基于Agent的城市道路交通虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與教學(xué)應(yīng)用

李振宇

摘要：城市道路交通系統(tǒng)可以說是復(fù)雜系統(tǒng)的典型代表，《道路交通管理》課程是對這種復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行管理控制研究的專業(yè)性課程，但受環(huán)境與風(fēng)險(xiǎn)的限制，傳統(tǒng)教學(xué)手段無法直觀、具象地向?qū)W生傳達(dá)知識，并完成一系列實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)科目。Agent技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)皆是當(dāng)前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的重要方向，使城市道路交通系統(tǒng)的虛擬仿真能夠?qū)崿F(xiàn)，該研究成果為《道路交通管理》的實(shí)踐教學(xué)提供了理想的方法，并為Agent技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在公安學(xué)其他課程的應(yīng)用提供了借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：Agent；虛擬現(xiàn)實(shí)；道路交通管理；仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0253-04

《道路交通管理》是公安學(xué)一級學(xué)科下屬治安學(xué)專業(yè)的一門重要的專業(yè)必修課程，道路交通管理本身也是交通工程學(xué)的主要研究對象之一，是指依據(jù)道路交通法規(guī)，采用交通信號，對道路上的行車、停車、行人和道路使用進(jìn)行控制，使之暢通有序地運(yùn)行。[1]由于道路交通系統(tǒng)所特有的復(fù)雜性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，使得虛擬仿真技術(shù)成為開展研究的重要手段?！秶医逃聵I(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要》，指出“要落實(shí)教學(xué)改革重大舉措，推動(dòng)建設(shè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)”。Agent技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)為《道路交通管理》提供了理想的虛擬仿真教學(xué)方法。本文主要探討如何設(shè)計(jì)基于Agent的城市道路智能交通虛擬仿真系統(tǒng)，并應(yīng)用于《道路交通管理》教學(xué)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

對計(jì)算機(jī)仿真而言，系統(tǒng)的仿真模型是其最核心的問題。[2]該項(xiàng)目以虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言VRML為編寫工具，以Agent（智能體）思想為核心，圍繞交通管理工程專業(yè)課程《道路交通管理》為藍(lán)本，開發(fā)一個(gè)具有高智能的三維虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)，能夠讓學(xué)生身臨其境地，獲取視象、聲音、數(shù)據(jù)等多種要素，并與系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)，完成一系列實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

1.2城市道路智能交通虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)Agent的設(shè)計(jì)

基于Agent的城市智能交通虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的目的是對城市復(fù)雜的交通主體、交通工具、交通方式等基本要素進(jìn)行仿真，構(gòu)造出無限逼近于現(xiàn)實(shí)的虛擬仿真環(huán)境。交通場景中各類基本要素的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜、速度各異，在現(xiàn)實(shí)世界中是一個(gè)連續(xù)的過程，在虛擬現(xiàn)實(shí)世界里則是按照時(shí)序發(fā)展的離散過程。因此機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人、交叉口、交通信號燈等要素均可看作是具有高度智能性的Agent，在交互仿真環(huán)境中持續(xù)自主發(fā)揮作用，以探討如何實(shí)現(xiàn)交通控制的目標(biāo)。

1.2.1車輛Agent的設(shè)計(jì)

車輛Agent實(shí)為駕駛?cè)伺c機(jī)動(dòng)車共同組成的復(fù)合性智能體，一方面具有駕駛?cè)说慕煌ㄐ睦?、交通法?guī)認(rèn)識等智能，另一方面具有機(jī)動(dòng)車的制動(dòng)智能，車輛Agent可以模擬駕駛?cè)双@取城市交通環(huán)境的各種信號，并自主或根據(jù)外部信號而實(shí)時(shí)反饋，調(diào)整行為模式。因此車輛Agent應(yīng)分為駕駛?cè)薃gent與機(jī)動(dòng)車Agent兩大模塊。

（1）駕駛?cè)薃gent的仿真設(shè)計(jì)

駕駛?cè)薃gent包括行車計(jì)劃智能、交通心理智能、交通法規(guī)認(rèn)知智能三大模塊，行車計(jì)劃智能類函數(shù)Driver_ Schedule （ ） 仿真駕駛?cè)薃gent原有的行車目的、路線與方式，可以通過隨機(jī)函數(shù)隨意組成其行車計(jì)劃；交通心理智能類函數(shù)Driver_Psy （ ） 仿真駕駛?cè)薃gent的交通心理特點(diǎn)，根據(jù)駕駛?cè)说慕煌ㄐ睦頎顟B(tài)的特點(diǎn)，可分為疲勞駕駛模式、正常駕駛模式、沖動(dòng)駕駛模式；交通法規(guī)認(rèn)知智能Driver_Law （ ） 仿真駕駛?cè)薃gent的交通規(guī)則認(rèn)知能力，能夠識別交通環(huán)境中的道路、交叉路口、交通控制信號燈等設(shè)施，并根據(jù)《道路交通安全法》的要求發(fā)出指定的機(jī)動(dòng)車駕駛指令；

（2）機(jī)動(dòng)車Agent的設(shè)計(jì)

機(jī)動(dòng)車Agent包括速度控制、轉(zhuǎn)彎控制、交叉口控制四大模塊，速度控制類函數(shù)Car_Speed（ ）仿真機(jī)動(dòng)車行駛過程中的加減速動(dòng)作的控制；轉(zhuǎn)彎控制類函數(shù)Car_Rot（ ）仿真機(jī)動(dòng)車的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模式；交叉口控制類函數(shù)Car_Cross（ ）則仿真了機(jī)動(dòng)車在交叉路口的路徑選擇運(yùn)動(dòng)模式。

1.2.2交通信號燈Agent的仿真設(shè)計(jì)

交通信號燈是控制城市道路交通系統(tǒng)中行人與機(jī)動(dòng)車行為的重要交通控制設(shè)施，主要負(fù)責(zé)路口交通流的控制，在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中以信號燈的顏色變化的方式工作。交通信號燈Agent由信號燈系統(tǒng)與信號機(jī)系統(tǒng)兩大模塊組成，信號燈系統(tǒng)類函數(shù)Signal_Light（ ）仿真交通信號燈的非閃燈即紅、綠、黃燈的轉(zhuǎn)換控制，并與駕駛?cè)薃gent的交通法規(guī)認(rèn)知智能Driver_Law （ ）建立通訊，使駕駛?cè)薃gent能夠識別交通信號燈，并反饋相應(yīng)的駕駛動(dòng)作；信號機(jī)系統(tǒng)類函數(shù)Signal_Control（ ） 仿真交通信號燈的控制方式，包括多時(shí)段定時(shí)控制法、自適應(yīng)控制法，并可根據(jù)需要在自適應(yīng)控制法添加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等智能算法；

1.2.3道路Agent的仿真設(shè)計(jì)

道路Agent是整個(gè)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的交通環(huán)境智能體，類函數(shù)Road_Queuing（ ）實(shí)現(xiàn)對車輛Agent的感知、排隊(duì)、統(tǒng)計(jì)的功能，當(dāng)車輛Agent進(jìn)入某條道路時(shí)，類函數(shù)Road_Queuing（ ）將該車賦予隊(duì)列編號，加入該路的隊(duì)列中，離開時(shí)，該車隊(duì)列編號即被注銷。

1.2.4交叉路口Agent的仿真設(shè)計(jì)

交叉路口Agent是整個(gè)系統(tǒng)中最核心的交通環(huán)境智能體，類函數(shù)Cross（）與車輛Agent與交通信號燈Agent各類函數(shù)發(fā)生實(shí)時(shí)通信，完成在交通信號燈Agent控制下的車輛Agent的動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)車輛Agent完成道路間的位置轉(zhuǎn)換；

1.2.5城市交通控制評價(jià)Agent的仿真設(shè)計(jì)

城市交通控制最重要的目標(biāo)就是緩和交通擁擠、提高交通效益，也就是減少交通擁擠和堵塞現(xiàn)象，因此好的城市交通控制評價(jià)Agent就是衡量智能城市交通控制系統(tǒng)是否達(dá)到目標(biāo)的關(guān)鍵。本系統(tǒng)的交通控制評價(jià)Agent包括各路段車流量評價(jià)與平均每車等待時(shí)評價(jià)。在現(xiàn)實(shí)世界里，長時(shí)間堵車與紅綠燈等待所造成的每輛汽車的等待實(shí)際上是不可忍耐的，因此城市交通的控制者希望通過根據(jù)路段的車流量狀況，調(diào)節(jié)各路段的紅綠燈信號以達(dá)到平均每車等待時(shí)間最優(yōu)的效果。[4]

1.3系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)場景的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)模型主要是仿真現(xiàn)實(shí)城市交通的各種實(shí)體，使其形象地表現(xiàn)出城市交通的狀況，使觀察者有身臨其境的感覺。按照系統(tǒng)的仿真需求，可分為靜態(tài)場景設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)場景構(gòu)建、視點(diǎn)控制設(shè)計(jì)。

1.3.1靜態(tài)場景構(gòu)建

為表現(xiàn)城市交通的實(shí)景情況，同時(shí)也作為動(dòng)態(tài)類虛擬現(xiàn)實(shí)模型的運(yùn)動(dòng)參照物，系統(tǒng)需要一些模仿現(xiàn)實(shí)物體的虛擬現(xiàn)實(shí)模型來進(jìn)行表現(xiàn)，例如天空、大地、公路、建筑物、樹木等物體。這類物體在系統(tǒng)中并不需要產(chǎn)生坐標(biāo)、顏色、角度的變化，只需要通過VRML語言構(gòu)建其外形，因此被稱為靜態(tài)類虛擬現(xiàn)實(shí)模型。以下闡述幾個(gè)主要靜態(tài)模型的構(gòu)建

（1）天空與大地模型的構(gòu)建

作為虛擬現(xiàn)實(shí)的主要參照物，天空與大地模型的構(gòu)建相當(dāng)重要，在VRML語言中，Background{}語句用于構(gòu)建天空與大地模型，skyColor []用于定義天空不同層次的顏色， skyAngle []用于定義天空彎曲的弧度、groundColor[]用于定義大地不同層次的顏色，groundAngle []用于定義大地彎曲的弧度。

（2）道路與建筑物模型的構(gòu)建

道路是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)類模型運(yùn)動(dòng)時(shí)的主要參照物，為了表現(xiàn)車輛Agent在道路上行進(jìn)的動(dòng)態(tài)情況，需要構(gòu)建城市道路的虛擬模型，同時(shí)虛擬道路的長度與寬度數(shù)據(jù)也是車輛Agent的java控制模型的主要參量。

1.3.2動(dòng)態(tài)場景構(gòu)建

動(dòng)態(tài)場景是虛擬現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的靈魂，其包括靜態(tài)表現(xiàn)與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)兩部分。動(dòng)態(tài)場景的靜態(tài)表現(xiàn)與靜態(tài)場景一樣，其參數(shù)在整體仿真系統(tǒng)中并不發(fā)生變化，可通過VRML語言構(gòu)建其形狀，例如機(jī)動(dòng)車的顏色、大小、形狀等等；動(dòng)態(tài)場景的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的參數(shù)隨著時(shí)序發(fā)生一定規(guī)律的變化，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)里，通過VRML與JAVA的接口，利用JAVA控制程序來控制其參數(shù)變化，例如機(jī)動(dòng)車的位移、方向、速度；交通信號燈的顏色；交通流量評價(jià)器的數(shù)字變化等。

1.3.3視點(diǎn)控制設(shè)計(jì)

基于VRML的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在展示空間信息時(shí)，通過在虛擬世界中的替身來模擬觀察者，便于其以第一人身的視角觀察與瀏覽虛擬場景。替身的眼部相當(dāng)于一個(gè)取景器，取景地點(diǎn)與方向、取景范圍以及景深都是可以設(shè)置的。因此設(shè)計(jì)者可以在虛擬世界里根據(jù)需要設(shè)置多個(gè)視點(diǎn)，以便系統(tǒng)每次載入文件時(shí)，瀏覽器自動(dòng)地將觀察者置于預(yù)定的視點(diǎn)上，觀察者可以從該地點(diǎn)的方位觀察場景。本系統(tǒng)將利用VRML的視點(diǎn)節(jié)點(diǎn)：Viewpoint，節(jié)點(diǎn)代碼如下：

DEF View1 Viewpoint {

position 0 20 1000

jump FALSE

orientation 0 1 0 1.7

description "View1"

}

該視點(diǎn)名稱為View1，在系統(tǒng)中點(diǎn)擊View1便可使替身自動(dòng)切換至該視點(diǎn)所處的位置（0，40，140），在java類控制函數(shù)里可以用到該項(xiàng)節(jié)點(diǎn)描述，jump域的值表明在視點(diǎn)位置變化時(shí)，瀏覽器是否將觀察者視點(diǎn)跳轉(zhuǎn)到新位置，該域值為False表示視點(diǎn)跳到新位置時(shí)需要經(jīng)過時(shí)空轉(zhuǎn)換，給觀察者一個(gè)連續(xù)跳躍的過程。

2仿真系統(tǒng)在《道路交通管理》實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用

Agent技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)并不是為教育量身定做的，在復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)以教育的視角去審視新技術(shù)的應(yīng)用[5]，因此要充分利用Agent技術(shù)的智能性與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性、構(gòu)想性等特點(diǎn)從學(xué)習(xí)的本質(zhì)出發(fā)，用學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)基于Agent的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在《道路交通管理》教學(xué)中的應(yīng)用，開發(fā)了以下實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目。

2.1技能強(qiáng)化型仿真實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目

2.1.1靜態(tài)控制設(shè)施識別仿真實(shí)訓(xùn)

學(xué)生通過仿真系統(tǒng)可直觀地觀察并識別城市道路交通系統(tǒng)中的靜態(tài)控制設(shè)施，包括道路交通標(biāo)志的顏色、形狀、字符圖案及設(shè)置方式；各類道路交通標(biāo)線的特征；道路交通安全設(shè)施的種類與形狀。

2.1.2動(dòng)態(tài)控制設(shè)施識別仿真實(shí)訓(xùn)

學(xué)生通過仿真系統(tǒng)可以觀察到交通信號燈的外觀，以及識別各種信號燈的動(dòng)態(tài)特征，以及機(jī)動(dòng)車信號燈、人行橫道信號燈、車道信號燈的特征。

學(xué)生在仿真系統(tǒng)中，通過肉眼反復(fù)識別與訓(xùn)練，真實(shí)環(huán)境的模擬中不斷接受環(huán)境的刺激， 不斷地嘗試與錯(cuò)誤， 最終達(dá)到由感性知識上升到理性認(rèn)識的目的，而且比起真實(shí)環(huán)境，教學(xué)組織者并不需要付出過多的教學(xué)成本既可達(dá)到目的。[6]

2.2驗(yàn)證性仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2.2.1駕駛員交通心理與機(jī)動(dòng)車跟馳仿真實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)實(shí)生活中對駕駛員的交通心理與機(jī)動(dòng)車跟馳現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)難以開展，而仿真系統(tǒng)則提供了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的可能。學(xué)生可以通過調(diào)整仿真系統(tǒng)的特定駕駛?cè)薃gent的交通心理智能類函數(shù)Driver_Psy （ ）以觀察到駕駛?cè)薃gent在疲勞駕駛模式、正常駕駛模式、沖動(dòng)駕駛模式的行駛狀態(tài)，并實(shí)時(shí)觀察到各種交通心理模式下的特定車輛Agent與其他車輛Agent在各類交通環(huán)境中的機(jī)動(dòng)車跟馳現(xiàn)象。

2.2.2交叉口單點(diǎn)交通信號控制實(shí)驗(yàn)

針對單個(gè)有控制信號的交叉路口的控制實(shí)驗(yàn)，由于不同方向交通流之間相互沖突的風(fēng)險(xiǎn)，這在真實(shí)的城市交通系統(tǒng)中難以開展。在仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可以通過修改調(diào)整信號機(jī)系統(tǒng)類函數(shù)Signal_Control（ ）的信號周期、綠信比等參數(shù)，觀察驗(yàn)證交叉口單點(diǎn)交通信號控制規(guī)律以及對交通流控制的效果。

2.3綜合設(shè)計(jì)性仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——城市區(qū)域交通信號控制仿真實(shí)驗(yàn)

學(xué)生對駕駛?cè)薃gent、機(jī)動(dòng)車Agent、交通信號燈Agent進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，自行設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)中駕駛?cè)薃gent的行車計(jì)劃、交通心理類型、機(jī)動(dòng)車Agent制動(dòng)性能以及交通信號燈Agent的控制方案，在如此復(fù)雜的仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境下驗(yàn)證結(jié)果，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

2.3.1仿真環(huán)境概述

仿真系統(tǒng)以重慶市高新區(qū)科園一路至四路交通路網(wǎng)為仿真對象，該路網(wǎng)有12個(gè)入口路段，實(shí)驗(yàn)設(shè)置為每個(gè)入口路段隨機(jī)進(jìn)入虛擬汽車，車流量設(shè)定為5輛——20輛/分鐘，車速設(shè)定為低于40公里/小時(shí)；

2.3.2虛擬現(xiàn)實(shí)世界的時(shí)間設(shè)置

本系統(tǒng)采用VRML97的虛擬世界時(shí)，在VRML97的虛擬時(shí)間設(shè)置中，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的需要任意調(diào)整虛擬時(shí)間與現(xiàn)實(shí)時(shí)間比，本次實(shí)驗(yàn)將虛擬世界的時(shí)間與現(xiàn)實(shí)世界的時(shí)間調(diào)整為10：1，也就是虛擬現(xiàn)實(shí)世界的10秒相當(dāng)于現(xiàn)實(shí)世界的1秒，如此能夠在短時(shí)間內(nèi)觀察到更多實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.3.3實(shí)驗(yàn)方法

學(xué)生根據(jù)教材要求設(shè)定駕駛?cè)薃gent、機(jī)動(dòng)車Agent、交通信號燈Agent的各類參數(shù)，通過設(shè)定不同的仿真時(shí)間，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲取輸入車流量（輛）與平均每車等待時(shí)（虛擬現(xiàn)實(shí)秒）的數(shù)據(jù)。仿真時(shí)間分別設(shè)置為1500秒、3000秒、5000秒、10000秒。由于在系統(tǒng)初始運(yùn)行狀態(tài)，車流量有一個(gè)調(diào)整的峰值，因此仿真時(shí)間較短的1500秒、3000秒需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)多次，以穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

2.3.4實(shí)驗(yàn)的限定條件

本次實(shí)驗(yàn)共有12個(gè)路口，6個(gè)路段，180輛虛擬汽車模型、相鄰路口間距為100米、36個(gè)車流量傳感器。紅綠燈信號設(shè)置方式見下表：

根據(jù)上述條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到以下數(shù)據(jù)：

為確保系統(tǒng)的精確性，系統(tǒng)內(nèi)植入了驗(yàn)證程序，該驗(yàn)證程序能夠進(jìn)行機(jī)動(dòng)車Agent碰撞檢測，一旦發(fā)現(xiàn)仿真性錯(cuò)誤將立即報(bào)警并輸出erro結(jié)果，也可以通過肉眼監(jiān)視虛擬汽車隊(duì)列紊亂、碰撞等非法情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出來看，虛擬汽車碰撞度低于0.1%，系統(tǒng)比較精確地反映現(xiàn)實(shí)交通。

3結(jié)論

Agent技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的運(yùn)用效果是十分明顯的，以《道路交通管理》為例，傳統(tǒng)的教育模式中，學(xué)生只能通過教科書、圖片、視頻單向的、抽象的去理解各類道路交通管理設(shè)施與交通信號控制體系，即使走上街頭的實(shí)際環(huán)境，也因?yàn)榻煌鳑_突的風(fēng)險(xiǎn)無法完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而Agent技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則提供了一種全新的具有沉浸性、交互性、想象性的仿真環(huán)境，以滿足《道路交通管理》從初級到高級、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從專科到研究生的一系列實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需求，提供了一種全新的雙向交互的教育學(xué)習(xí)形式，極大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與效率。

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