CC BY
17
УДК 656.13.05
В.Н.ШУТЬ
Брестский государственный технический университет
МУЛЬТИАГЕНТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕКРЕСТКОМ
В данной работе рассматривается концепция бессветофорного движения, которая основана на принципе многоагентной системы. Автомобили как агенты обмениваются сообщениями с навигационным устройством, расположенным на перекрестке. При приближении к перекрестку автотранспортное средство налаживает контакт с таким устройством. Каждая машина и перекресток-навигатор оборудованы беспроводным передатчиком для взаимодействия.
Ключевые слова: дорожное движение, мультиагентная система, адаптивное управление
V.SHUTS
MULTIAGENT MANAGEMENT CROSSROADS
Annotation
Proposed in this paper, the concept (we call it the second) of movement without traffic lights implies the absence of traffic lights at the junction and based on the principle of multi-agent system. Cars as agents are exchanging with messages with a navigation device located at the crossroads, consisting of computers and a wireless transmitter. When approaching an intersection vehicle establishes contact with the device. Each machine and crossroad with navigator are equipped with wireless transmitter.
Car that pulling up to the intersection and connecting to a wireless network becomes the agent of centralized multiagent system. Task of agent car is to move on a particular lane road to reach the destination. Agent sends to robotized intersection a movement request and waits for a response in the form of commands "stop" and "forward." Crossroad-navigator analyzes, makes a decision and sends messages.
Keywords: traffic, multi-agent system, adaptive control
Развитие транспортной инфраструктуры крупных городов требует создания интегрированных систем управления нового поколения, позволяющих определять оптимальные режимы движения общественного транспорта с учетом изменчивости дорожной обстановки, получаемой в ходе оперативного прогноза с использованием современных математических моделей с детализацией до уровня отдельных транспортных средств.
Последние достижения в области искусственного интеллекта позволяют предположить, что в скором времени автомобили будут оснащены приборами автономного управления. Уже сейчас в автомобилях присутствуют средства автономии, такие как круиз-контроль, GPS-база планирования маршрута или автономное рулевое управление. В скором времени неизбежно оснащение всех автомобилей приборами автономного управления, открывая тем самым возможность взаимодействия автомобилей между собой или с другими агентами, что приведёт к созданию мультиагентной сети [1-7].
Одной из ключевых проблем в городских транспортных системах является проблема уплотнения автотрафика, что в свою очередь вызывает пробки на дорогах. Данная проблема присуща не только крупным мегаполисам, но и более мелким городам. С целью решения задачи упрощения время провождения водителя в пробке, для снижения у него стресса и усталости, а также для потенциального улучшения управления движением автомобиля в потоке машин компания Ford занималась разработкой системы способной заменить водителя в условиях плотного потока и небольшой скорости движения [8].
Рис.1.Система движения в пробке компании Ford
Таким образом данная система может обеспечить движение автомобиля со скоростью идущего впереди потока, одновременно поддерживая его положение в своем ряду в тех местах, где нет пешеходов, велосипедистов или животных, а также в тех местах, где имеется четкая разметка рядов.
Опытные образцы уже несколько лет активно тестируются в Европе, и по неофициальным данным Ford планирует ее использование на серийных автомобилях к 2017 году [9].
Шведский производитель легковых автомобилей Volvo Car разработал автоматизированную систему движения автомобиля в заторах. Система позволяет машине двигаться в медленном потоке машин со скоростями до 50 км/ч без участия водителя. Система помощи в дорожных заторах (Traffic jam assistance system), как ее называет компания, является развитием существующих технологий — адаптивного круиз-контроля и системы контроля полосы движения — с 2012 г. используемых в серийных моделях Volvo.
После включения системы водителем, автоматика берет на себя управление тормозами, двигателем и рулевой системой. Адаптивный круиз-контроль поддерживает заданный интервал до впереди идущего автомобиля, система слежения за полосой движения, используя рулевое управление, сохраняет полосу движения. Водитель в любой момент может вмешаться в действия электроники, приняв процесс управления на себя. Такие машины способны удерживать место в дорожном потоке, самостоятельно ехать по узким улицам с использованием Traffic Jam Assistance и парковаться...[10,11,12].
Мультиагентная улично-дорожная среда. Современный автомобиль является высоко «электроннофицированным» объектом. Немалую его часть составляют различные электронные датчики, средства связи и программные приложения. Через интернет автомобили могут общаться друг с другом и с объектами дорожной инфраструктуры, ориентироваться в окружающей среде, адекватно реагировать на её изменения. Автомобиль по реактивности на_окружающую среду становиться похож на представителя некоторого биологического вида. Со временем ещё будет оценена степень этой схожести. Такое резкое, качественное изменение автомобиля, его свойств, требует разработки новых методов управления им в улично-дорожной среде (УДС) города. Особенно это относиться к новым способам (безсветофорным ) пересечения перекрестков [13,14,15], основанных на принципах мультиагентного управления транспортными потоками [1].
Перекрёсток является самым слабым звеном в сети дорожного движения. Именно на них наблюдается высокое скопление автомобилей. Очереди на перекрёстке также отрицательно сказываются на всём потоке автомобилей. Из-за большого потока приходится часто разгоняться и тормозить, что приводит к потере времени и дополнительному расходу топлива. Кроме того, по статистике 25% - 45% всех аварий приходится именно на перекрёстки.
Рассмотрим взаимопроникновение мультиагентных (или многоагентных) систем (МАС) в транспортные системы. МАС позволяет разработать систему передвижения автомобилей на перекрёстке более эффективную, чем та, которая существует сейчас. Основной уклон таких систем - это взаимодействие нескольких субъектов (агентов). Исследования в данном направлении с использованием МАС проводятся относительно недавно. Главной фигурой является Техасский университет со своей системой резервирования [1]. Опишем коротко принцип работы данной системы:
- агент-автомобиль, подъезжающий к перекрёстку, отсылает свои данные (макс. скорость, мин. скорость, габариты и т.д.) агенту-перекрёстку;
- агент-перекрёсток делит перекрёсток на M*N равных плиток, после чего просчитывает весь путь автомобиля по этим плиткам;
- если никакая из плиток не занята в определённый момент времени другим автомобилем, то наш автомобиль может двигаться по перекрёстку, иначе ждёт, пока все плитки не будут свободны;
- если 2 агента-водителя производят запрос на одну и ту же клетку(плитку) в одно время, то приоритет отдаётся тому, который сделал запрос раньше.
Данная система имеет ряд недостатков. Во-первых, недостаточная безопасность. Малейший сбой может привести к затору или даже авариям, так как, если автомобиль выйдет из строя, агент-перекрёсток может послать другой автомобиль на клетку, которая будет занята.
Во-вторых, если скорость автомобиля мала, он будет долго преодолевать перекрёсток и занимать ценное пространство, из-за этого на перекрёстке начнёт скапливаться поток автомобилей, что может привести к заторам или, как отмечают сами разработчики этой системы, к полной парализации движения.
Третьим недостатком является отсутствие компактного построения потока автомобилей для более скоростного преодоления перекрёстка. То есть, автомобиль может преодолеть перекрёсток за время t, но, из-за занятости определённой клетки, он преодолевает его за время T (T > t). При этом, если бы автомобиль стоял в другой полосе, он бы мог преодолеть перекрёсток за время T0 (t < T0 < T), или даже за минимальное время, равное t.
К четвертому недостатку следует отнести большое число пересчетов, выполняемых агентом-перекрестком, так как с каждым отдельным авто потока он работает индивидуально.
Формирование координированных пачек. В настоящей статье, в отличии от [1], предлагается система, работающая сразу с компактными пачками автомобилей транспортного потока. Для этого, ещё до момента подъезда автомобиля к перекрестку, он передислоцируется и занимает определенное,
фиксированное, рассчитанное непосредственно для него место в пачке. Выполняется данная процедура через общение головного автомобиля пачки с перекрестком-навигатором.
Таким образом, агент «перекресток-навигатор» решает две задачи:
- формирование координированных пачек (колонн);
- организацию разъезда автомобильной пачки на перекрёстке.
Двигаясь от одного перекрёстка к другому, автомобили формируются в пачки (колонны). Формирование происходит исходя из качественного состава пачки, т.е. учитывается число автомобилей, едущих по определённому направлению (налево, прямо, направо). На этом этапе пачки формируются (переформируются) таким образом, чтобы пересечение перекрёстка заняло минимально возможное время.
Пачка имеет ведущий автомобиль, который посылает агенту-менеджеру на перекрёстке информацию о пачке. Пачка характеризуется вектором состояния:
St (х„Г„(л)1), (1)
где , - номер пачки;
X - координаты t-ой пачки;
V - её скорость;
(А) - матрица, характеризующая построение транспортных средств в пачке.
Матрица, характеризующая построение транспортных средств, в общем случае, выглядит так:
Г1 2 3 ^
(А), ^ 1 2 3
12 2 2 )
Здесь 1,2,3 означает, что транспорт повернёт налево, поедет прямо, повернёт направо, соответственно.
Размерность матрицы зависит от количества дорожных полос, и от количества автомобилей, находящихся в пачке. Данные поступают одновременно от ведущих АТС каждой пачки агенту -менеджеру. После чего от агента-менеджера посылается сообщение каждой пачке о том, каким образом следует перестроиться и какую скорость следует удерживать, так как разъезд пачек с разных направлений будет выполняться последовательно.
Организация разъезда автомобильной пачки на перекрёстке. Алгоритм разъезда автомобильной пачки на перекрёстке предполагает бесконфликтный проезд . Перекрёсток является «узким» местом в дорожной сети, имеет ограниченную пропускную способность [16]. Существуют так называемые, конфликтные зоны - зоны, где движение потоков автомобилей пересекаются . В современных системах эта проблема решается с помощью регулирования светофорами, что при больших загрузках автомагистралей способствует формированию пробок, тормозящих движение.
Предлагаемая концепция мультиагентного безостановочного движения сводиться к регулированию транспортных потоков таким образом, чтобы координированная пачка автомобилей как можно меньше времени занимала перекрёсток, а также безостановочно его пересекала.
В настоящее время перекресток работает по чётко установленным алгоритмам, которые не меняются в зависимости от количества транспорта на каждом направлении. Преимущество многоагентной системы в том, что она отслеживает количество машин на каждом направлении и, исходя из этих данных, выбирает наиболее эффективный разъезд на перекрестке, чтобы как можно быстрее разгрузить его. В данном пункте рассмотрим различные виды разъездов и их эффективность (количество полос, которые используются одновременно).
Избежать столкновений в конфликтных зонах можно, пропуская пачки автомобилей с разных направлений (1-4) по очереди (рис.2). При этом остальные пачки не ждут у стоп линии. Агент-менеджер на перекрёстке посылает сообщение ведущим машинам других пачек сбавить скорость. Таким образом, проезд крестообразного перекрёстка состоит из четырех этапов (один этап - разъезд одной пачки по одному из направлений или входов в перекресток). Последний, пятый этап это переход дороги пешеходами (рис.2д). Он наступает тогда, когда предыдущие этапы завершены.
Это была первая группа разъездов, в которой одновременно выполняется разъезд только с одного направления и обеспечивается бесконфликтное и безостановочное движение. Если измерять
эффективность разъезда, как число одновременно используемых полос дороги, то для первой группы она составляет три.
К следующей группе(второй) относятся разъезды, на которых производится одновременный разъезд с двух любых противоположных направлений. Они представлены на рис.3. Пересечение проезжей части пешеходами производится аналогично, как и в предыдущей группе.
Разъезд с двух направлений выполняется в два безконфликтных этапа: первый - пересечение перекрестка автомобилями, которые движутся прямо и направо (рис.3 а),б)); второй - разъезд автомобилей, которые движутся налево (рис.3 в),г)).
Разъезды на рисунках 3а) и 3б) применяются в зависимости от количества машин, которые движутся прямо и направо. Если количество машин, движущихся прямо, значительно больше машин, движущихся направо, то две полосы будет занято для движения прямо и одна направо (рис.За)), а если количество машин, движущихся направо, больше машин, движущихся прямо, то две полосы для движения направо и одна полоса для движения прямо (рис.Зб)).
а)
б)
в)
г)
д)
Рис. 2.Виды разъезда пачки с одного входа на перекресток
Для одновременного поворота налево с двух направлений могут использоваться только три полосы: две с одного направления и одна с другого. При использовании четвертой полосы будет возникать конфликтная ситуация(рис.3в),г)).
Если количество машин, движущихся налево с третьего направления больше чем с первого, то третьему входу в перекресток будет отдано две полосы и одна полоса на первое направление (рис.Зв)). Если машин больше на первом направлении, то ему будет отдано две полосы и одна полоса для третьего направления (рис.Зг)). На данных разъездах эффективность выше, чем на разъездах первой группы, для первого этапа она равна шести, а для второго этапа трем. Это объясняется тем, что автомобили одновременно движутся с двух направлений. Благодаря этому пространство перекрестка используется более эффективно.
в)
г)
Рис. 3.Виды разъезда пачек с двух противоположных входов на перекресток
Выводы. Никто пока точно не сможет сказать, - каким будет новое дорожное движение. Однако после появления автономных транспортных средств оно изменится. Агентам-автомобилям, обладающим коллективным разумом уже будут не нужны светофоры классического типа для пересечения перекрестков. Очевидно, что резкий переход на автономные машины невозможен по многим причинам. Поэтому, обязательно будет существовать такое время, когда автономные и традиционные автомобили будут вместе ездить по дорогам, что значительно усложнит разработку эффективной работы безсветофорного или мультиагентного движения.
Но уже сегодня преимущества безсветофорного движения на базе многоагентных систем очевидны: это ускорение движения на перекрестках, уменьшение размеров автомобильных пробок, распределение загрузки автотранспортного потока между соседними дорогами.
Литература
1. Multiagent Traffic Management: A Reservation-Based Intersection Control Mechanism. Kurt Dresner and Peter Stone University of Texas at Austin - The Third International Joint Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS 04)
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Многоагентная_система
3. http://itstandard-public.sharepoint.com/multiagent
4. http://www.aiportal.ru/articles/multiagent-systems/theory-agent.html
5. http://www.aiportal.ru/articles/multiagent-systems/different-interpretations-of-agent.html
6. http://www.aiportal.ru/articles/multiagent-systems/directions-of-development-of-mas.html
7. http://agents.felk.cvut.cz/ - Agent Technology Center
8. http://autokatalog.by/article/456/
9. http://inhabitat.com/fords-new-traffic-jam-assist-technology-paves-the-way-to-self-driving-cars/
10. http://www.wired.com/2012/10/volvo-autonomous/
11. http://www.computerra.ru/89665/robotyi-i-lyudi-na-ulitsah-gyoteborga/
12. http://www.vedomosti.ru/auto/news/5329411/volvo_ustanovit_na_serijnye_mashiny_avtopilot_dlya_pr obok_v
13. Шуть В.Н. Концепция городского бессветофорного движения - Електрошка та шформацшш технологи. - Материалы IV-ой научно-практической конференции. - Львiв-Чинадiево, 30 августа-2 сентября 2012. - С. 11-14.
14. Шуть В.Н., Касьяник В.В. Мультиагентный подход в решении транспортных проблем городов -Искусственный интеллект. Интеллектуальные системы ИИ-2012, Материалы Международной научно-технической конференции, Донецк: ИПИИ «Наука 1 освгга - С. 203-206.
15. Михневич В.А., Шуть В.Н. Регулирование городского перекрестка на основе многоагентного подхода. - Вестник БрГТУ. - 2012. - № 5: Физика, математика, информатика - С. 28-31.
16. Кременец Ю.А., Печерский М.П., Афанасьев М.Б. Технические средства организации дорожного движения. - Москва: «Академкнига», 2005. - 76 с.
