（计算机应用技术专业论文）用petri网对智能交通系统建模.pdf

西南师范大学硕士沦文 学科专业：计算机应用技术研究方向：计算机控制理论 指导教师：程小平研究生：呙涛 i 智能交通系统( ，7 s ，i n t e l l i g e n tt r a n p o r t a t i e l ls y s t e m ) 是将先进的信息技术、通信 技术：自动控制技术等先进技术有效集成构造的地面运输管理体系。它能大幅度的增加道路网 络的通行能力，提高运输的机动性、安全性和运输效率，避免拥挤和堵塞，减少能源消耗和环 境污染，是2 1 世纪促进世界经济发展和社会进步的有效高科技手段。为此各国对研究开发7 s 都很重视，尤其希望通过对，7 s 建模，7 s 体系结构或框架等的研究来寻求加速，s 建设的 捷径。 一个好的系统模型可以集中有限的财力和人力，开发适合国情的i t s 系统，是避免投资浪 费的重要保证。因此，确定，7 s 的系统模型是i t s 研究要解决的重要问题之一。 智能交通系统，有的也称为智能运输系统，是一个非常复杂的大系统，也是一种典型的离 散事件动态系统。p p ，一网具有指导性的图形描述能力和坚实的数学基础，是异步、并发系统建 模、性能分析和控制综合的有利工具。非常适合于离散事件动态系统建模。制造系统是一种典 型的离散事件动态系统，用p g f r f 网对制造系统建模的技术和分析方法已相当成熟。从更高的 抽象层次，可以将制造系统看成一种“广义物流系统”，工件在各个工位之间的移动对应于车 辆通过各个交叉路 2 1 ，这种对应关系使得可以将制造系统中p e t r i 网建模思想和分析方法应用 、 ， 于智能交通系统中去。 y 本文主要应用制造系统中的卯，w 建模思想及矩阵分析方法，对，7 s 巾的道路交通控制问 题建立了一种模型。首先是基于单“，”型路口的建模，然后扩展到对多路门建模，并用了一 个三路口例子加以说明。在对多路口建模时，又引入了有色p e t r i 网死锁检测方法，对多路门 拓扑结构以及时间属性进行了具体的分析。最后，本文给出了智能变通系统整体建模步骤流程， 探讨了跨区域分布式交通控制建模及利用，7 sp 模型辅助实现交通流优化策略。 、 关键字：p e t r i 阔、建模、制造系统、智能交通系统、物流系统 堕堕塑垫! ：兰塑 堡墨二生 c r e a t ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m p nm o d e l a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi s ag r o u n dt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ， w h i c h i n t e g r a t e d e f f e c t i v e l yb y a d v a n c e di n f o r m a t i o n t e c h n i q u e s ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s ，a u t o l n a t i cc o n t r o lt e c h n i q u e sa n d s oo n a d o p t i n gi t st e c h n i q u e s ，t h et r a f f i c c a p a c i t yc a nb ei n c r e a s e db yaw i d em a r g i n m o r e o v e r ，r a i s et r a n s p o r tc a p a c i t y ，f l e x i b l e t r a n s p o r ta n dt r a f f i cs a f e t ya n da v o i dt r a f f i cc r o w i n ga n dp o l l u t i o n i t si s a l le f f i c t i v e m e a n so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi nt h e2 1 t hc e n t u r y t h ed e v e l o p m e n to f i t st e c h n i q u e s w i l lp r o m o t ew o r l de c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n ds o c i a lp r o g r e s s f o rt h i sr e a s o n ，c o u n t r i e s o ft h eh ，o r l dp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fi t st e c h n i q u e s p a t i c u l a r l y ，t h e y h o p e t of i n das h o r t c u tt o d e v e l o pi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m st h r o u g h i t s m o d e l i n g ，i t sa r c h i t e c t u r ea n d s oo n a g o o ds y s t e mm o d e lc a nc e n t r a l i z el i m i t e dh u m a n r e s o u r c e sa n dm a t e r i a lr e s o u c e s t od e v e l o pi t sa n da v o i dw a s t i n gi n v e s t m e n t t h e r e f o r e ，d e f i n i n g1 t ss y s t e mm o d e li s o n eo f t h e i m p o r t a n tp r o b l e m s ，w h i c h i t sr e s e a c h e r se a g e rt os o l v e i t si sab i gc o m p l e x s y s t e m ，a l s oat y p i c a ld e d s p n i sam a t h e m a t i c a lm o d e la n d ag e n e r a l g r a p h i c a l t 0 0 1 b o t ha r e v e r yw e l l s u i t e dt ot h e d e s c r i p t i o n o fc o n c u r r e n t s y s t e m st h a te x h i b i ts y n c h r o n i z a t i o na n dc o n t e n t i o nf o rs h a r e dr e s o u r c e s s o ，i t sv e r y s u i t a b l ef o rd e d sm o d e l i n g m a n u f a c t u r i n gs y s t e mi sat y p i c a ld e d s t o o u pt on o w , t h et e c h n i q u e sa n da n a l y s i sm e t h o d so f m a n u f a c t u r i n gs y s t e mp n m o d e la r eq u i t em a t u r e w ec a nd e f i n e a “g e n e r a l m a t e r i a l f l o w i n gs y s t e m ”a f t e rh i g h e r a b s t r a c tl e v e l s w o r k p i e c e sm o v e m e n ta m o n gw o r k i n gp l a c e sc o r r e s p o n d st ov e h i c l ep a s s i n gc r o s sr o a d s t h i sc o r l e s p o n d i n gr e l a t i o ni n d i c a t ew ec a nu s et h em o d e l i n gt h i n k i n ga n dm e t h o d so f a n a l y s i so nm o d e l i n gm a n u f a c t u r i n gs y s t e mw i t hp n t oc r e a t ei t sp n m o d e l i n gt h e o r y i nt h i st h e s i s ，a d o p t i n gt h em e a n so f m o d e l i n gt h i n k i n ga n dm a t r i xa n a l y s i sm e t h o d o f m a n u f a c t u r i n gs y s t e mp nm o d e l ，w eh a v ec r e a t e dam o d e la b o u tr o a d st r a f f i cc o n t r o l p r o b l e m s t h ef i r s t ，w e l e a di n t ot h em e a n so fm o d e l i n gt h i n k i n ga n dm a t r i xa n a l y s i s m e t h o do fm a n u f a c t u r i n gs y s t e mp nm o d e lt oc r e a t eas i n g l e t c r o s s i n gr o a dt p p n m o d e l t h e ne x t e n dt oc r e a t ea m u l t i c r o s s i n gp nm o d e l ，g i v i n ga ne x a m p l ea b o u tt h r e e c r o s s i n g s w h e nc r e a t em u l t i c r o s s i n gp nm o d e l ，w ea d o p td e a d l o c kc h e c ko fc p nt o 堕堕塑垫叁堂堂! ! 二! ! 皇二；l c r e a t eaq u i t e s i m p l ec r o s s r o a d s p nm o d e l w ec a ns e t a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s a n d a n a l y s i st i m ea n dt o p o l o g yp r o p e r t i e sb yw a y o fi t sp nm o d e lt h a tw eh a v ec r e a t e d a t l a s t ，t h i st h e s i sg i v e si n t e g r a t i v ei t sm o d e l i n gs t e p sp r o c e s s ，i n q u i r e si n t og ob e y o n d r e g i o n d i s t r i b u t e dt r a f f i cc o n t r o l m o d e l i n g a n d a u x i l i a r yi m p l e m e n t a t i o n o ft r a f f i c o p t i m i z es t r a t e g yw i t hi t s p nm o d e l k e yw o r d s ：p e t r in e t ；m o d e l ；m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ；i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) ；m a t e r i a lf l o w i n gs y s t e m 堕壹塑整查兰堕主堕苎 一一一二! i 二 第一章 绪 论 智能交通系统是在当代科学技术充分发展进步的背景下产生的，旨在将先进的信息技术、 数据通信技术、电子控制技术及计算机处理技术等有效的综合应用f - t a 而交通管理体系，从而 建立起一种大范围、拿方位发挥作用、实时、准确、高效的交通运输管理系统。i t s 是目前争 世界交通运输领域研究的前沿问题，其研究目标是使汽乍与道路的功能智能化，以解决城市以 及高速公路交通拥挤、改善行车安拿、提高运行效率、减少空气污染。 自二 一世纪八十年代末以来，西欧、北美和日本竞相发展智能交通系统，成市了国家级和 全球级机构，制定并实施了若干开发计划。美国有i t sa m e r i c a ，欧洲联盟有交通信息与控制 组织e r t i c o ，日本有车路交通智能协会v e r r i s 、以及仃s 因际标准化机构i s o t c z 0 4 工作组等。 1 9 8 6 年，欧盟启动智能运输系统研究的第一批项目d r i v e 和p r o m e t h e u s ，日本开始r a t s 试验 研究，其后美国开始启动p a t h f i n d e r 和“2 0 0 0 年的交通模式”研究项目。到1 9 9 5 年，已经有 难以计数的大小项目在开展，从理论规划剑实际实臆；从现场实验到形成产_ k ，其发展规模和 速度咄咄逼人。继p a t h 和s m a r t 之后，1 9 9 7 年美国将在加洲实施一个“自动公路系统( a h s ) ” 现场试验和演示项日，基本上在现有道路骨架f ：，利用先进技术提高安全性、畅通性和旅行质 量。 除r 欧、美、h 以外，新兴的工业陶和发展中围家也开始，s 的全面开发和研究，如韩国 由交通部牵头制定了全面的i t s 框架结构和发展计划，新加坡已经在全国开始推行不停车电子 收费，中东的一些国家也开始泔论本国，s 的研究计划。 而中国的学者在二h 兰纪9 0 年代初才开始关注国际 7 s 的发展，他们通过各种方式将 ，z s 介绍到中国，中国的学者首批参加了，7 s 世界大会的指导委员会，不少岛等院校和研究单 位的学者和专家参加了，7 s 世界大会并发表论文。中国科学技术部是中囤科学技术发展的主管 部门，对于智能交通系统，中国科学部表现了巨大的热情，已经将智能交通系统的研究开发和 应用列入了中国高新技术开发和产业化计划，近几年来组织中国与交通运输有关的部门讨论联 合开发中国的智能交通系统，参加的部门有：交通部、建设部、铁道郎、信息产q k 部等，还有 许多中国的大学和研究机构。 为加快中国智能交通系统的开发与应用，中国科学技术部与欧盟开展r 一系列的交流与合 作，完成，中欧在i t s 领域的合作战略，并且已经宵合作项目启动，例如北京市一三环视频 监控和诱导系统。 作为政府主管部门之一的交通部，在制定科技发展“九五”计划和2 0 1 0 年k 期规划时，将 发展i t s 列入计划，并成立了交通部智能运输系统工程研究中心，1 9 9 6 年交通部委托该中心在 国家“六五”、“七五”、“1 i l ”科技攻关取得的成果基础卜，进行智能交通系统发展战略研究， 6 堕塑塑苎盔兰堡主丝茎一 希望通过这一研究制定发展规划和计划，同时也为企业界提供一个发展的指南，这项研究已经 完成，研究报告已经提交给交通部。该中心目前正在开展不停车收费系统行业规范和示范应用、 g p s 定位与导驶系统研究、基于g p s 的路改车辆管理系统等项目的研究、快速货运系统研究与 示范工程、高速道路交通仿真的研究和智能交通系统中心实验室的建设等项目。 随着改革开放以来的经济迅速增长，用i t s 实现交通运输现代化已显得越来越迫切，这主 要基于如下理由： 1 所有西方发达国家已从主要依靠修路、扩大路网规模转移到依靠高新技术改造现有道路 系统和管理体系即实施智能运输系统来满足交通运输的需求，进而达到大幅度提高路网 通行能力、服务质量，减少污染和保障安全的目的。这一转移反映了世界交通运输的发 展趋势，也反映了道路交通发展的一种必然。我国道路建设的发展速度是当今世界上最 快的，但这种发展是受建设资金和自然资源( 如土地) 等制约的，因此，我们在不远的 将来，必须使用高新技术来提高道路通行能力和运输效率。 2 道路交通建设存在由粗放型向集约型的转变，这其中主要含义之一就是要依靠科学技术 提高运输效益因为仅靠外延扩大来满足经济发展对交通设施的需求是不现实与不经济 的。道路建设目前面i 临着越来越高昂的成本，长期以往将使国家的财力无法承受。江泽 民同志和李鹏同志在全国科技大会的讲话都提出要依靠现代科学技术改造传统产业，要 大力推广电子信息技术、先进制造技术、节能降耗技术和环保技术促进传统产业的升级 换代。丽i t s 正是充分利用电子、信息等高新技术对交通运输这一传统行业进行改造， 同时又能达到节省能源和减少污染的效果。 3 经济有其自身的发展规律。三如西方国家过去遇到的问题其中有些我们已经遇到：西 方国家今天所面临的问题，也是我们今后将要遇到的问题。但是我们今天所处的历史环 境和拥有的资源，却与西方发达国家道路建设时期大不一样，一是我们不可能以西方掠 夺世界的方式实现资本原始积累；二是现代化是一个动态的概念和标准，如果我们亦步 仪趋的发展，难以赶上发达国家的水平实现真正的现代化；三是我们没有条件，也不可 能耗费西方国家已经消耗掉的如此巨大的资源和财富来实现现代化。因此，我们经济的 发展( 当然也包括交通) 必须是依靠科技实现高速发展才有望成为发达国家。i t s 是 当今国际交通运输领域科技发展的前沿之一，如果我们能及时开展这一前沿的研究和应 用，占领这一交通运输领域的前沿，就能使我国的交通运输发展水平能够迅速的赶上国 际水平，更好的满足经济发展的需求。 4 i t s 是传统交通工程的延续和提高，但是它与传统交通工程有着巨大的差别。传统交通工 程是集中管理思维的代表，丽在信息化社会中，由于通信的发展使得交通管理者和使用者 里堕堕堕盔堂堡主笙塞 一一 可以同时获得同样的信息。因此整个系统的运行将发生巨大的变化，用户在已知路网运行 状况条件下的自主决定将是理性的，因此系统运行的虽终结果将接近最优，交通流的运行 将是平稳的，路网的通行能力会大大提高。 5 目前整个世界正由工业化社会向信息化社会过度，在信息化社会，拥有信息的多少和信息 利用的程度决定了生产力的商低和财富的多少，而门苫恰恰是通过信息的充分利用和共享 来达到提高路嘲通行能力的目的，因此，可以说，s 将成为2 l 世纪现代化地面运输系统 的发展方向，将会显著的改善运输环境，将是使道路交通实现“货畅其流，人便其行”的 关键技术。与之相伴，在高新技术领域中也将出现一个新的产业t 为信息工业发展带来 个新的方向和巨大的效益，并为社会提供大量的就业机会。 由此可见，对i t s 应用的研究对实现交通运输现代化有重要影响。 本文主要采用p e ，f 网工具对，硌建模，利用p e t r i 网模型本身的特有属性可以对i t s 所 涉及的各个领域进行研究，有其独特的优点。智能交通系统，有的也称为智能运输系统，是一 个非常复杂的大系统，也是一种典型的离散事件动态系统。m 网具有指导性的图形描述能 力和坚实的数学基础，是异步、并发系统建模、性能分析和控制综合的有利工具。非常适合于离 散事件动态系统建模。 本文接下来内容安排如下： 在第二章中，首先介绍了智能交通的基本概念及其发展现状，接着介绍了交通控制的基本 概念，在第三节中着重介绍了制造系统的基本组成及制造系统与制造技术的发展状况，这将有 利于我们对后面问题的理解。最后，根据智能交通系统与制造系统在建模方面的相似性，提出 了广义物流系统j p 曲训碉建模的主要思想。在第三章中，系统的介绍了尸f f ，f 网的基本理论，包 括p e t r t 网的起源、优缺点、分类，尸8 f r f 网的基本概念，p e 棚网的图，p e t r i 网中变迁间的 基本关系，p e t r i 网的性能指标及其分析技术等。在第四章中，主要介绍时问p e t r i 网和关联矩 阵的基本定义，然后以一个简单的制造系统为例进行狎p 建模，最后根据这种建模思想和矩 阵分析方法对一个“，”型路口进行建模。在第五章中，主要介绍有色p e t r i 网的基本概念， 根据制造系统有色p e t r i 网死锁检授0 思想和方法对多路口进行建模和死锁分析。在接下来的第 六章中，提出了智能交通系统整体建模步骤流程、跨区域分布式交通控制建模和利用i t s 户 模型辅助实现交通流优化。最后，在结束语中，我们总结了全文的具体工作，并着重指出可以 将制造系统的，0 f 一网建模思想和矩阵分析方法运用于智能交通系统，通过本文中已建立的智 能交通系统建模的基本单元，可以对智能交通系统进行大规模的建模研究，为今后对其它大规 模物流系统建模研究打下基础。 g 堕塑堑蔓盔堂堡主望茎一 第二章智能交通 2 1 智能交通的基本概念及其发展现状 智能交通系统( ，r s ) ，有的也称为智能运输系统，是国际上二十世纪八十年代后期发展 起来的交通运输领域新概念、新技术乃至新产业，它相对传统交通运输系统而言是在观念和方 法上的革命性进步。借助于高新技术尤其是现代通信技术的强大威力和发展势头，智能交通系 统在提高交通设施通行能力、服务水平、以及促进交通安全和环境改善方面有望取得空前的进 展，并预期在未来根本改变道路交通系统的面貌。 从世界道路的发展历史来看，道路的建设和发展、路网的形成和高速公路的发展是整个工 业化的进程相伴随的。同时由工业化和交通运输的发展，世界越来越城市化，而城市化水平的 提高则对交通尤其是道路运输提出了更高的要求，这就使得工业化国家以高速公路为代表的道 路网高度发达。 八十年代以来，在各发达国家虽然已经基本建成了四通八达的现代化国家道路网，但随着 社会经济的发展，路网通行能力日益满足不了交通量增长的需要。交通拥挤、阻塞现象日趋严 重，交通污染与事故越来越引起社会普遍的关注。经过长期和广泛的研究探讨，这些国家已从 主要靠修建更多的道路，扩大路网规模来解决日益增长的交通需求，转移到用高新技术来改造 现有道路交通系统及其管理体系从而达到大幅度提高路网通行能力和服务质量的目的。 美国、西欧和日本等发达国家为了解决共同所面临的交通问题，竞相投入大量资金和人力， 开始大规模的进行道路交通运输智能化的研究实验。起初，称为“智能车辆道路系统( i v t t s ) ”， 进行道路功能和车辆智能化的研究。随后系统功能扩展到道路交通运输的全过程及其有关服务 部门，发展成为带动整个运输现代化的“智能交通系统”。 1 9 9 5 年1 1 月召开的第二届i t s 大会描述 s 为：“i t s 是交通运输、特别是道路交通运输 领域的一场革命，它充分利用电子技术、信息技术和通讯技术，使交通运输系统从本质上智能 化，从而大大提高交通运行的安全性和运行效率。” 总结国际上近年的研究成果和经验，盯s 应该是一个有人合理参与的、充分利用高新技术 和装备的、针对基础设施中的交通运行以及运输系统中各组成部分的相互关系进行控制的系统。 我们可以这样描述i t s 的关键方面：它是将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感器技 术和系统综合技术有效的集成，并应用于地面运输系统，从而建立起大范围内发挥作用的，实 时、准确、高效的地面运输系统。在道路交通运输领域，系统的元素包括：道路使用者( 驾驶 员、居民、运输公司等) 、管理者( 交通管理、道路养护和收费管理等) 、有关的服务部门、交 耍塑塑篷盔兰翌圭堡壅二 通管理信息中心、通讯网络；系统的运行规则包括：交通规则、服务标准和规则、管理制度以 及系统优化的指标体系；系统的目标是将交通管理者、道路使用者、车辆、道路及其相关的服 务设施有机的连接起来，使道路交通的运行功能智能化、效率最大化。 i t s 的信息并非今日才有，早在二十世纪3 0 年代美国通用汽车公司和福特汽车公司就倡导 和推广过t 。现代化公路网”的构想，6 0 年代末出现的计算机交通控制技术等都可谓是，7 s 的基 础雏形，不过当时其重要性并不明显，没有受到人们足够的重视。进入8 0 年代后，特别是最近 几年i t s 却突然以惊人的速度发展，世界上许多发达国家争先恐后的进行开发研究，出现激烈 竞争的局面，并形成了美国、欧洲和曰本三大体系。 欧洲1 9 个国家的政府和企业界于1 9 8 6 年开始了一次名为”尤里卡”( e u r e k a ) 的联合研究 计划，由于欧洲的国家大部分都很小，因此欧洲的i t s 主要从洲际的角度进行，旨在建立跨欧的 智能化道路网，投资额达5 0 亿美元。具体计划中包括许多具体项目，如完善道路设施提高服务 水平的“d r i v e ”计划，建立全欧“交通服务无线数据通讯网”以及“欧洲最高效最安全交通计 划”( p r o m e i f e u s ) ，耗资8 亿美元，1 9 8 7 年1 0 月进入研究开发阶段，历时8 年；“自动道路和 驾驶系统”，耗资1 5 亿美元，历时7 年；“跨欧道路交通系统”，耗资2 7 0 万美元。此外，还有 “交通信息系统”。 日本的i t s 的开发也是从8 0 年代后期开始的，由运输省等政府部门组织上百家企业，会同 大学和研究机构进行大规模联合开发，已形成了宫民学的协调体制，这对日本1 t s 的发展起到 了很大的推动作用。日本特别重视1 t s 技术产品化的发展，其主要项目有“先进的动态交通信 息系统”，于1 9 8 7 、1 9 8 8 、1 9 8 9 年分别在东京大坂地区进行实地实验；“超智能汽车系统”( 1 9 9 1 年开始) ，以及“路车通信系统”等。 与欧洲、日本相比，美国i t s 研究起步较晚，进入9 0 年代，美国才认识到i t s 的重要性， 决定立即进行“智能车辆一公路系统”( i v h s ，即i n t e l l i g e n tv e h i c l e h i g h _ , a ys y s t e r n s ) 开发，于1 9 9 1 年初成立了专门的全国性组织，为政府出谋划策，并直接组织协调活动，目前， 成员单位大约2 0 0 多个，从1 9 9 2 年起大幅度投资。由g n 2 9 i f i ，美国的i t s 的开发在短短的 数年里就取得了迅速进展，开发范围亦扩展到整个运输系统，包括铁路与公路混合运输，因此 美国运输部遂于1 9 9 4 年底将“智能车辆公路系统”( i v i t s ) 易名为智能交通系统”( i t s ) ， 从1 9 9 2 年起i t s 开发进入实地实验阶段，先后在全国进行了大规模实验达2 0 余次。其中包括： l 交通诱导( g u i d es t a r ) 这是先进的驾驶员信息系统( a d i s ) 的核心技术，旨在以实时 交通诱导的结果，诱导交通。目前正在明尼苏达州进行为期五年，耗资i 2 亿美元的实验研究， 光缆通讯于1 9 9 7 年以前建成。 2 交通信息系统，自1 9 9 2 年3 月起，在佛罗里达州对1 0 0 辆汽车进行车载通讯和驾驶设 备实验，耗资8 0 2 万美元- n n - - 年，尔后在芝加哥地区对5 0 0 0 辆汽车进行实验研究，为期五 堕童塑蔓查堂堡圭堡苎 年，耗资4 0 0 0 万美兀。 3 重车电子牌照( t t e l p ) ，这是先进的交通管理系统( a t m s ) 中的项目，耗资2 5 0 0 万美元， 已在西部6 个州的3 5 个实验场地对2 0 0 0 余汽车进行自动识别，称重和交费试验。尔后自1 9 9 3 年1 0 月对2 万辆汽车进行为期一年的实验研究。 发达国家为何如此竟相开发i t s 其原因很多，主要有以下几点： 交通需求的日益增加，供需矛盾日益突出，与环境的关系也日益严重，为此交遥拥挤、阻 塞、事故、环境污染已成为最难消除的现代社会公害之一，改善交通的研究越来越受到各国政 府的重视与民众的关心。面临目益严重的交通问题，人们曾以各种手段解决交通供需矛盾，概 括起来主要有规划手段、： 程技术手段、传统管理手段。这些手段或受到投资及其它资源的制 约，或受见效面狭、见效期短等局限，特别是在城市建成区难于大量拆迁来增建、拓建道路交 通设施。为此，在摸索缓解交通困境几十年中，随着科学技术的发展，从8 0 年代开始发达国家 纷纷大量投资集中大量人力研究“智能交通系统”，其基本着眼点是通过高新技术的应用，来充 分提高原有道路交通设施的运输能力与交通安全。 道路交通阻塞1 3 益严重。椐统计美国主要城市由于交通堵塞造成的经济损失每年达4 2 0 亿 美元，全国每年因此丽造成的和延误达2 0 亿车时，到2 0 0 5 年预计将超过l1 0 亿车时，即增加 4 倍还多。日本许多大城市和高速公路汽车时速不到1 5 公里。这些国家的公路网早已建成，不 可能再靠多修路来解决问题，因此采用高科技是唯一的途径。8 0 年代以来信息、通讯、自动化 技术的飞速发展，为建设智能化交通提供了有利的条件。 巨大的经济利益。，z s 技术竞争实质就是经济竞争，各发达国家对此不甘落后，今天的竞 争是为了争夺明天的市场。美国运输部在国会的报告中指出，在未来2 0 年里，美国i t s 开发的 总投资( 包括地面设施在内) 将超过2 0 0 0 亿美元，这无疑会极大的刺激美国工商业的发展。至 于开发成果将在国际市场上带来的经济利益，则很难估算。这是发达国家争相开发，7 s 的原因。 从1 9 9 4 年欧共体在法国召开了第一届i t s 国际会议开始，发达国家纷纷争开国际会议以显 示自己的研究地位。1 9 9 5 年在日本召开第二届国际会议，1 9 9 6 年在美国召开第三届国际会议， 1 9 9 7 年在德国召开第四届国际会议，可见世界范围内对i t s 研究之热与竞争之激烈。i s o 国际 标准化开发，在制定i t s 标准化的研究的国际会议上已有世界诱导系统设计标准化方面的论文， 韩国也在会上提出韩国i t s 体系以及用于i t s 的数字交通地图数据库的标准化等报告。 各国普遍认为起步于二十世纪6 0 7 0 年代的交通运输管理计算机化就是7 s 的萌芽，随着 社会的科技发展与进步，i t s 有了新的内容，其核心技术是电子技术、信息技术、通讯技术和 系统工程，为此应该认为我国i t s 起步于8 0 年代。 我国从8 0 年代初重视运用高科技来发展交通运输系统。开始是从治理城市交通管理入手， 在8 0 年代中，在广泛开展城市交通调查、规划、治理的同时，开始时城市交通控制技术进行研 要童塑蔓盔堂堡主丝茎一二兰二 究。9 0 年代初一些高校和交通研究机构开始了城市诱导系统技术的研究尝试，这些研究主要借 鉴了英、美和澳大利亚等国的先进控制系统( 如t r a n s y t 、s c o o t 、s c a t s 等) 的理论和思想， 并在北京、上海、南京等城市作了试点。与此同时，北京、上海、沈阳等城市先后从英国、澳 大利亚引进rs c o o t 或s c a t s 控制系统。这些研究和实践，开拓了我国交通研究的新领域，也 取得了一定的实际效果，一定程度上缓和了当地的交通紧张矛盾。但是由于我国城市交通流的 特性、道路条件和市民的交通法规意识等方面与发达国家之间有很大差异。难以充分发挥这些 先进交通控制、诱导系统的作用。 在“九五”期间，交通部提出“加强智能公路运输系统的研究与发展”，指出，“结合我国 实际情况，分阶段的开展交通控制系统，驾驶员信息系统，车辆调度与驾驶系统，车辆安全系 统及收费管理系统等五个领域的研究开发、工程化和系统的集成，在此基础上，使成熟的科技 成果转化为可供使用的技术和产品。” 我国铁路运输部门从5 0 年代就开始了运用计算机进行货流组织，但7 s 前期工作应从“八 五”开始，即“八五”期间就开始了全路货车运营管理系统( 简称t m i s ) 的研究和实施，把全 国6 万公里铁路和4 0 多万辆货车的信息采集起来，进行加工处理，使全国铁路的货车传统人工 的管理办法进入到一个计算机管理新阶段，它将为实现全国铁路运营智能化打下基础，还有“铁 路列车运行图自动化编制”，“京九铁路编组站车辆实时跟踪系统”，“高速铁路车站到车控制系 统”，“铁路运输智能化网络结构研究”等。同时，北方交通大学国家2 l l 工程项目正在组建智 能交通实验室等。 我国公路系统亦开始了智能化研究，如高速公路的监控系统、高速公路自动收费系统、汽 车工业部门正在进行自动驾驶系统、多功能显示系统、诱导系统、防撞系统等等。有的已有成 果，有的正在进行研究。但目前均尚未提高到“智能化”的高度。特别是缺乏个进行总体规 划，按照智能化的需要，分别向有关单位提出相应的要求，达到成龙配套并总集成的单位。 此外，中国民航系统化空中导航、航线调整以及售票系统等方面智能化开发亦有突出的发 展。 总之，智能交通运输系统是新一代交通运输系统。通过对，7 s 技术的研究开发和应用，将 目前单独存在的车辆、道路、环境、信息融合，然后进一步将各种交通运输手段融合，通过这 些步骤，逐渐使交通运输系统化。我们可期待着快速、准时、安全、便捷和舒适的交通运输体 系将得以真正的实现。 那么，对研究智能交通系统建模而言，其重要性就不言而喻了。 堕塑塑蔓奎兰璺主堡苎 二生 2 2 交通控制的基本概念 随着城市化的进展和汽车的普及，交通拥挤在加剧，交通事故频发，交通环境恶化，其造 成的经济损失是匿大的。交通问题不仅在发展中国家，就是在发达国家也是令人困扰的严重问 题。解决交通拥挤的直接办法是提高路网的通行能力。但无论哪个国家的大城市，可供修建的 空间是有限的，且是越来越小，建设资金筹措困难。同时，由于交通系统是一个相当复杂的大 系统，涉及的因素众多，如车辆、道路、人口、经济等等，单独从车辆方面或从道路方面考虑， 都很难从根本上解决问题。此外，能源和环境问题的严重性也目益为人们所认识。因此，从系 统的观点出发。把车辆、道路和人等众要素综合起来考虑，运用各种商新技术和人工智能技术 建立具有控制能力的、现代化的智能交通系统来解决日益严重的交通问题已迫在眉睫。 本篇沧文仅对交通路口( 红绿灯) 控制系统进行t p p n 网建模，选择最佳红绿灯延迟时间， 求得道路无死锁，畅通无阻。为了对交通路口控制系统建模，我们首先要了解交通控制中的一 螳基本概念： 2 2 1 相位( p h a s e ) 向一股或多股交通流显示的某种交通信号序列。 红 黄 绿 红 绿 国国国 女过滤箭头( f i l t e r ) o o 靥 o 可变标志相位 其相关相位未给出通行权时开始，其相关相位给出通行权时结束。 女指示箭头( i n d i c a 。r ) 其相关相位给出通行权时开始，其相关相位结束给出通行权时结束。 冲突相位( e o n f li c t ) 羹 徽囹 日 囵 位 虚 相 相她司剑从 堕塑坚塾查堂堡圭堡塞一二! 三二 由于安全原因不能同时绘出通行权的相位。 对立相位( o p p o s i n g ) 相互间试图结束对方给出通行权的相位。 $ 绿灯间隔时间( i n t e rg r e e n ) 冲突相位间通行权转换的过渡时间。 十哑相位( d u = m y ) 控制器内部的软件相位，可以与某一硬件相位相结合，作为该相位绿灯的定时器。 相位最小绿灯时间( m i n ) 出于安全原因，当菜相位开始绿灯时所需保持的最短绿灯时间。 需求( d e m a n d ) 对某相位给出通行权的要求，需求来自于： 车辆检测器 行人过街按钮 中心控制命令 手机命令 配鼍数据设定等 需求相位( d e a n d d e p e n e n tp h a s e ) 依赖于需求丽给出通行权的相位。 2 2 2 阶段( s t a g e ) 在信号周期的某一段时间内，使一股或多股交通流获得通行权的交通信号状态。 阶段开始 阶段中所有相位给出通行权时： 阶段结束：阶段中任一相位结束给出通行权时 早断( 相位延迟) ：状态1 向状态2 变化过程中，相位a 对相位b 延迟x 秒。 晚放( 不同的绿灯间隔时间) 阶段间隔时间( i n t e r s t a g e ) ： 从前一阶段结束到下一阶段开始的过渡时间。 相位绿灯开始条件： 条件0 ：只要相位所属阶段开始印该相位绿灯开始； 条件l ：只有在相位所属阶段的阶段间隔开始前育对该相位的需求，才能在相应阶段或阶段 1 4 一 堕壹堕蔓查兰堡主堡苎一 间隔中开始绿灯： 条件2 ：只有在相位所属阶段运行期间出现对该相位的需求才开始绿灯； 条件3 ：在条件2 的基础上，只有在指定的窗口时间内才能开始绿灯。窗口时间人为设定 由任何一一个该相位的对立相位需求触发。 相位绿灯结束条件： 条件0 ：只要相位所属阶段结束即该相位绿灯结束； 条件l ：当所指定的某相关相位给出通行权时，该相位绿灯结束( 过滤箭头) ； 条件2 ：当所指定的某相关相位结束给出通行权时，该相位绿灯结束( 指示箭头) 。 固定相位：开始条件0 的相位。每个阶段必须定义至少1 个固定相位。 非固定相位：开始条件1 、2 、3 的相位或开始条件0 但可以由某种条件从所属阶段中删除 的相位。 2 2 3 运行方式( m o d e ) 开机方式 备用方式( p a r t t i m e ) 根据时间表或所设定的某种交通条件启动或结束备用方式。在运行多个阶段流控制时，可 分别设定。 人工控制方式( m a n u a l c o n t r 0 1 ) 一 人工方式选择 一 人工控制 一 感应控制方式( v e h i c l e a c t u a t e d ) 2 3 制造系统的回顾 制造系统的起源大概要追溯到二十世纪初，大规模的机器产品生产在美国已开始出现。到 二十世纪五十年代，随着技术的不断革新和发展，新的制造系统开始被广泛应用，其中包括数字 控制、柔性制造系统、计算机集成制造系统等。制造系统技术的发展主要受市场需求的影响。 生产全球化加剧了公司问的竞争，其中，客户的满意度是增强竞争的一个主要方面。客户满意 度包括：较短的产品生产周期、产品类型多样、便宜的价格以及针对个别用户需求的专门制造。 一般说来，通过f m s 、c t m 等的诸多关键技术均可顺利完成。 堕壹堕翌查堂堕兰堡塞二：一 通常，有两种制造系统是可区分的：不连续、离散型的和连续型的。离散工件制造系统的 主要特征是通过离散的实体来进行区分，比如：发动机部件、自行车部件或计算机主板等。另 一种系统是通过连续的物流来进行处理的，比如：液体和气体。本篇论文主要探讨离散型的制 造系统。 在接f 来的一节，我们主要回顾制造系统的一些基本构件( 组成) ，比如a g v 自动引导小车、 托盘支架、传送带等，这些将有助于我们加深对制造系统的了解；在接下来的第二节中分别介绍 几种不同的制造系统，这将帮助我们了解此篇论文的余下部分。 2 3 1 制造系统的基本组成 这一节主要介绍制造系统的基本组件。我们并不刻意的将所有存在的组件做一综述，只是 为读者提供对制造系统的一般了解。 托架( 托盘、支架) 工件通常放置在机器的相应支架上，支架可以自由移动。通常有两种类型的支架，其中一 种是托盘，可以装一批小工件，可以减少移动频率。另一种是可以把一个或多个工件精确固定 的支架，可移入机器内部。即是说，当机器对工件进行加工时，托架仍置留在机器里，当加工 完毕后，托架与工件一起移出机器。因此，了解系统使用的托架类型对系统建模非常重要。 夹具 夹具是用来把工件固定在托架上的一种设备。在生产过程中，我们可能会碰到各式各样的 夹具，一般说来，一种类型的工件对应一种类型的夹具，而有些时候，对一些相似类型工件采 用同一种夹具。有可能在加工过程中，夹具直固定在托架上，当工件离开系统时，夹具才与 工件分开。因此，了解每一托架上使用的夹具类型对系统建模非常重要。 缓冲区( 池l 在一般的制造系统里有两种类型的缓冲池，一种在机器内部，一种在机器外部。当机器正 对一个工件进行加工时，前者允许其它工件进入机器内部，也就是说当前一工件正在等待被传 送出去时，机器可对另一需加工的工件进行加工。后一种缓冲池包括存储设备、托盘、夹具或 新物料，在生产线上缓冲池会恰当的分布其中。有时一个中心存储设备在一个工厂生产过程中 已足够满足要求，它将整个生产联系成一个整体。这种类型的缓冲池在建模方面有很好的发展 前景。 自动引导小车 自动引导小车，主要是将一定数量的货物从一个地方运送到另一个地方。它通常是沿预先 定义好的路线或一组路线进行工作的