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基于三级模糊控制器的智能交通系统_孙昕

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DOI:10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.140

基于三级模糊控制器的智能交通系统

孙 昕 钟维佳 武汉理工大学信息工程学院

行权相位的等候车辆数,并未考虑等候红灯时间的长短,易造成某些相位车辆延误时间过长。

《基于ARM的交通信号灯智能控制系统设计》(单家明,周力)中,绿灯延时时间即相位转换分别通过一个模糊控制器计算得出,模糊规则条件较多,算法较为复杂。《交叉路网交通灯的协调模糊控制方法》(洪伟、牟轩沁、王勇、秦中元、张利浩)是基于若干个路口的交通控制,但其改变相位顺序的做法会让司机难以适应,增加延误时间甚至造成事故发生。

基于以上研究,本文在两级模糊控制器基础上加入了修正模块,设计了一种三级模糊控制器,能避免某些相位红灯时间过长从而影响交通流通量。该模糊控制器只需对延时时间进行模糊控制,降低了控制难度。同时,本文采取了传统的交通信号控制的相位转换顺序,减少了因相位无序转换而产生的延误时间。

(4)根据绿灯相位交通强度和红灯相位交通强度计算出绿灯延时时间es;

(5)根据es与RL计算出延时时间的修正量△e,得出最终绿灯延时时间e=es+△e ;

(6)根据es与下一红灯相位交通强度R′计算初始绿灯时间e′;

(7)判断e是否大于0若e不大于0,车辆通行权转换到下一相位,再执行(2);若e大于0,绿灯延时e后,执行(2)。

3.1.2该控制算法的特点:

(1)根据实时车流量判定延时时间e,提高交通信号控制的灵活性和合理性。

(2)通过△e修正绿灯延时时间,进一步降低车辆通行的延误度。

(3)计算出下一相位的初始时间e′,避免出现绿灯相位无车通过的现象,减少控制次数。

3.2 模糊控制器3.2.1 绿灯延时模块(1)输入变量:通行相位车辆排队长度Gq

和非通行相位最长车辆排队长度Rq,;输出变量:绿灯延时时间es。

(2)Gq的变化范围为0~30,量化因子为0.1,模糊论域为[0,1,2,3],模糊子集为{无,少,中,多},即{N,S,M,L};Rq的变化范围为0~50,量化因子为0.1,模糊论域为[0,1,2,3,4,5],模糊子集为{很少,少,中,多,很多},即{VS,S,M,L,VL};绿灯延时时间es的模糊论域为[0,1,2,3,4,5],比例因子为0.1。

 (3)用重心法进行模糊判决求出模糊控制查询表,再由比例因子进行论域变换求出精确值,进行交通信号灯的控制。

3.2.2 修正模块(1)输入变量:es和车流量最大红灯相位的等待时间RL;输出变量:绿灯延时时间修正量△e。

(2)通过对es和RL建立模糊规则,RL论域为[0,60],量化因子为0.05,模糊论域为[0,1,2,3],模糊子集为{短,中,长},即{S,M,L}。求出△e的模糊控制表。其模糊论域为[-3,-2,-1,0,1],比例因子为0.5。

 (3)去模糊化得到修正量精确值,最终绿灯延时时间为e=es+△e。

3.2.3 初始绿灯时间判决模块(1)输入变量:绿灯相位的下一相位交通强度R′;输出变量:初始绿灯时间e′。

(2) R′与e′的论域、语言变量与上述模块雷同。经过模糊推理和模糊判决得出模糊控制查询表,再由比例因子进行论域变换求出精确量,即可对下一相位的相位绿灯初始时间进行实时控制。

2交通信号灯控制分析

如今交叉路口最为常见的模式是4相位6车道,东、西、南、北四个方向均有右行、直行、左行三种车流。右行车流不会对其他方向车流造成影响,赋予其通行权不再改变。每个车道相距100m设置2个红外检测器,近端的检测器进行减计数,远端的检测器进行加计数,可以得到每个车道的平均车队长度,取最大值参与计算。

放行方式采用常用的4相位方式,见图1。第一相位允许东西方向直行,第二相位允许东西方向左行,第三相位允许南北方向直行,第四相位允许南北方向左行。所谓信号灯控制,即控制每个相位的绿信比,既要保证交叉路口的通畅度,又要考虑司机能忍受的红灯等待时间。一个信号周期为130s,任一相位最长绿灯时间不超过65s。

引言

交通路口是连接各个交通干道的枢纽,路口的信号控制对于城市交通的流畅度有着巨大影响。尽管交通路口的信号控制已普遍使用,但由于控制方法的落后,达不到良好的控制效果。传统的十字路口交通控制灯,通常是事先经过交通流量的调查,运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而城市交通是一个复杂的、随机的超大型系统,这样的系统难以用精确的数学模型建立,而需要有一种基于模糊控制理论、能够根据流量变化情况自适应控制的交通灯控制系统。

模糊控制是智能控制的一个重要研究领域,它主要模拟人的思维、推理、判断等,将人的经验常识用自然语言表示出来,以建立一种适合于计算机处理的输入输出过程模型。在交通控制领域,模糊控制能模仿有经验的交警指挥交通时的思路,能取得很好的控制效果。

图1 交通信号控制相位转换图

3模糊控制算法

3.1 控制算法

为了减少模糊控制算法的复杂程度和规则条数,本文采用三级控制器。第一级为下一相位绿灯初始时间判决模块,第二级为绿灯延时判决模块,第三级为修正模块。控制器结构如图1。图中:G、R为绿灯、红灯相位最大交通强度;R′为绿灯相位的下一相位交通强度;es为绿灯延长时间;RL为红灯等待时间;△e 为绿灯延长时间修正量。

3.1.1该控制算法基本步骤:

(1)赋予绿灯相位15s的通行时间;(2)绿灯时间到后,判断这一相位绿灯累计时间是否超过最长绿灯时间,即65s。若超时,车辆行驶权转化到下一相位;若未超时,执行(3)。

(3)通过检测到的各相位车辆队列长度,计算出绿灯及红灯相位交通强度(G、R);

1相关研究

早在1977年,Pappis和Mamdani就将模糊控制应用于交通控制系统中,后来相继出现一些这方面的论述。如:

《单路口交通实时模糊控制的一种方法》(陈洪、陈森发)中提出了一种多级模糊控制方法,并设计了两级模糊控制器。但该文中只考虑了有通行权相位车流量和无通

4 MATLAB具体应用(以绿灯延时模块为例)

以下为MATLAB 7.0环境下,通过模糊逻辑工具箱设计完成模糊控制器中绿灯延时模块的例子。模糊控制器采用mamdani型,输入为通行相位车辆排队长度Gq和非通行相位最长车辆排队长度Rq,输出为绿灯延时时间es。在MATLAB提示符下键入fuzzy启动此

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