城市交通单交叉口两级模糊控制器的设计
基于粒子群的城市交通信号两级模糊控制
２ ０ １ ３ 年 ３ 月
交
通
科
技
与
经
济
Ｖｏ Ｌ １ ５ ． Ｎｏ ． ２
Ｍａ ｒ ．， ２ ０１ ３
Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ＆ Ｅｃ ｏ ｎ ｏ ｍｙ ｉ ｎ Ａｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｆ Ｃｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ
信 比、 周 期 随交 通 状 况 而 自适 应 变 化 ， 并 采 用 粒 子 群 算 法 对 模 糊 控 制 器 的 隶 属 度 函 数 进 行 优 化 。仿 真 结 果 表 明 ， 该
系统能有效地提高交叉 口的通行能力 ， 减少车 ； 平均延误
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｕ ｒ ｂ ａ ｎ ｔ ｒ ａ ｆ ｆ ｉ ｃ ｆ ｌ ｏ ｗ ，ａ ｔ ｗｏ — ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｔ ｏ ｓ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｒ ａ ｆ ｆ ｉ ｃ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ １ ，ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ｏ ｆ ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ ｒ ｕ ｌ ｅ ｓ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｆ ｆ ｉ ｃ ｓ ｉ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｄ，ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｆ ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ａ ｄ ａ ｐ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ． Ｔｏ ｍｏ ｄ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｍｂ ｅ ｒ ｓ ｈ ｉ ｐ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ ，ａ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｗａ ｒ ｍ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｃ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｒ ａ ｆ ｆ ｉ ｃ ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ｙ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ ａ ｕ ｔ ｏ ｍｏ ｂ ｉ ｌ ｅ ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｔ ｒ ａ ｆ ｆ ｉ ｃ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｌ ；ｆ ｕ ｚ ｚ ｙ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ；ｐ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｌ ｅ ｓ ｗａ ｒ ｍ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ；ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｇ ｅ ｄ ｅ ｌ ａ ｙ
一种城市单路口交通两级模糊控制方法
第 １卷 ８
Ｖ
电子设 计 工程
Ｅｌｃｒ ｎ ｃ Ｄｅ ｉ ｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｉｇ ｅ ｔｏ ｉ ｓｇ ｇｎｅ ｒｎ
２１ ０ ０年 １月
Ｊｎ ２ １ ａ．００
一
种城市单路 口交通两级模糊控制方 法
卫 小伟 １ ， ２，常 博 ・
３ 长 安 大 学 信 息 工 程 学院 ．陕 西 西 安 ７ ０ ６ ） ． １０ ４
（ ． 西 交通 职 业 技 术 学 院 陕 西 西安 ７ ０ １ ； ． 安 大 学 电 子 与 控 制 工 程 学 院 ，陕 西 西 安 ７ ０ ６ ； １陕 １０ ８ ２ 长 １ ０ ４
摘 要 ： 据 单 路 口 ４个 方 向 车 流 信 息 ， 出 一种 单 路 口 交 通 两级 模 糊 控 制 方 法 ， 用 模 糊 控 制 技 术 ， 需 建 立 精 确 的 依 提 采 无 数 学模 型 ， 两相 位 的 交 叉路 口 ， 一 种 基 于 车辆 等 待 长 度 的 单 点 信 号 交叉 口 交通 实 时模 糊控 制 方 法 。 据 城 市 交 通 对 是 根 实 际 状 况 ， 考 虑 每 个 相 位 的 关 键 车 流 和 非 关键 车 流 的 车 辆 到 达 交 叉 口信 息 的 基 础 上 ， 出更 有 效 的 单 路 口 交通 实 在 提 时 模 糊 控 制 方 法 ． 对 该控 制 器进 行 仿 真 研 究 ， 真 结 果 达 到 预 期 要 求 并 仿 关 键 词 ：交通 网络 ：单 路 口 ：两级 模 糊 控 制 中 图分 类号 ： ４ １ Ｕ ９ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ４ ６ ３ （０ ０ ０ — ０ １Ｏ １７ — ２ ６２ １ ）１ ０ ８ 一 ３
单交叉口交通信号的两级模糊控制
一la X13 5 N 3 压 } N9 50
N } W 3o 5
主程序:0 1234
综上所述， 本人通过对数控车削端面矩形
一 Iwen llM CA { 一 }A10 I g Y c# T JA NPA) 一.." d 转、 25转 分 }I . 转4 / }定 一位
FN-} -lo
N2 0
指令有G92, G76, G32指令 本文编制车削
相位优先级模糊控制器输人量是各红幻 相
图2
常称Pappis法则，该方 但 法只是 一种理想 化的 交 号控制方法。本文 通信 针对一个典型的城
市 道路交叉口 将Pappis法的在原有的 ， 基础上
加以改进、完善， 以适应实际的需要。
3 控制方案
为了 获得可靠的交通流信息， 在交叉口 每 个入口 方向的各个车道上分别设置两个检测 器以构成一个检侧区. 如图1所示 其中 一个
包含了两个子模糊控制器， 即相位优先级模
川 典型交叉口示意图 图 1
方
糊控制器和绿灯延时摸糊控制器。相位优先
级模糊控制器用来求出当前各红灯相位的优
绿灯延时模糊控制器的输入量是 绿灯相 位上当前 辆数qc 和预备相位上当前 的车 的车 辆数q士 输出 绿灯相位单次需要延 。 量为 长的
绿灯时间4 e。他们的论域， 模糊子集， 实叉口的平均延误时间最
级模糊控制器的 输入、输出 变量的隶属度函
数。
短为目 进行变相序、 标， 变周期、 绿信比 变 控
制。设计的系统结构如图3 所示。 该系统是一个实时控制系统 ， 每隔一段 时 间需重新确定车流信息及预备相位( 即有 可能成为下一放行相位》 。对于同一相位最 多可进行四次延时 ， 每次延时的最长时间为
单个交叉口两级模糊控制及仿真研究
第!"卷#第"$期#"%!"年&月!'(!!!&!)""%!"#"$*%%%%*%)#科#学#技#术#与#工#程+,-./,.0.,1/232456/78/4-/..9-/4#:23;!"#<2;"$#=>4?"%!"!#"%!"#+,-;0.,1;8/494;单个交叉口两级模糊控制及仿真研究刘小和"空军第一航空学院$信阳D'D%%%#摘#要#伴随着我国国民经济的高速发展和城市化进程的加快 城市交通拥堵问题日趋严重 交叉口作为城市交通网络的重要组成部分 解决城市道路交叉口问题是解决城市交通的关键 对其研究有着极其重要的意义 在对现有国内外学者对交叉口信号模糊控制研究的基础之上 对单个交叉口的模糊控制进行系统的分析阐述 提出了一种新型的交叉口两级模糊控制方法 对于模糊控制中复杂的逻辑推理和计算问题采用@=0I =Z 进行编程计算 最后 运用@=0I =Z 进行模糊控制器动态仿真 结果表明模糊控制效果更好关键词#交叉口##模糊控制##仿真##@=0I =Z 中图法分类号#d DC!;)!%####文献标志码#="%!"年D 月!%日收到$D 月"%日修改作者简介&刘小和$河南人$研究方向&智能控制$信号优化'##随着交通拥堵问题日益严重$解决城市道路交叉口的问题是解决城市交通的关键$所以进行交叉口信号控制的研究具有重要的意义'交叉口信号控制有定时控制系统(感应控制和自适应控制)!*'定时控制和感应控制对于不同的环境下的变化交通流$其灵活性与适应性仍有所欠缺'自适应控制能够连续测量交通状态产生实时的控制$使控制效果达到最优或次优'自适应控制方法中模糊信号控制法作为一种重要的基于规则的控制方法$不需要建立被控对象的精确数学模型$能够模仿有经验的交警指挥交通时的思路$获得良好的控制效果)"$$*'本文基于国内外学者的研究$对单个交叉口的模糊控制进行系统的分析阐述$介绍两级模糊控制)D $)*'采用@=0I =Z 进行编程计算$运用@=0*I =Z 进行模糊控制器动态仿真'!"前提条件单个交叉口如图!所示$每条入口车道装两台车辆检测器$间距!)%J $分别检测各方向的排队长度和路段车辆数'路段车辆数定义为每条车道上两车辆检测器之间的车辆数'设交叉口车辆平均车速为!%J `M $使得在最小绿灯时间!)M 内$以平均速度为!%J `M 的车辆能在绿灯相位时间内顺利通过交叉口'根据检测器检测到的绿灯相的关键车流的路段车辆数以及红灯相的关键车流的排队长度信息$由模糊控制器可得到绿灯时间增量)'$(*'$"控制策略模糊控制方案&用路段车辆数的概念$通过添加绿灯相位进口交通流量与绿灯相位路段车辆数(红灯相位排队长度一道作为输入控制量$充分反映交叉口交通状态'输出量的控制思想&在最大绿灯时间的限制下$根据采集的交通信息$通过查询表得到具体的延长时间$使得延时更加合理有效'当延时为%时$代表的是转换相位'由于控制规则的复杂性$通过二级控制来减少控制规则数目)&*'控制策略为&首先开放东西向绿灯$并给予最小绿灯时间!)M %在最小绿灯时间结束前一时刻$检测到绿灯相位的进口流量和路段车辆数以及红灯相位的排队长度$从而得到绿灯相位和红灯相位的交通强度$进而推出具体的延长时间$但延时后的绿灯时间不超过最大绿灯时间'%M '当延长时间为%M 或超过最大绿灯时间$换绿灯相给南北向以最小绿灯时间$继续上述操作'$#!"模糊控制器的设计该两级模糊控制器系统组成如图"所示'图!#两相位交叉口的设计图"#两级模糊控制器结构图$#$"绿灯相位交通强度模块定义绿灯相位的交通强度"用0b 表示#是&6时间内的进口交通流量和路段车辆数的函数'绿灯相位的进口交通流量定义为&若绿灯相位是东西方向$则G $J 6S )G 6F "6#$G 69"6#*%若绿灯相位是南北方向$则G $J 6S )G 6F "6#$G 69"6#*'绿灯相位的路段车辆数定义为&若绿灯相位是东西方向$则+$J 6S )+6F "6#$+69"6#*'若绿灯相位是南北方向$则+$J 6S )+6E "6#$+6I "6#*'";";!#模糊推理的输入 输出输入变量G $+%输出变量Q U 49../'";";"#模糊化处理G 的模糊化&基本论域&-%$%;!$%;"$%;$$%;D .%模糊词集&-很小$小$中$大$很大.'表!"$隶属函数赋值表隶属度G%%;!%;"%;$%;D 模糊词集很小!%?'%?"%%小%?'!%?'%?"%中%?"%?'!%?'%?"大%%?"%?'!%?'很大%%%?"%?'!##+的模糊化&基本论域&-%$"$D $'$&$!%$!"$!D $!'$!&$"%$""$"D $"'$"&.%模糊词集&-很短$短$中$长$很长.'表$"%隶属函数赋值表隶属度+%"D '&!%!"!D !'!&"%"""D "'"&模糊词集很短!%?&%?'%?D %?"%%%%%%%%%%短%?"%?D %?'%?&!%?&%?'%?D %?"%%%%%%中%%%%%?"%?D %?'%?&!%?&%?'%?D %?"%%长%%%%%%%%%?"%?D %?'%?&!%?&%?'很长%%%%%%%%%%%%%?"%?D%?'##Q U 49../的模糊化&的基本论域&-!$"$$$D $).%模糊词集&-很低$低$中$高$很高.'表%"&'J977-隶属函数赋值表隶属度Q U 49../!"$D )模糊词集很低!%?)%%%低%?)!%?)%%中%%?)!%?)%高%%%?)!%?)很高%%%%?)!";";$#模糊规则确定绿灯相位的模糊控制规则的原则是&如果绿灯相位的进口流量增大或路段车辆数增多$交通强度升高'通过总结实践和专家经验$建立模糊控制规则$如表D '";";D#模糊推理 模糊决策有了各个模糊集合的隶属函数分布$就可以对每条模糊控制规则计算器模糊蕴涵关系'常用的模糊推理有两种方法&a 67.1法和@6J 76/-法'@6J 76/-推理法是一种模糊控制中普遍使用的方($!"$期刘小和&单个交叉口两级模糊控制及仿真研究法$其本质是一种合成推理方法'表+"模糊控制规则表Q U49../G很小小中大很大+很短很低很低低中高短很低低低中高中低低中高很高长中中高高很高很长中高高很高很高##模糊推理语句+N Q;6/7>G1./L,蕴含的关系为";.>(L#$根据@6J76/-模糊推理法$其关系矩阵U为U$";V>#0!V L%式中$";V>#0!为模糊关系矩阵";n>#Jn/构成的-V<列向量$0!为列向量转换$<和-分别为;和>论域元素的个数'";";)#控制量的去模糊化模糊推理总的输出实际上是多个控制规则推理结果的并集$需要进行去模糊化才能得到精确的推理结果'下面采用最大平均法进行去模糊化处理'由于计算的复杂性$在@=0I=Z中编写程序$运行得到结果如表)所示'表O"模糊控制查询表Q U49../+%"D'&!%!"!D!'!&"%"""D"'"&G%!!!!!!""""$$$$D%;!!!""""""""$$$$D%;"""""""$$$$$D D D)%;$$$$$$$$D D D D D D D)%;D$$D D D D D D D D))))) $#%"红灯相位定义红灯相位的交通强度"用Q U表示#是&6时间内的排队长度的函数'红灯相位的排队长度定义为&若红灯相位是东西方向$则Q U9.7RJ6S)+6F"6#$+69"6#*$若红灯相位是南北方向$则Q U9.7RJ6S)+6E"6#$+6!"6#*'";$;!#模糊推理的输入 输出输入变量+%输出变量Q U9.7";$;"#模糊化处理+的模糊化&基本论域&-%$"$D$'$&$!%$!"$!D$ !'$!&$"%$""$"D$"'$"&.%模糊词集&-很短$短$中$长$很长.'表Q"%隶属函数赋值表隶属度+%"D'&!%!"!D!'!&"%"""D"'"&模糊词集很短!%?&%?'%?D%?"%%%%%%%%%%短%?"%?D%?'%?&!%?&%?'%?D%?"%%%%%%中%%%%%?"%?D%?'%?&!%?&%?'%?D%?"%%长%%%%%%%%%?"%?D%?'%?&!%?&%?'很长%%%%%%%%%%%%%?"%?D%?'##Q U9.7的模糊化&基本论域&-!$"$$$D$).%模糊词集&-很低$低$中$高$很高.'表T"&'97<隶属函数赋值表隶属度Q U49../!"$D)模糊词集很低!%?)%%%低%?)!%?)%%中%%?)!%?)%高%%%?)!%?)很高%%%%?)!";$;$#模糊规则确定红灯相位的模糊控制规则的原则是&如果红灯相位的排队长度增长$那么交通强度升高'通过总结实践经验$建立了模糊控制规则$如表&所示'表U"模糊控制规则表+很短短中长很长Q U9.7很低低中高很高";$;D#模糊推理 模糊决策同绿灯相位模糊推理$根据各个模糊集合的隶属函数分布$就可以对每条模糊控制规则计算其模糊蕴涵关系'";$;)#控制量的去模糊化&$!科#学#技#术#与#工#程!"卷模糊推理总的输出实际上是多个控制规则推理结果的并集$需要进行去模糊化才能得到精确的推理结果'下面采用最大平均法进行去模糊化处理'在@=0I=Z中编写程序来计算$运行得到结果如表C所示'表V"模糊控制查询表+%"D'&!%!"!D!'!&"%"""D"'"& Q U9.7!!""""$$$$D D D D)$#+"决策模块模糊控制的第二级决定具体延长时间"如果延长时间为%$意思就是终止信号$进入下一相位#的信号相位'其输入级就是第一级的交通强度Q U49../和Q U9.7$其输出就是具体的延长时间'具体见表!%$控制规则表是通过专家经验及仿真实验而制定的'表!W"交通强度延时表&QQ U49../!"$D)Q U49../!%"D'& "%%"D' $%%%"D D%%%%" )%%%%%%"模糊控制器的仿真模糊控制器的最简单(最基本的实现方法是将一系列的模糊控制规则离线转化为一个查询表$存储在计算机中供在线控制时使用'对于两级模糊控制器$其第一级控制器由两个子模糊控制器组成'对于绿灯相位交通强度模糊控制器来说$采用的是@6J76/-模型)C*'其输入量&交通流量G和+$输出量为Q U49../'调用所编制的程序可得到控制表$并生成绿灯相位交通强度与进口车道交通流量(路段车辆数之间的三维关系图$如图$'对应于不同的交通流量G(路段车辆数+$其动态显示界面如图D所示'根据第一级的两个模糊控制器的控制表$我们就可以根据车辆检测器检测的数据进行查表处理$得到相应的延长时间'图$#三维关系图图D#模糊控制器动态仿真显示界面+"结论本文基于现有国内外学者对交叉口信号模糊控制研究的内容之上$对单个交叉口的模糊控制进行了系统的分析阐述'在模糊控制器的设计中$编写了独创性的计算方法$并运用@=0I=Z进行模糊控制器的动态仿真$仿真结果表明模糊控制比定时控制控制效果更佳'本文没有考虑混合交通的问题$仅考虑机动车流$这与国情不符'需进一步研究混合交通下的交叉口模糊控制问题'参考文献!#徐建闽;交通管理与控制;北京&人民交通出版社$"%%("#刘智勇;智能交通控制理论及其应用;北京&科学出版社$"%%$ $#I-K2/4;096Q Q-,676TG-W.,2/G923Q292W.9M6G>96G.7-M236G.7-/G.9M.,* G-2/M&@27.37.W.32TJ./G6/7M-J>36G-2/G.M G-/4;H2>9/632Q096/M T29* G6G-2/8/4-/..9-/4$"%%D%!$%")#&)CD!'%!C$!"$期刘小和&单个交叉口两级模糊控制及仿真研究D#a67.1I=;A>]]5M.G M;N/Q29J6G-2/k[2/G923$!C')%&&$$&!$)$ )#褚#静;模糊控制原理与应用;北京&机械工业出版社$"%%)'#陈#洪$陈森发;单路口交通实时模糊控制的一种方法;信息与控制$!CC(%"'"$#&""C!"$$(#刘智勇$朱#劲$李秀平$等;单交叉口的多相位模糊控制;信息与控制$!CCC%%'&D)$!D)&&#黄辉先$史忠科;城市单交叉路口交通流实时遗传算法优化控制?系统工程理论与实践$"%%!%%$&!%"!!%'C#徐建闽$舒#宁$尹宏宾;新型模糊控制算法在交叉口信号控制中的应用;华南理工大学学报"自然科学版#$"%%%%%'&!!)M A3(15.J7'8H H0;3-593/.-<=2>8/.523-.5=2-J/7K-57917:523-I N dP-62*1."A-9M G=W-6G-2/[233.4.2Q G1.=-9A29,.$P-/56/4D'D%%%$O?b?[1-/6#)*?159.:5*#V-G1G1.96T-77.W.32TJ./G2Q[1-/6g M/6G-2/63.,2/2J56/7G1.6,,.3.96G-2/2Q>9F6/-]6G-2/ T92,.M M$>9F6/G96Q Q-,,2/4.M G-2/-M492c-/4;N/G.9M.,G-2/-M6/-J T29G6/G T69G2Q G1.>9F6/G96Q Q-,/.G c29L$-Q G1./.G* c29L T92F3.J M16W.6F6716/73.7$G96Q Q-,,2/4.M G-2/c-33F..M T.,-6335T92J-/./G;02M23W.G1.T92F3.J2Q>9F6/ G96Q Q-,-/G.9M.,G-2/-M G1.L.52Q M23W-/4>9F6/G96Q Q-,$6/7-G16M49.6G M-4/-Q-,6/,.;Z6M.72/G1..S-M G-/472J.M G-, 6/7Q29.-4/M,12369M2/G1.-/G.9M.,G-2/M-4/63Q>]]5,2/G923$6Q G.97.M,9-F.7M-/43.-/G.9M.,G-2/2Q6M5M G.J6G-,6/635* M-M2Q Q>]]5,2/G923$6/2W.3J.G1272Q G1.-/G.9M.,G-2/2Q G c2*M G64.Q>]]5,2/G923-M T9.M./G.3;01.@=0I=ZT92* 496J J-/4G29.6M2/6/7,63,>36G.-M>M.7;A-/6335$G1.Q>]]5,2/G9233.9F5@=0I=Z-M M-J>36G.7;=/7G1.9.M>3G M M12cG16G Q>]]5,2/G923-M F.G G.9;)@70A39<1*#-/G.9M.,G-2/##Q>]]5,2/G923##M-J>36G-2/##@=0I=Z%D!科#学#技#术#与#工#程!"卷。
城市交叉路口分级模糊控制器设计
的城 市 交 通 问题 就 显 得 尤 为 必 要 了 。Ｃ ｉｆ 计 了一 个 双 输 入 ｈｕ设 － 双 输 出 的 模 糊 决 策 系 统 用 于 多交 叉 口交 通 网 络 ； 智 勇 ［］ 刘 ２提
模 糊 规 则 。基 于 这 一 思 想 ， 计 分 级模 糊 控 制 器 如 图 １ 示 。 设 所
分级 模 糊 控制 器 的 效 能 在 于有 效 减少 规 则 数 ，易 于 提 取
１ 引言
经济社会 的迅速发展给城市交通带来 了巨大压力 ，常用 的扩 大交通基础设 施建设 的做 法因受制 于政府财政约 束 ， 作 用空 间已不大 ， 在现有城市硬件设施的基础上 ， 利用 现代 信息 技术开发城市智能交通管理和控制系统对解决 目前 Ｅ益紧张 ｔ
（ ｕｚ ｏ ｎｖ ｒ ｔ ｏ Ｆｎ ｎ ｅ ｃ ｎ ｍ ｃ， ｕｙ ｎ ５ ０ ０ ， ｈｎ ） Ｇ ｉ ｕＵ ｉ ｓ ｙ ｆ ｉａ ｃ ＆Ｅ ｏ ｏ ｉｓＧ ｉａ ｇ ５ ０ ４ Ｃ ｉａ ｈ ｅｉ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｎｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｉ ｉｗ ｆ ｈ ｅ ｃ ｅ ｃ ｆ ｎ ｅ ｓ ｃ ｉｎ ｓｇ ｌ ｉｈ ｆ ｚ ｙｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｔ ｉｘ ｄ ｓｒ ｃ ｕ ａ ｐ ｒ ｍｅ ｅ ｗｅｐ ｏ ｏ ｅ ｔ ａ ｔ Ｉ ｈ ｓ ａ ｅ ， ｎｖ ｅ ｏ ｔ ｅｄ ｆ ｉｎ ｙｏ ｉ ｔｒ ｅ ｔ ｉｎａ ｌ ｔ ｕ ｚ ｏ ｔｏｌ ｗｉ ｉ ｏ ｇ ｅ ｈｆ ｅ ｔｕ ｔ ｒ ｌ ａ ａ ｔ￣， ｒ ｐ ｓ ｄａ ｔｐ ｆ ｒ ｄ ｕ ｚ ｏ ｔｏ ｌｒｆｒ ｈ ｏ ｔｏ ａ ｄ ｏ ｔｍｉ ａｉ ｎｏ ｔａｆｃｆ ｗ ｔ ｈ ｎ ｅ ｓ ｃ ｉｎ ， ｉ ｈ ｃ ｎ ｅｆ ｃ ｉｅｙ ｒ ｄ ｅｔ ｅｎ ｍｂ ｒ ｆ ｌ ｓ ｙ ｅｏ ｇ ａ ｅｆ ｚ ｙｃ ｎ ｒ ｌ ｏ ｔ ｅｃ ｎ ｒ ｌ ｅ ｎ ｐ ｉ ｚ ｔ ｆ ｒ ｆｉ ｌ ａ ｔ ｅｉ ｔ ｒ ｅ ｔｏ ｓ ｗｈ ｃ ａ ｆｅ ｔｖ ｌ ｕｃ ｈ ｕ ｅ ｏ ｒ ｅ ， ｏ ｏ ｅ ｕ ｓｍｐ ｉ ｅｒ ｌ ｆ ｕ ｚ ｘ ｒ ｃｉ ｎ ａ ｄｓ ｇ ｉ ｃ ｎ ｌ ｍｐ ｖ ａ ｓ ｂ ｌｔ ｆ ｈ ｔ ｒｅ ｔ ｎ ． ｕ ｓ ｑ ｅ ｔ ， ｍｕ ａ ｉｎ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｅ ｉ ｅ ｉ ｌ ｙｔ ｅｏ ｆ ｚ ｙｅ ｔ ｔ ｎ ｉ ｆ ａ ｔ ｉ ｒ ｅ ｔ ｐ ｓ ａ ｉｉ ｏ ｔ ｅｉ ｅ ｓ ｃｉ ｓ Ｓ ｂ ｅ ｕ ｎ ｌ ａ ｓ ｌ ｔ ｘ ｅ ｉ ｎ ｒｆ ｄ ｆ ｈ ｕ ａ ｏ ｎ ｉ ｙ ｏ ｈｅ ｙ ｎ ｏ ｙ ｉ ｏ ｖ ｉ ｔ ｅ ｆ ｅ ｉｅ ｅ ｓ ｆｔ ｅｍｏ ｅ ｈ ｆ ｔ ｎｓ￣ ｈ ｄｌ ｅｅ ｖ Ｋｅ ｗｏ ｄｓ ｇ ａ ｅ ｚｙｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｕ ｂ ｎ ｔａｆ ； ｉｔｉ ｕ ｅ ｓｉ ｔ ｎａ ｇ ｒｔ ｍ；ｎ ｅ ｓ ｃｉ ｎ ｙ ｒ ： ｒ ｄ ｄｆ ｚ ｏ ｔｏｌ ； ｒ ａ ｆ ｃ ｄ ｓｒｂ ｔｄ ｅ ｔ ｕ ｅ ｒｉ ｍａ ｉ ｏ ｉ ｏ ｌ ｈ ｉ ｔ ｒｅ ｔ ｏ
道路交叉口信号模糊控制系统设计设计
道路交叉口信号模糊控制系统设计设计大学本科毕业设计（论文）道路交叉口信号控制系统设计Road Intersection Signal Control System Design摘要城市交通灯信号设计是城市道路交通通畅便利的关键。
随着城市的发展，机动车数量的增加，城市的交通运输能力关乎工业发展，市民生活和市容市貌。
城市交通系统具有时变性，随机性，复杂性和整体性，模糊控制结合专家的经验知识，可以实时调整控制信号，达到理想的控制效果。
本文主要以单交叉路口的车流为研究对象，在相位和车道固定的前提下，以每车道的车辆平均延迟时间为检测标准，以此决定当前相位绿灯时间的模糊规则。
车辆平均延误时间是评价交叉路口信号控制的设计水平和车辆通行效率的有效方式。
它将交叉路口的通行效率，司机的感受，机动车的耗油量结合起来，反应了信号控制的合理性。
本文针对以前设计的各种交通灯信号设计的不足之处，做出了适当改进，使其符合美国通行能力手册标准（HCM）。
采用简便明了的设计方法，便于司机接受。
将设计效果，理论设计值和实际观测值进行比较，利用MATLAB仿真工具箱进行仿真，检验信号设计效果。
仿真结果表明，和实际值相比，设计方案更加有效，接近理论最佳值。
本文研究内容分为以下几个部分：第一章绪论，主要是该论文的课题背景，已有成果和本文需要解决的问题；第二章是简单介绍交叉路口术语，模糊控制方法以及计算公式；第三章给出了实际路口交通流量的勘测数据，以及采用HCM中Webster算法的理想定时控制信号设计；第四章主要是使用MATLAB对交叉路口流量采用模糊控制和HCM理想最佳两种方法进行仿真建模，对平均延误时间比较、分析；最后一部分是总结。
关键词：模糊控制；延误模型；MATLAB仿真；交叉路口信号Road Intersection Signal Control System DesignAbstractUrban traffic light signal design is a key factor concerning the fluency and convenience of urban traffic system. As the development of city and the increase of motor vehicles’amount, urban traffic transportation ability becomes a crucial issue, which affects urban industry, citizens’ lives and city appearance. Urban traffic system has changeable, random, complex, and integer features. Fuzzy control combined by expert’s knowledge can adjust control signal concurrently, achieve an ideal control effect.This paper mainly concerns about single cross traffic flow optimization. With a precondition of fixed phases and lanes, tested by average vehicle delay per lane, a fuzzy algorithm of the current phase green-time can be resolved. The average vehicle delay is an effective way to evaluate the lever of intersection signal control design and motor cars’passing efficiency. This parameter combines intersection’s passing efficiency, drivers’ feeling, and motor cars oil consumption, shows rationality of control signal.To making up the defects of former traffic light designs, this paper improves their plans to let them fit the Highway Capacity Manual standards. It uses a simple and convenient design method, making drivers easy to follow orders. Then it compares actual signal plan, theoretical design, and fuzzy control plan by MATLAB Simulink toolbox, to test signal design effect. The result shows, compared by recent plan, the new designed plan is more effective, closer to the optimum value.This paper content is divided by several sections: the first section is an Introduction, mainly about the background of this paper, recent achievements, and issues to be solved in this paper. The second section brief introduces some traffic terms, fuzzy control methods, and calculates equations. The third section gives actual traffic flow of intersection, uses Webster algorithm to make a better fixed traffic signal. The fourth section simulates intersection’s traffic flows using MATLAB Simulink toolbox by two approaches of Webster and fuzzy control, compares average delays and analysis the results. The last section is a conclusion of whole passage.Key Words：Fuzzy Control；Delay Model；MATLAB Simulation；Crossing Signals目录摘要 (I)Abstract (II)引言 (1)1绪论 (2)1.1研究背景21.2道路通行能力21.2.1美国道路通行能力手册（HCM）31.3模糊控制理论31.3.1模糊控制理论的发展简史31.3.2模糊控制理论的应用范围31.3.3模糊推理过程41.4主要工作42交通控制基本理论 (6)2.1交通控制的设计原则62.2信号设计及检测流程62.3交通控制的基本术语和方法72.3.1定时控制112.3.2自适应控制112.4相位设计132.5检测器的设置162.6交通情况检测指标的确立163单交叉口勘测与信号控制效果检验 (20)3.1单交叉口交通情况勘测203.1.1道路情况203.1.2车流量调查203.2信号相位观察233.2.1实际配时方案233.2.2相位表示方法233.3Synchro6软件仿真243.3.1调查数据输入253.3.2北山十字路口控制效果检测283.3.3北山十字路口控制信号改进314单交叉路口模糊控制设计 (37)4.13相位6车道的信号设计374.1.1模糊控制信号设计流程374.1.2仿真总体结构374.1.3信号相位设计384.1.4绿信比设计394.23相位6车道的定时控制仿真424.2.1Simulink模块搭建424.2.2定时控制延误时间484.33相位6车道的模糊控制仿真534.3.1模糊控制方案设计534.3.2模糊控制规则554.3.3模糊控制Simulink模块584.3.4模糊控制延误时间614.4平均车辆延误比较63结论 (67)参考文献 (68)附录A MATLAB函数计算程序 (71)致谢............................................................................................. 错误!未定义书签。
城市单路口交通信号两级模糊优化控制与仿真
与 VC + + 的混合编程技术构建交通信号两级模糊 在线优化控制 Paramics 仿真平台，并以典型城市单 交叉口进行实验，采用四种控制策略对案例进行大 量仿真，对提出的两种模型进行效用评价。
1 两级组合模糊控制模型
1. 1 建模理论分析
交通信号两级模糊控制器的性能受限于交通状
态变量的选择和控制器参数的合理设置。路口车辆
第 51 卷
城市交通信号多级模糊控制器综合考虑多维交 通状态影响因素，如排队长度、饱和流量和相位持 续时间等，可较准确地描述路口各相位交通流通行 需求的紧急程度，并通过分级分散处理状态变量可 避免状态变量间相互干扰； 同时，通过优化路口相 位顺序，可提高控制器性能； 仿真结果表明该方法 能有效减少延误、提高路口通过量，优于定时控制 等［1］。但其采 用 的 标 准 四 相 位 结 构 忽 略 了 右 转 等 非关键车流，在交通状况复杂的路口，对交通流的 波动响应不足； 在低饱和的交通状态下，因考虑多 维交通状态影响因素，致使路口交通状态弱化，多 级模糊控制器性能差； 而且，多级模糊控制器的多 参数采用经验知识确定，不具备学习功能［2］。
在两个方面：
1） 相位决策延长时间小，相位频繁切换致使
路口新增车辆通常要排队才能通过。
2） 红灯相位时间短而目标绿灯相位排队车辆
数少，致使新绿灯相位无车浪费绿灯时间现象严
重。
因而，两级模糊控制器状态变量的选取应与路
口交通状态直接关联，状态变量的选择取决于路口
交通状态特征，面向不同的交通状态，模糊控制器
选择相位交通强度作为交通状态变量； 采用基于交
通强 度 的 两 级 模 糊 控 制 （ Two-level Traffic Signal Control，TFTSC） ［10］。组合模糊控制的概念模型用
基于模糊逻辑的单交叉口交通信号控制方法设计及实现
1排队车辆检测及相位确定
图1为道路交叉口示意图。因为右转的车辆 可随时通过，不会对交通灯的控制产生影响，所以 右转的车流在控制中就可以不考虑。规定以下相
基于模糊逻辑的单交叉口交通信号控制方法设计及实现——赵建玉 郭仲林郑显臣
13 1
基 于 模糊 逻 辑 的 单交 叉 口 交 通信 号
控制方法设计及实现*
赵建玉 郭仲林 郑显臣 ( 济南大学自动化与电气工程学院 济南250022)
摘要设 计了一种单 交叉口交通信 号灯的模糊 控制器，它 是根据排队 车辆数的多少 来控制交通 的。
因为当前共有3个红灯相位，要选择出一个 下一绿灯相 位，所以相位选择 控制器有6个输入， 即3个当前红灯相位的排队车辆数和持续红灯时 间；有1个输出，即选择的下一绿灯的相位数。 2．1 ．2相位 选择控 制器的 相位选 取规则
对于给定的输入，制定以下规则得到输出。 规则一：
I F b。 ≥120 THEN c —i
一相位，如南一北直行和北一南直行，我们取排队
车辆数较多的那一个相位的排队车辆数作为该相
位的排队车辆数。
2相位选择控制器与绿灯延时模糊 控制器设计
2．1相位选择控制器设计 2．1．1相位选择控制器的输入、输出
设当前第i 红灯相位的排队车辆数为口，( i 一 1，2，3或1，2，4或1，3，4或2，3，4) ，持续红灯时 间为b。( i 一1，2，3或1，2，4或1，3，4或2，3，4) 。 所谓持续红灯时间表示，该红灯相位由最近一次 绿灯切换为红灯的时刻一直到此刻所经过的时 间。设 选择出的下一 绿灯相位的 相位数为C。
基于蚁群算法的交叉口两级模糊控制器的设计
鬃■裂蹴YV A L LE工基于蚁群算法的交叉口两级模糊控制器的设计王建强马文阁张廷丰高洪波(辽宁工业大学电气工程学院辽宁锦州121001)信息科学[摘要]采用分级的模糊控制器即优化相序又优化绿灯时间，同时又使控制规则的选取更加容易。
并用蚁群算法对之进行优化，使系统能够自适应选取隶属函数参数，使设胃更加合理。
通过仿真证明，该系统能有效的提高交叉口的通行能力，减少车辆延误。
[关鐾词]智能交通交叉口蚊群算法中固分类号：T P2文献标识码：A文章编号：1671—7597(2005)1210053-'01一、曹曹交叉口是交通阻塞的主要发生点，交叉口信号灯控制系统是城市交通系统中的重要组成部分。
本文利用模糊控制器的分级设计，即优化相序又优化绿灯时间，同时利用蚁群算法改进控制器的设计参数，从而德到更符合实际的信号灯模糊控制器。
二、蕾号灯两级梗●曩撞翻■设计交叉口的相位分为东西和南北两部分，东西放行的时候决不会放行南北相位。
所以一个周期内放行的相序可以有以下几个组合：a bc d，abdc，ba ed，badc，cdab，c dba，de ab．dcba。
(其中abed分别为东西直行．左转和南北直行，左转)。
图l为系统框图。
线詈豳叁譬厂]赣行相位配I客冈圈翼蝴序旧尸萋————一U讨_＼’毪二]鸶b放行时圃旧测U翅疽L 器交j潭l选择懊块I撇图1模糊控制系统框图我们设计的模糊控制器分为两级，第一级为相序决策级，第二级为配时决策级。
第一级决定以那一种相位顺序放行(上述八种中的～种)。
第二级决定放行的各相位的放行时间。
具体控制过程为，当一个周期结束后，线圈检测器将榆测到的交通流数据(排队车辆数和车辆到达率)送到第一级模糊控制器作为输入，东西相位选择模块比较东两两相位的排队车辆数，得出东西方向相位顺序(ab或者ba)，并将最紧迫相位作为输入送到相序决策模块；同理．得H{南北方向相位顺序(c d或者dc)，也将最紧迫相位作为输入送到相序决策模块。
单点交叉口交通模糊控制仿真课件
04
输入输出变量
选择合适的输入输出变量是模 糊控制器设计的关键步骤。
模糊化
将输入变量的精确值映射到对 应的模糊集合上。
规则库
基于专家知识和经验，制定一 系列“if-then”规则。
去模糊化
将模糊集合的输出值映射回精 确值。
模糊控制的优势与局限性
优势
能够处理不确定性和非线性问题；能够处理复杂的、难以建模的系统；能够处 理多目标优化问题。
单点交叉口交通模糊控制仿真课件
目 录
• 单点交叉口交通概述 • 模糊控制理论 • 单点交叉口交通模糊控制仿真模型 • 单点交叉口交通模糊控制实际应用 • 未来研究方向与展望
contents
01
单点交叉口交通概述
定义与特点
定义
单点交叉口是指只有一个交叉点 的道路交汇点，是城市交通网络 中的基本单元之一。
交叉口交通控制的优化策略包括智能 化信号控制、自适应信号控制、多目 标优化等，这些策略将有助于提高交 叉口的运行效率和安全性。
THANKS
感谢观看
验证过程
对仿真模型进行多次运行，记录 仿真结果，并对结果进行分析。
验证结论
根据验证结果，评估仿真模型的 准确性和可靠性。
仿真结果分析
结果展示
将仿真结果以图表、数据等形式展示出来，以便 于分析和比较。
结果分析
对仿真结果进行分析，探讨模糊控制在单点交叉 口交通控制中的效果和优势。
结果总结
根据分析结果，总结模糊控制在单点交叉口交通 控制中的适用性和局限性。
用规则。
实际应用效果评估
交通流量改善
通过模糊控制策略的优化，提高交叉 口的通行效率，减少车辆等待时间和 拥堵现象。
单点交叉口交通模糊控制仿真
Step3:推断,假设Pi=0,或Pi≤m且ΔPi=Pi+1Pi≥n(m,n为依据交通量状况确定的常数)或者绿灯积存时 间tGi=tGmax,则将通行权给下一相位,并回到step1;否则 连续。
给出隶属度函数：
依据专家阅历,输入变量各个模糊子集的隶属度函数 取高斯型曲线,其输出比较光滑。
模糊推理及反模糊化：
解模糊化的方法常用的有：重心法、 最大隶属度法。
重心法(加权平均法)：重心法是指取模糊集隶属函数
曲线同根底变量轴所围而积的重心对应的根底变量值作为
清晰值的方法。 (μi))
I
I
公式u*=(∑ (uiμi)) /(∑
该种模糊掌握缺点： 1.此方法在相位固定的根底上再给出最优的当前相位绿灯
延时。这明显是存在了肯定的人为误差因素的，当固定的 下一相位车流很小甚至为零时，依据这种掌握规章，要给 出至少是最小绿灯时间，而且中间还包括绿灯转换所消耗 的黄灯时长，假设下两相位或是更后的相位有很大的车流 量，那么就必定会造成车辆平均延误较大了。 2. 仅依据单穿插口的相位的关键车流(同一相位中交通流 量比大的一股车流)来打算交通信号配时,而无视了两相位 的非关键车流对信号配时的影响。
μA： X→[0，1]， x→μA〔x〕 式中， 称μA为A的隶属度函数， μA〔x〕为x对A的隶属度。
由模糊集合的定义可知， 论域X上的模糊集A完全由隶属度 函数μA〔x〕来刻画。 μA〔x〕的取值范围为闭区间[0，1]， u的大小反映x对于模糊子集A的附属程度： μA〔x〕的值越接 近1， 表示x附属于A的程度越高； μA〔x〕的值越接近0， 则 表示x附属于A程度越低。
对交通信号灯模糊控制的自主创新性设计
对交通信号灯模糊控制的自主创新性设计作者：蒋雪峰, 张沥文, 杨阳, 蔡佳利, 刘璐琦, 徐昌贵来源：《现代电子技术》2010年第22期摘要:针对日益严重的交通拥堵问题设计出一种新型两级模糊控制方案来对四相位三车道单交叉口的交通信号灯进行实时智能控制。
该新方案沿用了当前各种交通信号灯控制方案的优点,同时针对其不足之处进行了弥补与完善,是一种同时具有自适应控制、分级模糊控制、相位繁忙优先和准确显时等优势的控制方案,更适用于实际的交通情况。
对新型模糊控制方案进行了仿真研究,仿真结果表明该方案明显优于传统控制方案。
最后还对该新方案进行了动态模拟演示,使其更具可观性和真实性,更易于运用到交通现场。
关键词:交通信号; 新型两级模糊控制; Matlab仿真; 动态模拟中图分类号:TN919-34文献标识码:A文章编号:1004-373X(2010)22-0110-04Innovation Design for Fuzzy Control of Traffic SignalJIANG Xue-feng, ZHANG Li-wen, YANG Yang, CAI Jia-li, LIU Lu-qi, XU Chang-gui(Emei Campus, Southwest Jiaotong University, Emei 614202, China)Abstract: A new type of two-stage fuzzy controller designed to perform the real-time intelligent control of traffic signals on four-phase single intersection of three lanes to slove the problem of the increasingly serious traffic congestion. This new program keeps up the advantages of each traffic signal control scheme adopted at present. At the same time, it makes up the shortcomings and perfects these traditional control schemes. It is a self-adaptive, hierarchical fuzzy, priority option and accurate phase control program, and as a result it is more suitable for the actual traffic conditions. In addition, this new type of fuzzy control scheme was simulated. The simulation result shows that the scheme is clearly superior to the traditional control schemes. Finally, the dynamic simulation illustration of the new program is offered in this paper, which makes it more impressively, authentically and easily apply to the traffic scene.Keywords: traffic signal; new two-stage fuzzy control; Matlab simulation; dynamic simulation收稿日期:2010-05-21基金项目:2009年西南交通大学峨眉校区大学生创新性实验活动基金项目(2009A011);2010年西南交通大学峨眉校区大学生科技创新基金项目(2010A003)0 引言近年来,随着经济的不断增长,城市化、汽车化的急速发展,城市道路增长的有限与车辆增加的无限造成了严重的交通拥挤问题,其中以交叉口的交通拥堵问题最为严重。
城市交通信号灯的模糊控制器设计
一
交通信号灯模糊控制器的设计 现 介 绍模 糊 控 制 器 （ｕｚ ｏｔ ｌ ｒ的基 本 Ｆｚｙ Ｃ ｎｒ ｌ ） ｏｅ
向车辆积压 ， 影响道路的畅通的现象 。其原因主要
是 十 字 路 口 的交 通 状 况 很 难用 数 学 模 型来 表示 ，
个时刻 ， 读取各方向处于检测 区中的车辆数 ， 经模
糊处 理 ， 得绿 灯换 向后 的绿灯 时 间长度 Ｔ 。
交通警察的判断思路也难 以用简单的控制方法来 实 现 。而模 糊 控 制不 需 建立 被 控 对象 的精 确 数学
属度函数计算出其属于这五个模糊集合 的隶属度 函数 。图 ３给出 了隶 属度 函数为梯 形 的情 况 。 采用 哪一种隶属度函数取决于所要控制 的对象及控制 要求 。
贝 灭
贝 小
止 小
大
图 ２ 输 出隶属度函数
图 ３ 输入隶属度函数
（ ） 糊规 则基 二 模
Ｐ 一 正小 ，Ｌ Ｓ Ｐ ＿正 大 。
ｔ
舞每
薰
・
应 用 技术 研 究 ・
城 市 交通 信 号灯 的 模 糊 控 制 器 设 计
陈江波
（ 山东大学 信息工程学 院 ， 山东 济南 ２ ０ ０ ） ５ １０
摘 要： 模糊逻辑主要是通过模仿人的思维方式来精确表示和分析 不确定 、 不精确 的信息。它在解决一些 实际问
题 中应 用非常广泛。 模糊控制 能够摆脱精确数 学模型的束缚 ， 模仿人脑的逻 辑推理过程来解决 问题 ， 适合
单交叉口交通信号灯模糊控制系统的研究与实现
能 强 的Ｐ Ｃ来 实 现 的 ， 软 件 设 计 利 用 了模 糊控 制 理 论 的 基础 知 识 实现 了Ｐ Ｃ 的 编 程 。 过 实践 证 明 该 类 控 制 系统 能够 稳 Ｌ 其 Ｌ 通 定 的运 行 ， 且 能 够很 好 地 去解 决 交 通 控 制 系统 中交 通流 量 存 在 不 均衡 所造 成 的 问题 。 并 关 键 词 ：模 糊控 制技 术 ； Ｌ 模 糊 控 制 器 Ｐ Ｃ；
Ｊｎ ０ ０ ｕ ．２ １
单 交 叉 口交通 信 号 灯模 糊控 制 系统 的研 究 与实现
李 自成
（ 徽 电子 信 息 职 业技 术 学 院 计 算 机科 学 系 ， 徽 蚌埠 安 安 ２ ３３ ） ３ ０ ０
摘
要 ： 对 目前 交 通控 制 系 统 中存 在 的一 些 问 题 ， 出 了基 于模 糊 控 制 技 术 的 城 市 交 通 信 号灯 控 制 系统 的设 计 。对 针 提
ｆ ｚ ｙ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓ ｅ ｕ ｚ ｏ ｔ ｏ ｙ ｔ ｍ
ＬＩＺｉｃ ｎｇ — ｈｅ
（ ｅ ａ ｔ ｅ ｔ ｆ Ｃ ｍ ｕｅ ｃ ｎ ｅ Ａｎ ｕ ｏ ａｉｎ ｌ ｏ ｅ ｅｏ ｌｃ ｏ ｉ ＆ Ｄ ｐ ｒｍ ｎ ｏ ｐ ｔｒＳ ｉ ｃ ， ｈ ｉ ｃ ｔ ａ ｌ ｇ ｆ Ｅ ｅｔ ｎ ｓ ｏ ｅ Ｖ ｏ Ｃ ｌ ｒ ｃ
单交叉口交通灯模糊控制器的设计与实现
Ⅲ
ｌ ｈ ｓｃ ｎｔｏｌｒｂ ｓｄ Ｏｌｆｚ ｙ ｃ ｎ ｒ ｌｆ ｒａ ｉｏａｅ ｏ ｄ ｉ ｅｓ ｃｉｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｌ ａ ｅ ｉ ｕ ｚ ｏ ｔｏ ｏ ｎ ｓ ｌｔｄ ｒ ａ ｎｔｒｅ ｔｏ ｇ ｅ
如 图 １ 示 ， 于 三 车道 单 交 叉 路 口 ， 方 向上 均 所 对 ４个
有直行（ 、 、 Ｑ２ Ｑ４ Ｑ６和 Ｑ８ 、 ） 左行 （ 、 、 Ｑ１ Ｑ３ Ｑ５和 Ｑ７ 、 ） 右
行 ３种 车 流 。 由 于 ４个 方 向上 的 右 行 车 流 不 与 其 他 车 流 发 生 冲 突 ， 为 只需 与横 穿 路 口 的人 流 和 自行 车 流 分 认 时 通 过 即 可 ， 交叉 口配 时 中 不 作 讨 论 ［ 。 如 图 １ 形 在 ３ ］ 矩 阴影 部 分 ， ４个 直 行 车 道 和 ４个 左 行 车 道 上 设 置 １ 在 ６ 个 感 应 线 圈检 测 器 ， 个 车 道 的 两 个 检 测 器 均 相 距 １ ０ 每 ０ ｍ， 检 测 器 之 间 为 车 辆 检 测 区 。单 个 车 道 上 ， 叉 口 两 交 远 端 的检 测 器 对 进 入 检 测 区 的 车辆 进 行 加 计 数 ， 端 的 近 检 测 器 对 驶 离 检 测 区 的 车辆 进 行 减 计数 ， 到 各 车 道 车 得
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ａｉ ｉｇ ａ ｈ ｕ ｒ ｎ ｒ ｂｅ ｃ ｏｄ ｄｏ ｏａｅ ｔｒ ｅｔｏ ｒ ｆｉ ｇ ｔ ，ａｔａｆｃｌ ｈ ｓｃ ｎ ｒ ｌ ｒｕ ｉｇ ｍ ｎ ｔｔ ｅｃ ｒｅ ｔ ｏ ｌｍｓａ ｃ ｒ ｅ ｎｉ ｌｔｄ ｉ ｅ ｓｃｉｎ ｔａｆｃｌ ｈ ｓ ｒｆｉ ｉ ｔ ｏ ｔｏｌ ｓｎ ｐ ｓ ｎ ｉ ｇ ｅ ｆｚ ｙ ｃｎ ｒ ｌｆｒ ａ ｓｌｔｄ ｉｔｒｅ ｔ ｎ ｗａ ｒｓｎ ｅ ｅｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｏ ｅ ｌ ｄ ｓｇ ａ ｅ ｎ ｐ ｏ ｒ ｍｍ ａ ｌ ｏ ｉ ｕ ｚ ｏ ｔｏ ｏ ｎ ｉｏａｅ ｎ ｅｓ ｃｉ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔｄ ｈ ｒ ， ｎ ｈ ｖ ｒａｌ ｅ ｉｎ ｂ ｓ ｄ ｏ ｒ ｇ ａ ｏ ｂｅ ｌｇｃ ｄ ｖｃ ｓｉ ｇｖ ｎ ｉ ｅａｌ ｅ ｉｅ ｓ ｉｅ ｎｄ ｔｉ ．Ｗ ｅｍａ ｅｓ ｔ ｔ ｓｆｒｑ ｅ ｅｖ ｈｃｅ ｒ ｍ ｏ ｒｄｒｃｉｎ ｈ ｏ ｇ ｇ ｅｉ ｅｅ ｔｒ ，ａ ｋ ｔ ｉ ｉ ｏ ｕ ｕ ｅ ｉｌｓｆｏ ｆ ｕ ｉ ｔ ｓ ｔｒ ｕ ｈ ｍａ ｎ ｔｃｄ ｔｃｏ ｓ ｓａ ａ ｓｃ ｅ ｏ ｉｐ ｔ ｈ ｎ ｗｅｌｏ ｕ ｈ ａ ｌ Ｏ ｃｌｕａ ｉｇ ｆｏ ｔ ｅｎ ｍｂ ｒｗｅ ｇ ｔｕ ｉｇ ｔ ｅｆ ｚ ｏ ｉ ｔ ｅ ｈ ｉ ｅａ ｆ ｎ ｕ ，ｔｅ ｏ ｋ ｐ ｔ ｅｔｂｅ ｔ ａｃ ｌｔ ｒ ｍ ｈ ｕ ｅ ｏ ｓｎ ｈ ｕ ｙ ｌｇｃ Ｏ ｇ ｔｔ ｅｔ ｎ ｚ ｍｅ ｄ ｌｙ ｏ ｇ ｅｎ ｌ ｈ ｓ ｒｅ ｉ ｔ．Ｔｈ ｉ ｌｔ ｎｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｈ ｔ ｈｓｃ ｎ ｒ ｌ ｒｃ ｎｄ ｃｅ ｓ ｈ ｉ ｅａ ｏ ｉｎ ｅ ｉｌｓｅｆｃｅ ｔｙ ｇ ｅｓｍｕａｉ ｅ ｕｔ ｈ ｗｓｔａ ｉ ｏ ｔｏｌ ａ ｅ ｒａ ｅｔ ｅｔ ｏ ｔ ｅ ｍｅｄ ｌｙｆ ｒｗａｔ ｇｖ ｈ ｃｅ ｆｉｉｎ ｌ ｉ ｏ ｃ ｍｐ ｒｄ ｗｉ ｎ ｒ ｌ ｒｕ ｉｇｔａ ｉｏ ａ ｏ ｔｏ ｔ ｏ ｓ ａ ｅ ｔ ｃ ｔｏｌ ｓｎ ｒ ｄｔ ｎ ｌｃ ｎ ｒ ｌ ｈｏ ｅ ｉ ｍｅｈ ｄ ，ｗｈ ｎ ｔ ｅｔａｆｃｌａ ｓｒ ｌｔｖ ｌ ｉｈ ｎｔ ｅｉｔｒｅ ｔ ｎ ｅ ｈ ｒ ｆｉ ｏ ｄｉ ｅａ ｉｅｙｌ ｔｉ ｈ ｎｅ ｓ ｃｉ ． ｇ ｏ Ｋｅｗｏ ｄ ：ｉ ｌｔ ｔｒｅ￣ ｍ ｔａｆｃｌ ｈｓｃ ｎｒ ｌ ｒ ｆｚｙｃ ｎｒｌ ｒｇａ ｙ ｒ ｓ ｓ ａｅ ｉ ｅｓｃｉ ｏ ｄ ｎ ｏ ｒｆ ｇ ｔ ｔｏｌ ； ｕ ｚ ｏ ｔ ；ｐ ｏ ｒｍｍａ ｌ ｌｇｃｄ ｖｃ ￣ ｆ ｉ ｔｔ ｃ ｉｅ ｉ ｉ ｏ ｅ ｏ ｂｅ ｏ ｉ ｅ ｉ ｅ ｉ ｔ ｓ ｅｍａｈｎ ｎｅ ａ
基于遗传算法的城域交叉路口两级模糊控制
前绿信是否应该跳转. 该结构易于扩充到多相位交叉口的信号控制 ,
此时红信模块输入为除绿信方向外所有相位的交通
参数 ,而其输出为对绿信要求最为紧急的红信相位 的紧急度 ,其余模块则基本没有变化. 同时 ,该结构 可以根据现场情况和经验选取红信和绿信方向的交
通参数 ,如排队车辆数 、车道占有率 、红信持续时间 等 ,有较大的灵活性.
图 1 两级模糊控制器结构
收稿日期 :2003 - 04 - 15 基金项目 :浙江省自然科学基金资助项目 (601119) 作者简介 :李威武 (1976 - ) ,男 ,湖北通城人 ,浙江大学博士研究生 ,从事智能控制和智能交通系统等研究.
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中南工业大学学报 (自然科学版) 第 34 卷
…
3 仿真试验和结果
选择一个孤立两相位交叉口作为仿真对象 ,如 图 3 所示. 交叉口每个入口车道均装有前端和后端 2 个检测器 ,前 、后端检测器之间距离为 120 m. 假定 交通流为稳态且服从 Possion 分布 ,车辆平均行驶速 度为 45 km/ h. 为保证进入交叉口的车辆能安全渡 过交叉口 ,在每次绿信跳换之前 ,设定一个 4 s 的黄 灯时间 ,在此期间任何方向的车辆都不能进入交叉 口. 各车道检测器每 2 s 检测 1 次交通数据 ,每过 15 min ,则利用交通流模拟器和遗传优化算法进行 1 次 隶属度函数调整. 两级模糊控制器的绿信模块共有 25 条模糊规则 ,红信模块和决策模块各有 20 条模糊 规则 ,部分模糊控制规则如表 1 所示. 所有可调的模 糊隶属度函数为 21 个 ,总共可调的参数为 45 个. 全 部仿真程序均采用 C/ C + + 语言编制而成.
[
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智能交通控制设计
两级模糊控制的具体实现
一级模糊控制器的设计： 输入量, 即观测量是设定时间T、绿灯方向关键车流 到达车辆数和红灯方向关键车流在停车线后面等候 的车辆数； 其输出量是绿灯基本延长时间e。 二级模糊控制器的设计： 输入量为绿灯方向的非关键车流的到达车辆数, 输 出量为绿灯附加延长时间△e。
单交叉口两级模糊控制的仿真流程图
模糊控制理论
特点： (1)不需要建立控制系统的精确数学模型； (2)模糊控制系统具有极好的稳定性和鲁棒性； (3)模糊控制器设计简单、调试方便。
Pappis法
交叉口车流示意图
两级模糊控制方法
设： GAm=max{GA1 ，GA2} RQm=max{RQ1，RQ2} GAn=max{GA1，GA2} RQn=max{RQ1，RQ2}
将单路口交通信号灯两级模糊控制方法用MATLAB 语言编成计算机仿真程序,在计算机上作了四次随机 仿真, 每次仿真时间为1000 秒，也对Pappis法进 行了仿真, 仿真条件完全相同。
仿真结果（图示）
· 编号 · 方案
· Pappis法 · 两级模糊控制方法
· 相对改进量（%）
· 总平均延误（秒/辆） ·1 2 3 4 · 2.45 2.27 2.34 2.30 · 1.73 1.76 1.80 1.67 · 29.4 22.5 23.1 27.4
仿真结果
两级模糊控制方法车辆的总平均延误为1.74秒/辆, 而Pappis法的控制结果为总平均延误2.34秒/辆； 两级模糊控制方法平均减少延误25.6%； 可见本文 提出的方法优于Pappis法。
智能交通控制设计
研究的主要内容
针对复杂的城市单交叉口交通信号控制问题，设计 了两级模糊控制系统。 利用MATLAB 软件结合其模糊逻辑工具箱实现模 糊控制器及其仿真并与Pappis法进行比较。
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２ 相序 选择模 块的设 计
该 模块 包括 东西相 位选 择模 块 、南 北相位 选择
法 既优化 了信 号灯 的相序 ，又有效 地避 免 了其他 自
适应 控制 器相位 无序 轮换 容 易使司机 迷 惑的缺 点 。 本 文 设 计 的控 制器 采 用 线 圈检 测 器 检 测 车流 量 ，线 圈检 测器 是现在 比较 成 熟的车 流量检 测器 ， 通 过在 路 面 埋 设 感 应 线 圈 检 测 车辆 到达 率和 排 队 车辆数 ，取检 测长 度为 １０ ｍ，为 了检测 准确 ，要 ５
的基本 论域 为 （ ，６ 。 Ｏ ） 的论 域 ｛ ，３ ，９ ２ ５ ８ １ ４ ０ ，６ ，１ ，１ ，１ ，２ ，２ ，
２ ， ０； ７ ３ ）
ｒ 的论域 ｛ ，０１ ．，０３ ．，０５ ．， ｓ ０ ．，０２ ．，０４ ．，０ ６
０７ ．， ０９ １ ） ．，Ｏ８ ．， ． ： ０
（） 时 级 输 出 隶 属 函 数 ｄ配
图３
＿］ 一 ＿ ］
级 决定 以哪种 相序 放行 。第 二级决 定放行 的各 相位
的放 行 时间 ，其 输入 为要放 行 相位 的排 队长度 和车 辆 到达率 。２级模 糊控 制器 的结构 图如 图 ２所 示 ，
可见 其为 闭环控 制 。
Ｌ 一广
］
（ ）东西直行 ａ
土Ｌ ＬＬ
ｌ ｝ 号
灯
南 方 南 相 ｌ北 北 向ｌ北 位 南 相
模
块
ｉ — 择 块『 疆 ｉ １选 模 季 蕊
图 ２ 两 级 模 糊 控 制 器 的 结 构 图
在 一个 周期 内每个 相位 只能放 行 一次 ，而 且必 须 占用连 续 的绿灯 时 间，即在 １ 个周 期 内 １ 个相 位 只 给 １ 绿灯 ，但是 绿灯 持续 时间 可 以改变 ，该方 次
到第 二级—— 相 位输 出模 块 ，相位 输 出模块 按照 顺
量 反 映 了当地 交通状 况 ； 反 映 了一 个交通 流 的交
式中：ｑｏ ｓ 为上 次 绿灯 结束 时一 个车 道 两检测 器之 间的车辆 数 ； Ｃ为红 灯期 间一 个车道 的车 辆到达 数 。 （） ２ 输入 输 出变 量 的模糊 语 言
的论域 ｛ ，１ ，３ ，５ ） ０ ，２ ，４ ，６ 。 比例 因子均 取 为 １ ． （） ５ 隶属 函数
输 入 输 出变 量 的模 糊 隶 属度 函数 均 取 为 三 角 隶 属 函数 ，如 图 ３ （ ，ｂ ）所示 。 ａ ，ｃ
（）ｓ ａ ｑ
（）ｓ ｂｒ
（） ｓ ｃＵ
（ ）南北直行 ｃ （ ）南北左转 ｄ
Ｌ 厂厂
（ ）东西左 转 ｂ
相 序 决 ］ 丁 厂 ＿ ＿ Nhomakorabea ］ 厂 ＿
交
通 流
图 Ｉ 四相 位 交叉 口相 序 图
东 方向 Ｉ 西 位 ｌ 西 西 、东 相 东 相
ｉ 选 模 覆 择 块『
策
萎 放Ｉ 丽ｌ 行交 信 相 位 叉 口
＝
序依 次放行 各相 位控 制信 号灯 ，并将 当前放 行相位
的 排 队 长度 和 车 辆 到 达 率 作 为 输 入 送 到 配 时 决 策
｛ 少 ，少 ，一般 ，多 ，很 多） 很
级 ，从而得 出该 相位绿 灯 的延 时时 间…。
坶＝｛ 很低 ，低 ，一 般 ，高 ，很 高 ）
辽宁工业 大学学报 （ 自然科 学版）
第 ４期
张廷丰等：城 市交通单 交ｙ ｒ 两级模糊控制器 的设计 ，７ ．
２９ ３
本文 设计 的模糊 控制器 共 有 ２级 ，第一 级决 定 相序 ，第二 级决 定延 时时 间 。第一 级包 括 东西相 选 择模块 、南 北相选 择模 块和相 序 决策模 块 ，分别 输 出东 西相紧 迫度和 南 北相紧 迫度 ，然 后 再送 到决策
模块 、相 序决 策模 块 ，以下 为东西 直行相 位 的具体 设计 参 数 ，由于篇 幅原 因 ，其他 模 块具体 设 计不再
列 出 ，可 以仿 照其 进行 设计 。但 是 ，值得 注意 的是 ，
在相 同 的情况 下 ，要 先放 行左 转相 位 ，所 以，在 相 同的排 队车辆 数和车 辆 到达率 时左 转相位 值 高 。 东 西相 位 选 择 模 块 以东 西 直 行 或 东 西 左 转 两 个 相位 的排 队车 辆数 和车辆 到达 率 为输入 ，其 中每 个 相位 的排 队长 度取 两方 向车流 的平 均值 。下面 详
第 ３ 卷 ｌ
｛ 很低 ，低 ，一般 ，高 ，很 高｝
（） ４ 变量 论域 和 比例 因子 的基 本 论域为 ｛ ，１ ，３ ，５ ，… ， Ｏ ，２ ，４ ，６
３ ｝ Ｏ；
（） ３ 模糊 规则 如表 １ 和表 ２所 列 。
表 ｌ 行相位选择模块 的控制规则表
的基 本论域 为 （，１； ０ ）
． 和 两个 变
最 紧 迫 相 位 顺 序 作 为 输 入送 到相 序 决策 模 块 ； 同 理 ，南北相位 选 择模块 比较 后也 将南 北方 向相位 紧 迫度 （ｄ或者 ｄ） 到相序 决策 模块 。 序 决策模 块 ｃ ｃ送 相 综合 决定 输 出哪种相 序组 合 。得 出 的相 序组 合再 送
细 介绍 具体 的设计 。
求 在每 个车道 下面 都安装 一个 线 圈检测器 ，以防止
漏检。 具体 控制过 程 为 ，将检 测到 的车辆 到达 率和 排 队车辆 数 作为输 入 ，送 到模 糊控 制器 的第 一级 ，第
一
级 的 东 西相 选 择 模 块 比较 东 西 两 相 位 的排 队车
（） １ 模糊 推理 的输 入输 出变 量 输入 变量 ： （ 西直行 排 队车辆 数） 东 和 （ 东西
辆数 ， 出东西方 向相位 紧迫 度 （ｂ或者 ｂ ） 得 ａ ａ ，并将
直行 车辆 到达 率） ：输 出变量 ：
通 状况 。 的计算 方法 如下 ：
ｑ ｑｏ Ｃ ｓ ｓ