城市道路錯綜復(fù)雜，相互交錯，交通燈是城市交通的重要指揮系統(tǒng)。交通信號燈作為管制交通流量、提高道路通行能力的有效手段，對減少交通事故有明顯效果。但是車流量是隨時變化的，而傳統(tǒng)的交通燈模式采用的是定時控制，反而容易造成交通堵塞。因此我們需要根據(jù)不同的交通路況設(shè)置通行時間，本文采用模糊控制算法，設(shè)計了一種智能交通燈監(jiān)控系統(tǒng)。

1、總體方案

交通燈監(jiān)控系統(tǒng)是一個分布式、集散型、網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)，包括監(jiān)控中心和若干個智能監(jiān)測終端，能對獨(dú)立分布的交通燈進(jìn)行集中監(jiān)控和維護(hù)管理。每個路口看成一個監(jiān)控終端，都設(shè)有一個采集器和一個GPRS模塊，而每個方向上都裝有一個控制器?？刂破饔脕碇苯涌刂平煌舻臓顟B(tài)、時間顯示屏以及獲得各車道車輛信息;采集器用來獲取下屬的每個控制器的數(shù)據(jù)以及發(fā)送控制命令。采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對路況的監(jiān)控。在此采用模糊控制算法對車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對紅綠燈的控制。

2、模糊控制算法設(shè)計

模糊控制是將人們的長期經(jīng)驗(yàn)作為控制策略，并將它轉(zhuǎn)化成機(jī)器可識別的自然語言，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動控制。在文中，將人對交通指揮策略語言轉(zhuǎn)化為機(jī)器語言所描述的控制算法，使得該算法能夠模擬人的思維對各個車道的時間分配問題進(jìn)行很好地分析，從而實(shí)現(xiàn)紅綠燈時間的可變控制。對一個十字路口來說一個周期分為四個相位，如圖1所示(①：東至西，西至東，西至南，東至北;②：西至北，東至南;③：南至北，北至南，南至東，北至西;④：北至東，南至西)。

圖1 十字路口

2.1、輸入和輸出變量定義

模糊控制的語言變量是對于輸入變量和輸出變量而言的，它們是自然語言形式，而不是數(shù)值形式給出的變量，選擇當(dāng)前相位等待車輛平均數(shù)和下一相位車輛等待平均數(shù)為輸入變量，當(dāng)前相位綠燈延時時間為輸出語言變量，這樣，就選擇了一個雙輸入單輸出的二維模糊控制器，如圖2所示。

圖2 雙輸入單輸出模型

圖中，X1：當(dāng)前相位總車輛數(shù)/車道數(shù)(取整);

X2：下一相位總車輛數(shù)/車道數(shù)(取整);

Y：當(dāng)前相位綠燈顯示時間。

2.2、變量設(shè)置

(1)輸入量：X1和X2。

等待的車輛平均數(shù)目的基本論域確定為[0，Qmax]，Qmax是能接受的最大等待車輛平均數(shù)目，根據(jù)實(shí)際情況和路況來定，這里選擇40。論域是語言變量的量化檔數(shù)，將等待車輛平均數(shù)的論域確定為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，輸入語言量的基本論域與離散域轉(zhuǎn)換對照表如表1所示。

表1輸入車輛平均數(shù)目的基本論域與離散域轉(zhuǎn)換對照表

(2)輸出量：Y，當(dāng)前相位綠燈延時時間。

將綠燈延時時間的基本論域確定為[Gmin，Gmax]，Gmin是可以接受的最小綠燈延時時間，Gmax是可以接受的最大綠燈延時時間，在這里設(shè)定Gmin=0s，Gmax=60s。將綠燈延時時間的論域確定為{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12}。因?yàn)檩敵隽垦訒r時間是連續(xù)的，所以有比例因子K=60/12=5，通過比例因子進(jìn)行反模糊化，從而得到精確的延時時間：

延時時間=K&mes;模糊集數(shù)據(jù)

2.3、隸屬函數(shù)

在文中X和Y的語言變量都選取7個語言值，“很少”—“NB”，“較少”—“NM”，“少”—“NS”，“正常”—“ZE”，“多”—“PS”，“較多”—“PM”，“很多”—“PB”。

根據(jù)隸屬函數(shù)，可以建立相應(yīng)語言變量的賦值表。隸屬函數(shù)的確定一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計進(jìn)行確定，也可以由專家、權(quán)威給出。表2、表3給出輸入和輸出量各自語言變量的賦值表。

表2 輸入量X的語言變量賦值表

表3 輸出量Y的語言變量賦值表

2.4、模糊推理

由于模糊規(guī)則條數(shù)越多，推理速度就越慢，所以只考慮各相位平均車輛數(shù)，這并不會影響實(shí)際控制效果。因?yàn)椴捎枚S模糊控制器，所以使用如下控制規(guī)則：

IF A AND B THEN C

可知一共有49條控制規(guī)則。由此得到模糊控制規(guī)則表，如表4。每條控制規(guī)則都對應(yīng)一種算法，得到模糊關(guān)系Ri，所有的并起來得到總的模糊關(guān)系R，則：

C=(A&TImes;B)★R

表4 控制規(guī)則表

2.5、模糊決策

常用的判決方法有三種：最大隸屬度法，中位數(shù)法，加權(quán)平均數(shù)法。在此選用加權(quán)平均數(shù)法。要選擇適當(dāng)?shù)臋?quán)系數(shù)，一般的時候取隸屬度作為權(quán)系數(shù)。所以它的公式為：

其中，Ki為權(quán)系數(shù)，在這為隸屬度，Yi為論域中的元素。由此就可以得到輸出量，進(jìn)一步經(jīng)過反模糊化，得到精確的輸出量。

2.6、總結(jié)

為了方便，通過以上各步驟，先離線建立查詢表，將其存放在計算機(jī)中，即模糊化、模糊推理、清晰化等過程通過編程先實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而建立控制查詢表，在實(shí)時時直接通過查詢表就可得到相應(yīng)輸出量。這樣在實(shí)時控制過程中，模糊控制過程便轉(zhuǎn)化為計算量不大的對查詢表進(jìn)行查詢的過程，因此，以查找查詢表形式實(shí)現(xiàn)的模糊控制具有良好的實(shí)時性，滿足現(xiàn)場控制的要求。

為了使道路交通更為順暢，應(yīng)當(dāng)采用黃閃，并且燈的循環(huán)周期不能過長，以免司機(jī)出現(xiàn)等待疲勞的情況。數(shù)據(jù)的采集一般在黃閃時進(jìn)行，在黃閃結(jié)束前下放延時命令。

3、模擬實(shí)驗(yàn)

交叉路口車速應(yīng)當(dāng)減慢，綠燈期間車輛過道口的速度約為10～15km/h，道口取為15m。設(shè)當(dāng)前情況如表5所示

表5 當(dāng)前情況

采用固定配時：周期為2分鐘，每個相位配時30秒，則綠燈期間每個車道最多能過25輛車。一個周期結(jié)束時，各相位平均車輛數(shù)如表6所示。

采用模糊控制：周期為2分鐘，查表得：①相位綠燈時間為42s;②相位綠燈時間為18s;③相位綠燈時間為42s;④相位綠燈時間為18s。一周期結(jié)束后，各相位平均車輛數(shù)如表6所示。

表6 一周期后各相位情況相位

由表6可知：采用固定配時車流量大的車道容易發(fā)生堵車現(xiàn)象，而車流量小的車道所分配的時間又沒有得到充分的利用，降低了交叉路口的通行效率。采用模糊控制，動態(tài)配時，各相位在一個周期之后與原始狀態(tài)相差較小，減小了車流量大的車道的車輛數(shù)，避免堵車傾向;對車流量較小的車道來說，充分利用所分配的時間，總的來說時間的利用率得到提高，從而加大了交叉路口的通行效率。

4、結(jié)束語

模糊控制在交通燈控制系統(tǒng)中的使用解決了如何根據(jù)交通狀況調(diào)整交通燈的狀態(tài)問題，從而實(shí)現(xiàn)交通的可變控制，保持道路的通行效率，它比固定配時更能有效地控制交通。