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一、引言
隨著經濟的高速發展和全球化進程的加速,交通運輸的壓力越來越大,對其有效控制
和管理已成為政府和公眾所關注的大問題。
交通管理是全局性的,對實時性要求很高,安全問題尤為突出。對公路交通來說,公路
管理人員和司機通常很難立即得到沿途的路面情況和事故信息,公路管理人員常常在交通
事故發生幾小時後,甚至已解決完畢,才能將信息通過人工方式提供給司機。目前世界上
一些國家的交通管理部門都在套用先進的實時智慧型交通系統(ITS)來有效地減輕管理人員
的負擔。
實時智慧型系統可將大量的實時控制過程和管理層數據轉變為智慧型系統的信息,並且按
照專家的方式去處理這些信息。ITS就是通過分析和控制複雜的交通信息,幫助管理人員
為司機提供秒級的最新交通狀況。在歐美一些地區,ITS已在公路、鐵路、港口、航空等
許多領域得到套用。
二、ITS在交通運輸中的套用
目前在國外,ITS已經在公路管理、鐵路(捷運)運輸及港口、船運、機場等方面發揮
了很大的作用。像歐美、南非、亞洲等國家以及IBM、西門子等大公司都已在使用實時I
TS,並獲得了可觀的效益。下表列出了實時ITS在一些國家的套用。
@@0075000.GIF;表1實時ITS在一些國家的套用@@
在公路交通方面,實時ITS可以解決交通狀況的模擬、監測和控制,以及操作員決策支
持、事故處理管理和乘客信息管理等。瑞士的Neuchatel城不僅以美麗的湖泊聞名於世,
其交通擁塞也令人生畏。大約10年前,他們建立了新的環城公路。這一工程全長約34公里
,其中包括兩條各長7公里左右的遂道和大量的監測、引導設施,有900多個紅綠燈和650個
左右可變信息牌,共有約2800個數據點。其市區車流量大,公路上下坡路段多,隧道狀況非
常複雜,這些都很容易引起交通事故。
面對這一棘手的問題,他們決定採用ITS進行控制管理。首先建立了完整的信號燈、
感測器、信息指示電子系統,同時建立了交通管理中心,並開發了基於G2平台的智慧型交通
系統。
首先要根據不同的資源建立模型。這主要是根據有經驗的操作員處理交通行為的經
驗知識以及交通幹線的結構、操作程式、安全法規和特殊的政府規定等,建立事件特殊反
應知識庫。然後,根據知識庫進行推理,為操作員在緊急情況下提出控制策略和建議。這
樣,操作員僅通過簡單的滑鼠按動就可以及時地對事故作出反應,完成某些路段的關閉或
通行信號設定,同時監測駛入隧道車輛的速度,提示警告信息,並在交通情況變化時及時清
除這些信號。這可能需要在幾分鐘內完成成百上千個信號燈、信號牌的設定,而且不允許
有絲毫的差錯,因為任何一個小差錯,如忘了在隧道口提示關閉標誌"X",都可能造成無法
挽回的後果。
在Neuchatel城交通管理系統中,當操作員接到事故信息後(由緊急事故小組從公路上
傳來),利用滑鼠點出發生事故的路段,實時ITS就會根據數據知識庫和安全規則等計算出
哪個路段禁行(紅燈)、如何疏導交通(綠燈)、在信息牌上顯示目前的限速或警告信息、
哪些紅綠燈應隨之改變等。當操作員按下確定鍵後,系統就可以自動執行這些控制步驟,
將信號直接發給沿途的紅綠燈及信息牌。實時ITS的實時處理能力能使事故瞬時得到處理
。
實時ITS在交通網路的基礎結構和鐵路與捷運的管理中也發揮著重要的作用。在車站
內,實時ITS套用於設施管理,如安全、車費管理、自動電梯、乘客信息管理及緊急事件處
理。另外一個重要的套用方面是車輛的計畫和調度,如火車行駛計畫和調度最佳化。
西門子公司在G2上開發了鐵路調度派譴實時專家系統。假設在一個不熟悉的城市中
尋找路線,一種方法是花上幾周時間來記住所有的街道,另一種方法是用已有的知識去看
地圖。傳統的電腦程式是按前種方式工作的,基於知識的專家系統(KBES)則採取後一種
方式。基於知識的專家系統是保存各種技術的倉庫,無論是在常見的還是罕見的事故中,
都能為操作員提供足夠、恰當的信息,幫助他們更快和更好地採取相應措施。操作員還可
通過查詢這些知識來學習操作管理過程。
此外,香港捷運於1995年開始採用基於G2的實時交通智慧型系統進行車站設備監控,並
為操作員提供決策支持,幫助操作員少犯或不犯錯誤,尤其能減輕他們處理緊急情況的壓
力,使交通管理更安全、有效。
在船運方面,對運輸過程中的穩定平衡以及裝卸貨物的順序、位置等都有很高的要求
,因此,套用ITS最佳化貨物的裝卸方式是很重要的,同時還可以提高碼頭、港口的運作能力
。南非的開普頓港利用G2研究貨櫃碼頭的吞吐能力,並通過模型仿真提出了碼頭擴充的
最佳方式,僅此一項就節約了300萬～2000萬美元的項目經費。同樣,在機場方面也存在著
類似問題。例如解決貨物的裝卸和移動方式、提高后勤操作、貨櫃管理、乘客信息管
理及通道管理等。
近幾年來,航空領域競爭日趨白熱化,為增強競爭力,採用先進的智慧型化管理信息系統
是大勢所趨。
三、ITS系統結構
列車派遣是鐵路交通管理中連線長期計畫與實時實施的紐帶,是一個典型的ITS系統
。其主要任務就是一旦實際情況發生變化,應儘可能地按照列車時刻表的時間進行調整。
其中最常見的變化就是增加臨時列車、某些設備如鐵軌等出現問題、火車晚點等情況發
生。實時列車專家系統利用現代軟體技術,當發生偏離列車調度的情況時,可通過計算機
輔助的派遣系統檢測出衝突所在,並為操作員提供支持,也可由系統自動處理衝突情況。
實時智慧型系統軟體使該系統設計靈活,並可方便地利用專家知識,最佳化處理意外情況。
實時智慧型列車派遣系統基於衝突的自動檢測和處理,其結構如下圖所示。
@@0075001.GIF;圖基於衝突的調度派遣系統結構@@
1.衝突檢測
衝突是指兩列火車同時使用同一資源或運行時間與時刻表發生偏離。比如,兩列列車
同時占用同一軌道、列車追尾、軌道維護時須占用部分軌道或列車調度發生衝突等。沖
突檢測是由自動列車跟蹤系統觸發的,利用預測時間表可以檢測到未來1～2小時的衝突情
況,時間表是基於已有的時刻表,並根據實際列車運行情況進行修正得到的。修正時間是
通過模擬方法,利用列車實際驅動能力、列車重量、限速等因素計算出來的,因而相對於
傳統方式有明顯的優勢。
2.衝突處理
對每種衝突都有一系列解決方案。在很多情況下,將基本的解決方法,如超車、減速
或錯車等相結合,對解決衝突是十分有效的。在決策之前要考慮具體問題,看其是否受到
硬體設施的約束,如超車時是否有邊軌可以使用、邊軌的長度是否夠用、錯車路線是否暢
通以及是否出現死鎖等。這就要求有十分具體的數據模型,對實際的列車運行進行模擬。
處理大量的數據需用一定的計算時間,同時,由於這種系統主要套用於交通繁忙的主幹線
或客、貨車不分線的情況,且預測的時間範圍較寬(30～60分鐘),因此,要儘量縮短計算時
間和反應時間。為此,可利用專家知識和實時技術。
解決衝突主要分三步:
(1)計算所有可能的方案,並檢查是否與硬體設施等情況發生衝突。
(2)根據規則庫選擇一個或幾個已確認的解決方案,並為操作員列出最終選擇。這些
選擇必須符合軟約束,並且是在考慮到下一步可能帶來的衝突的基礎上進行的。基於這一
點,系統給出的是經過肯定的最佳方案。
(3)將所選方案以時間、距離圖的形式顯示,並傳給自動線路設定設備。
規則庫中專家知識規則是以自然語言表示的,如
If
thetypeofconflictis"trackoccupationinthesamedirection"
and
train2isfasterthantrain1
Then
lettrain2passtrain1atthefirststationbeforetheconflict,which
hasasituationsidetrack,currentlynotbeingreserved.
這些規則被分成不同的組,每個組的級別可以由操作人員進行調整。通過全圖形化用
戶界面,操作人員可以監測列車的行駛情況及衝突處理情況。
目前,這個實時ITS正套用在德國交通繁忙的西南貨運主幹線上。與人工派遣比較,利
用這一系統減少了10%～40%的火車延誤現象,另外,交通質量也大大提高了。
四、開發工具
開發出基於規則的系統和工具要花費很長的時間。據有關部門統計,其開發費用相當
昂貴,而結果卻不如一些人工智慧商業軟體。面對實時性和智慧型技術的要求,選擇何種實
時智慧型開發平台便顯得十分重要。目前,智慧型(專家)系統套用效果不理想的主要因素是缺
乏有經驗的程式設計師,這意味著程式設計師要有交通管理和專家系統兩類經驗,而具有這兩種經
驗的人員當然很少。
隨著人工智慧技術的發展,神經網路模糊邏輯及專家系統等技術日趨成熟,並逐步走
向套用。美國Gensym公司將這幾種人工智慧技術天衣無縫地結合起來,利用並髮式實時功
能,使實時人工智慧技術可以有效地解決很多實際問題,並廣泛套用於過程監控、計畫調
度、系統最佳化等,尤其在交通運輸行業得到了廣泛的套用。將這種實時智慧型系統軟體與實
時監測和控制設備相連線,就可以迅速地完成設備自動化和複雜交通問題的管理。同時,
基於G2的調度工具使開發計畫調度系統在最佳化交通和貨物運輸方面更為方便快捷。Gens
ym的G2系統將多種先進軟體技術集成起來,使人們從專家系統的編程規則中解脫出來。
Gensym的G2實時智慧型系統軟體使交通運輸工程師們可以快速方便地建立實時智慧型交
通系統。假若使用傳統的軟體技術(如C、C++等)開發這樣的套用系統,其困難、費用及花
費的時間都是不可想像的。
實時智慧型系統作為實時ITS的神經中樞,使公路、鐵路、港口及機場等交通運輸業獲
益匪淺,不僅提高了效益,增加了安全性,還有效地最佳化了交通和貨物分布。因此,在世界
範圍內普及實時ITS已是大勢所趨。目前,我國在這方面的研究也已起步,正逐步開展對I
TS的研究和試驗。
