趋势，研究高性能、强鲁棒性的信息处理技术是实现智能化、信息化、现代化交通管理的根底。2.2国内外智能化交通信息系统发展交通信息化应从哪里开始？建立互联互通的智能化交通信息系统应该是重中之重。智能化综合交通信息系统平台就是交通信息的整合与共享的场所。日本、美国、欧洲从90年代

7、开始都陆续开展了智能化交通信息系统AdvancedTrafficInforamtionSystem,ATIS的研究与实施。目前日本在ATIS的实际部署方面处于国际当先地位。示例：日本的城市交通控制系统UrbanTrafficControlSystem,UTCS已经将先进的车载导航和诱导系统安装在新款汽车上；便宜高效的道路车辆信息通信系统VehicleInformation&CommunicationSystem，VICS在1996年已经开始市场运营,目前已经有1000万辆车安装了车载信息装置。VICS系统是日本ATIS的核心，它由道路上的交通流检测器和车辆上的发射天线将动态交通信息传输

8、给信息中心，信息中心经过标准化处理后利用FM多重放送等伎俩将多种诱导信息再发送给车辆，结合车载GPS接收机的定位功能，从而辅助驾驶员选题最正确行驶路线，疏散交通流量，将整个交通状况向理想的状态引导，使交通顺畅和平安。VICS系统中交通信息采用三种办法由中心发送到给驾驶员的车载装置。这三种办法分别是：1道路管理者设置运用的无线电信标，在高速公路上每隔2-4km设置一个无线电信标；2公安委员会设置运用的光红外线信标；3采用广域信息的FM多频播送方式的信息传播。目前销售的汽车导航系统中几乎所有机型都具备与VICS相对应的系统扩展功能，只要将所选设备与天线、感光器接通就可接收信号。1996年4月VIC

9、S系统开始在首都圈、接着在关西圈、中京圈和城市间高速公路上实施，这在世界上也是首次实现了真正的ITS的实例，引起了世界的瞩目。欧洲的DRIVE欧洲汽车平安专用道路设施，DedicatedRoadInfrastructureforVehicleSafetyinEurope工程，其核心是交通效率与平安蜂窝式通信系统SOCRATES(SystemofCellular,RadioforTrafficEfficiencyandSafety)，它是一种有效发挥传统的蜂窝无线 根底设施(地面站)的作用，使交通控制中心与行驶中的车辆进行双向通信的系统，SOCRATES的下行线路可通过"播送方式&qu

10、ot;向行驶在各种地面站网络内的装有SOCRATES车载装置的车辆，提供道路交通状况的详细信息。这些信息可与存储在车载导航计算机中的数据连接，并可用于驾驶员最正确路线的计算。上行线路利用多频存取协议经过基地台向交通控制中心发送信息，通常主要用于通报行程时间、紧急事件信息等。因此，多数车辆可利用SOCRATES而不会给蜂窝式移动 系统的能力带来影响。美国的GCMGATEWAY旅行信息系统获得2008年ITS用户组最正确提名奖，它是美国运输部USDOT,UnitedStatesDepartmentOfTransportation资助的旨在提升地面运输多式联运效率的四个国家工程之一，GCMGATEW

11、AY覆盖到伊利诺州、印第安纳和威斯康星州的超过2500平方公里土地和1000万人口的范围。GCMGATEWAY的主要功能是收集、处理和发布旅行时间、道路建设和维护、交通事故、天气状况以及其他运输系统所波及的信息等等，所有的信息面向用户实时提供，用户可以在互联网上方便访问。信息通过GATEWAY的交换，同时提供应政府组织、运输效劳运营者以及其他的公共旅行信息机构。在系统网络结构上，GCMGATEWAY采用混合型分布式配置，其通过位于三个地区的三个交换网关进行互联，中心网关位于芝加哥运输部的交通通信中心，在每个网关之下，带有GCMGATEWAY分为数据采集、中心处理和数据发布三大局部，数据采集采集

12、的伎俩多样，包括网上交换、传真等。GCMGATEWAY的特色是其实时性、公共性和开题的技术规范。GCMGATEWAY通过多个具有扩展数据计算能力、通信能力和数据存储能力的效劳器、客户机与网关组成的群组，到达了实时信息收集、处理和海量存储、宽带访问的能力，由此向用户提供了一个复杂的、集成的、多模式的运输信息和管理系统，满足了覆盖GCMGATEWAY走廊范围的公众、旅行者、运营者和相关管理机构的需要。2.3含糊理论在交通信息分析处理中的研究现状含糊理论是在美国加州大学伯克利分校电气项目系的L.A.zadeh教授于1965年创建的含糊汇合理论的数学根底上发展起来的，主要包括含糊汇合理论、含糊逻辑、含

13、糊推理和含糊控制等方面的内容。早在20世纪20年代,驰名的哲学家和数学家B.Russell就写出了有关"模糊性"的论文。他认为所有的自然语言均是含糊的，比方"红的"和"老的"等概念没有明确的内涵和外延，因而是不明确的和含糊的。可是,在特定的环境中，人们用这些概念来描述某个具体对象时却又能心领神会，很少引起误解和歧义。美国加州大学的L.A.Zadeh教授在1965年发表了驰名的论文，文中首次提出叙述事物含糊性的重要概念：隶属函数，从而突破了19世纪末笛卡尔的经典汇合理论，奠定含糊理论的根底。1966年，P.N.Marinos发表含糊逻辑

14、的研究报告。1974年，L.A.Zadeh发表含糊推理的研究报告。从此，含糊理论成了一个热门的课题。1974年，英国的E.H.Mamdani首次用含糊逻辑和含糊推理实现了世界上第一个实验性的蒸汽机控制，并取得了比传统的直接数字控制算法更好的效果，从而宣告含糊控制的诞生。1980年丹麦的L.P.Holmblad和Ostergard在水泥窑炉采用含糊控制并取得了成功，这是第一个商业化的有实际意义的含糊控制器。含糊理论从发展以来已经被广泛应用于各个领域，含糊理论的主要办法，如含糊预测，含糊评判、尤其是含糊控制被应用于许多领域的具体研究上，在交通中，含糊理论也被用在交通运行评判、交叉口控制等系统中。五

15、邑大学刘智勇等提出含糊神经网络控制用于城市交通大系统递阶控制，其根本思想是把交通干线作为一个大系统问题,子系统为干线上的各交叉口，用一含糊神经网络在线调整各方向的绿信比；而协调器那么利用测得的交通量数据用含糊神经网络办法确定干线上的信号周期和各交叉口之间的相位差。协调器和子系统的目标均为使交叉口前的平均排队长度最小。华南理工大学尹宏宾，徐建闽等提出基于含糊神经网络的信号交叉口交通量预测，该模板的主要特点是交叉口交通量变化的规律可以利用含糊神经网络在线学习得到，因此该模板具有计算简单，能够不断积累经验的优点。通过仿真算例研究了该模板的实用性。吉林大学徐丽群，蒋馥将含糊控制原理用于研究城市交通流诱

16、导系统和控制系统一体化，通过改变路段进口绿灯时间，实匣通流诱导控制。武汉理工大学杨勇虎，钟骏杰等研究了基于含糊数据挖掘技术的交通量预测，该算法可以解决采集的数据多，系统复杂等问题。北京交通大学秀媛，达庆东等对在城市公共交通运营管理中人机结合的智能化管理开发中应用含糊控制理论进行了研究，分析了公共交通中长期传统的人为调度模式，如长趟、区间、甩车等形式进行含糊语言描述，从而可以对车流动态信息采用含糊控制规那么与运算规那么进行描述，得出相应确实定调度模式，为实现人为、经验调度向人机结合的调度模式过渡提供一种参考办法。吉林大学初连禹，杨兆升提出基于对我国城市交通流的特性分析，提出了一种基于含糊神经网络

17、的实时路段行程时间估计模板，用于将从而为交通流诱导效劳。这种办法用具有更高智能的神经网络实现了对抽象含糊规那么的自动纠错的记忆，合乎人类认识的模式，能令人称心地叙述经验知识，而且含糊输入输出关系具有了明确的叙述能力。福建林学院丁艺应用含糊评判法评价高速公路交通平安，着重以"人、车、路"中的"路"对交通平安的影响进行含糊综合评价，先建立评价指标体系，用层次分析法确定判断矩阵；再用建立起来的含糊评价模板得到交通平安性评价结果。据其结果，可以采取不同的平安措施，提高道路交通系统的平安性。华南理工大学温惠英，尹宏宾等提出一种信号交叉口含糊交通控制办法，给出了该控

18、制办法的结构、含糊控制规那么以及仿真计算比照结果。结果说明：计算过程简单，控制效果优于定时控制办法，并且在交通量较大时，还优于感应控制办法。北京工业大学石志刚研究了基于含糊控制和遗传算法优化的城市快速路匝道控制，根据快速路交通系统时变、随机、复杂等特点，指出智能控制才是解决快速路交通问题的有效途径。针对快速路交通系统无法得到精确数学模板、具有不确定因素、是复杂的非线性系统的特点，选题含糊控制器对快速路匝道进行控制，设计以匝道处快速路上游交通流量和匝道路段平均密度为输入量，匝道调节率为输出量的含糊控制器。在一定交通条件下取得良好的控制效果，并采用遗传算法来优化含糊控制隶属函数参数，使在交通状况发

19、生变化较大的情况下，依旧能产生较好的控制效果。从以上文献可以归纳出，含糊理论在交通中的应用主要概括为下列几个方面：1交叉口或者路段的交通流预测2交叉口或者快速路匝道的信号控制3交通状态判别4公共交通运营调度2.4本课题的研究目的和意义本课题针对交通信息处理在智能化交通信息系统中的重要作用，重点研究含糊理论在交通信息处理中的应用技术，课题从信息处理的4个层面分别采用不同的含糊理论模板技术进行研究，即交通流量预测、交通状态判别、网络动态交通流均衡控制以及最后的含糊专家决策支持系统的设计。其宏观意义在于：1充辐行交通数据分析；2深度挖掘采集的根底交通数据，得到对交通诱导和控制等交通管理直接作用的辅助

20、决策信息。具体体现在：1运用含糊线性回归建立了交通流量的预测模板，预测的流量为交通控制和交通流诱导效劳，防止使用滞后的交通数据而作出不合理的管理策略。2采用多因素综合评判办法挖掘交通状态，采用3个交通参数：路段平均行车速度、占有率、信号交叉口平均每车停车延误，去融合评判出四种城市道路交通状态，得到宏观易理解接受的交通信息，通过发布给出行者辅助他们出行。3将含糊控制理论应用于城市网络交通流均衡处理中，克服了传统均衡流模板约束条件苛刻，难以求解和项目应用等问题，可以为实时交通分析和城市交通流诱导的决策依据。4构建了面向交通管理决策支持的含糊专家系统，将交通领域的专家知识与含糊理论相结合，进一步提升

21、交通管理的智能化、人文化、信息化。2.5本课题的研究内容本课题的关键词在于：含糊理论、交通信息处理技术，因此，课题紧紧围绕含糊理论在交通信息处理中的各种应用技术。课题提出了基于含糊线性回归模板的交通流量预测算法，采用含糊综合评判对路网交通运行进行评价，首次将含糊控制用于交通流均衡，为微观信息处理、宏观管理决策支持提供根底。课题最后建立了面向交通管理决策支持的含糊专家系统。1交通流量预测是交通管理实现信息化、现代化、智能化、集成化的前提和关键，其预测结果直接关系到诱导与控制的实时性、准确性和高效性。交通流复杂、时变，而含糊回归具有分析复杂系统的特性，课题运用含糊回归建立了交通流量的预测模板，应用

22、上海浦东江高科技园区郭守敬路实际采集的交通流量数据对模板进行了检验，从预测的结果可以看出模板的有效性。2本章采用多因素综合评判办法挖掘交通状态，采用3个交通参数：路段平均行车速度、占有率、信号交叉口平均每车停车延误，去融合评判出四种城市道路交通状态。课题最后还进行了模拟试验，对该算法的有效性进行了验证。3针对城市网络交通流动态分配与均衡模板约束条件苛刻，难以求解和项目应用等问题，提出了动态交通流含糊控制到达网络均衡的办法。该办法的根本思路就是将实时采集的包含流量、速度的路网交通流状态向量作为含糊控制的输入，采用相比照值计算拥挤程度并通过与均衡值的比拟含糊成7级数值表示。课题建立了含糊控制规那么

23、，根据取值大小和专家知识得到相应的诱导量，以此为实时交通分析和城市交通流诱导的决策依据。课题最后还建立了一个含有24条路段的小区路网进行该办法的模拟试验，对含糊均衡的算法过程进行了验算。4课题借鉴含糊专家系统所要获取的知识可以是不确定、不完全或含糊的知识，以及具备的专家智能等优势，构建了面向交通管理决策支持的含糊专家系统，分析了FES-TDS的功能，搭建了FES-TDS的结构框架，设计了基于综合交通信息系统GIST的数据库，基于交通项目专家实践经验建立了FES-TDS的知识库，并阐述了FES-TDS的推理机制，包括推理办法、推理控制策略和推理流程。图1面向交通管理决策支持的含糊专家系统框架图2

24、含糊专家系统推理流程3、研究方案安顿第一阶段查阅文献，深入调研，收集资料，了解国内外研究现状，制定研究计划。第二阶段查阅交通管理相关文献。第三阶段查阅含糊专家系统相关文献。第四阶段进行综合理论研究。第五阶段撰写论文。参考文献【1】杨晓光.中国交通信息系统根本框架体系研究J.公路交通科技,2000,17(5):50-55【2】国伍,彭宏勤.智能交通系统项目导论M.电子工业出版社,2008.9,第1版:51-68【3】安实,王健,徐亚国,李静.城市智能交通管理技术与应用M.科学出版社,2008,第1版:28-41【4】贺国光.ITS系统项目导论M.中国铁道出版社,2008.12,第1版:36-50

25、【5】朱中.交通流诱导系统的交通信息理论模板研究D.吉林大学博士学位论文,1998:10-12【6】刘普寅,吴孟达.含糊理论及其应用M.国防科技大学出版社,1998.11,第1版:15-19【7】曹谢东.含糊信息处理及应用M.科学出版社,2008.10,第1版:134-1598刘智勇,吴今培,李秀平.城市交通大系统递阶含糊神经网络控制J.信息与控制,1997,26(6):441-4489尹宏宾,徐建闽,周其节.城市交通网络交通量自适应含糊预测办法J.公路交通科技,1998,115(13):34-3610徐丽群,蒋馥.拥挤路线交通量控制的含糊推理算法J.信息与控制,2008,32(2):132-

26、13511杨勇虎,钟骏杰,范世东,姚玉南.含糊数据挖掘技术在交通量预测中的应用J.计算机项目,2008,29(9):78-8012秀媛,达庆东.含糊控制理论在城市公共交通中的应用J.北方交通大学学报,1999,23(5):13-1713初连禹,杨兆升.城市交通流诱导系统关键理论与技术研究D.吉林大学博士学位论文,1999:81-8914丁艺.应用含糊评判法评价高速公路交通平安J.福建林学院学报,2008,21(2):128-13115席晓慧.智能化交通含糊控制系统研究J.微电子学与计算机,2008,21(9):102-10516杨庆芳.先进的交通管理系统关键理论与办法研究D.吉林大学博士学位论文,2008:88-10517冯金巧.城市交通流诱导系统中信息融合技术的应用研究D.吉林大学硕士学位论文,2008:15-2618贺仲雄,赵大勇,李建文,肖伟中.含糊数学及其派生决策办法M.中国铁道出版社,1992.9,第1版:77-8619JamesH.Kell,IrisJ.Fullerton,MiltonK.Mills.TafficDetectorHandbook.FHWAofU.S,1990:2620DavidL.Hall.James