衛(wèi)小偉 ， 常 博

（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710018；2.長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064；3.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

一種城市單路口交通兩級(jí)模糊控制方法

衛(wèi)小偉1，2， 常 博1，3

（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710018；2.長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064；3.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

依據(jù)單路口4個(gè)方向車(chē)流信息，提出一種單路口交通兩級(jí)模糊控制方法，采用模糊控制技術(shù)，無(wú)需建立精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)兩相位的交叉路口，是一種基于車(chē)輛等待長(zhǎng)度的單點(diǎn)信號(hào)交叉口交通實(shí)時(shí)模糊控制方法。根據(jù)城市交通實(shí)際狀況，在考慮每個(gè)相位的關(guān)鍵車(chē)流和非關(guān)鍵車(chē)流的車(chē)輛到達(dá)交叉口信息的基礎(chǔ)上，提出更有效的單路口交通實(shí)時(shí)模糊控制方法，并對(duì)該控制器進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期要求。

交通網(wǎng)絡(luò)；單路口；兩級(jí)模糊控制

解決交通問(wèn)題最直接最有效方法是提高交通運(yùn)行能力。但不可能無(wú)限制地修建道路。因此必須利用各種高新技術(shù)解決各種道路交通問(wèn)題。Pappis和Mamdani曾將模糊控制方法用于單交叉口的交通控制，仿真結(jié)果表明比傳統(tǒng)的控制方法平均減少車(chē)輛延誤7%左右。徐冬玲等[1]把模糊控制用于單路口信號(hào)燈控制，并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模糊控制，仿真表明控制結(jié)果合理、迅速。但從其控制規(guī)律來(lái)看，仍未擺脫感應(yīng)式控制方式。由于城市道路的交叉路口通常有4個(gè)進(jìn)口，就單車(chē)道而言，也有4股車(chē)流，若進(jìn)口道為雙車(chē)道或3車(chē)道，則通過(guò)交叉路口的車(chē)流便多于4股。顯而易見(jiàn)，Pappis法研究的是理想化的十字交叉路口，這實(shí)際應(yīng)用很少，因此，有必要加以改進(jìn)[2]。這里據(jù)城市交通實(shí)際狀況，在考慮每個(gè)相位的關(guān)鍵車(chē)流和非關(guān)鍵車(chē)流的車(chē)輛到達(dá)交叉口的信息的基礎(chǔ)上，提出更為有效的單路口交通多級(jí)模糊控制方法的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 單路口交通兩級(jí)模糊控制

所謂的單路口交通控制即是選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)配時(shí)（或綠燈時(shí)間），使交叉口車(chē)輛平均延誤時(shí)間盡可能小。單路口交通控制系統(tǒng)受2個(gè)相位的4個(gè)方向車(chē)流到達(dá)率的影響，即該系統(tǒng)含多個(gè)系統(tǒng)變量。因此，單路口交通控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的多變量模糊控制系統(tǒng)。由于模糊控制規(guī)則的條數(shù)是系統(tǒng)變量個(gè)數(shù)的指數(shù)函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)變量個(gè)數(shù)較大時(shí)，要構(gòu)造常規(guī)的基于規(guī)則的模糊控制器十分不易[3]。為此，引入兩級(jí)模糊控制結(jié)構(gòu)。把對(duì)系統(tǒng)性能影響最大的變量視為一級(jí)變量，對(duì)系統(tǒng)性能影響次之的變量視為二級(jí)變量。選擇對(duì)單路口交通控制系統(tǒng)控制效果影響最大的兩相位的關(guān)鍵車(chē)流的車(chē)輛到達(dá)數(shù)和綠燈延長(zhǎng)時(shí)間作為一級(jí)變量，由其組成一級(jí)模糊控制器；選擇兩相位的非關(guān)鍵車(chē)流的車(chē)輛到達(dá)數(shù)和綠燈延長(zhǎng)時(shí)間修正量作為二級(jí)變量，并組成二級(jí)模糊控制器。

以圖1路口示意圖所示，設(shè)十字路口的進(jìn)口道路均為單車(chē)道，有4股車(chē)流，每條道路進(jìn)口裝有一個(gè)信號(hào)檢測(cè)器，分別檢測(cè)4個(gè)方向的車(chē)輛到達(dá)信息，且在整個(gè)周期保持該信息。由綠燈變?yōu)榧t燈過(guò)程中有3 s的黃燈時(shí)間，綠燈在黃燈點(diǎn)亮1.5 s后熄滅。檢測(cè)器和停車(chē)線間保持足夠距離，能在后續(xù)的11.5 s內(nèi)的4個(gè)方向的車(chē)輛到達(dá)情況傳送至控制器[4]。

再假定各方向的車(chē)流到達(dá)率如圖1所示，其中由北向南、由東向西的車(chē)流為兩個(gè)相位的關(guān)鍵車(chē)流。根據(jù)檢測(cè)器檢測(cè)到的兩關(guān)鍵車(chē)流的車(chē)輛到達(dá)信息，由模糊控制可得到信號(hào)燈延長(zhǎng)時(shí)間初值e s。

圖1 路口示意圖

由圖1看到：由南向北、由西向東車(chē)流為兩個(gè)相位的非關(guān)鍵車(chē)流。若南北方向綠燈，由西向東方向來(lái)車(chē)比由南向北方向的來(lái)車(chē)多，當(dāng)信號(hào)燈延長(zhǎng)e s，則東西向車(chē)輛延誤較大。為了使通過(guò)交叉口的車(chē)輛總延誤盡量減小，應(yīng)適當(dāng)減少南北向綠

燈時(shí)間。若東西向?yàn)榫G燈，而在e s內(nèi)，東西向車(chē)輛還未通行，則應(yīng)適當(dāng)增加?xùn)|西向綠燈時(shí)間，以減少擁擠現(xiàn)象。

單路口多級(jí)模糊控制過(guò)程：根據(jù)4個(gè)檢測(cè)器檢測(cè)到的各方向車(chē)輛到達(dá)信息，確定兩相位的關(guān)鍵車(chē)流和非關(guān)鍵車(chē)流。對(duì)兩相位的關(guān)鍵車(chē)流的車(chē)輛到達(dá)情況實(shí)施模糊控制，即經(jīng)過(guò)模糊化、模糊控制規(guī)則、模糊判決得到有通行權(quán)相位的綠燈延長(zhǎng)時(shí)間初值e；對(duì)兩相位的非關(guān)鍵車(chē)流的車(chē)輛到達(dá)情況實(shí)施模糊控制，得到綠燈延長(zhǎng)時(shí)間的修正時(shí)間Δe。從而得到控制策略 E,即綠燈延長(zhǎng)時(shí)間（e+Δe）（這里 0≤e+Δe≤10 s）。 單路口交通多級(jí)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單路口交通多級(jí)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2中，綠燈基本延長(zhǎng)時(shí)間e由Pappis法確定，即確定構(gòu)成的論域上的模糊關(guān)系；綠燈附加延長(zhǎng)時(shí)間Δe由有通行權(quán)方向的非關(guān)鍵車(chē)流確定[5]。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

采用兩個(gè)模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)模糊控制器由模糊化、模糊控制規(guī)則、模糊判決3部分組成，如圖3所示。

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)

2.1 一級(jí)模糊控制器的設(shè)計(jì)

一級(jí)模糊控制器控制的變量是綠燈延長(zhǎng)時(shí)間。綠燈時(shí)，每10 s控制一次，最多控制5次。本控制器基本思想類(lèi)似于Pappis和 Mamdani的設(shè)計(jì)[6]。 其中，模糊輸入量為 T（時(shí)間），Q（等候車(chē)輛數(shù)），A（到達(dá)車(chē)輛數(shù)）；而模糊輸出量為E（綠燈延長(zhǎng)時(shí)間）?？刂埔?guī)則共25條，每次控制使用5條規(guī)則，每個(gè)規(guī)則是T，Q，A和E間的模糊關(guān)系。按最大-最小運(yùn)算，計(jì)算（t，a，q，e）的隸屬度。 t為考慮后面第 t s；a 為在后續(xù) t s中，如交通燈不變，則有a輛車(chē)通過(guò)；q為在后面t s中,如交通燈不變，有q輛車(chē)等候；e為交通燈再保持e=t不變。

模糊判決采用最大隸屬度原則，即選擇使隸屬度u最大的綠燈延長(zhǎng)時(shí)間e為該模糊控制器的輸出。

2.2 二級(jí)模糊控制器的設(shè)計(jì)

該控制器的控制變量是由綠燈延長(zhǎng)時(shí)間的修正量Δe。綠燈時(shí)每10 s控制一次。

模糊輸入量：Q1（無(wú)通行權(quán)相位的非關(guān)鍵車(chē)流的等候車(chē)輛數(shù)），Qe（有通行權(quán)相位的關(guān)鍵車(chē)流在綠燈延長(zhǎng)時(shí)間e后尚未走完的車(chē)輛數(shù)）；模糊輸出量：Δe（綠燈延長(zhǎng)時(shí)間修正量）。以上模糊集采用語(yǔ)言變量定義。

二級(jí)模糊控制器輸入紅燈相位非關(guān)鍵車(chē)流的等候車(chē)輛數(shù)，綠燈相位關(guān)鍵車(chē)流在一級(jí)模糊控制器的輸出綠燈延長(zhǎng)時(shí)間e后的等候車(chē)輛數(shù)的模糊量，通過(guò)模糊控制規(guī)則，就可得到一個(gè)模糊控制策略。模糊輸出Δe的模糊量采用最大隸屬度原則反模糊化，得到Δe的精確值。

3 仿真實(shí)例

假定某信號(hào)燈控制的交叉路口，設(shè)該路口4個(gè)入口的路段均為單車(chē)道，路口各方向車(chē)輛的到達(dá)是隨機(jī)的，車(chē)輛的到達(dá)率為0～0.4輛/s，每10 s為一時(shí)間間隔，10 s內(nèi)車(chē)流服從均勻分布，路口車(chē)輛的最大離開(kāi)率取1.0輛/s。隨機(jī)產(chǎn)生東西和南北方向的車(chē)輛在10 s內(nèi)到達(dá)分布，即10 s中每秒到達(dá)的車(chē)輛數(shù)，計(jì)算各方向前n s內(nèi)通過(guò)停車(chē)線的車(chē)輛數(shù)或等候車(chē)輛數(shù)（n=1，2，…，10）。假定某車(chē)流紅燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈后車(chē)流以1輛/s的速率離開(kāi)停車(chē)線，計(jì)算車(chē)輛延誤，設(shè)：

紅燈相位的車(chē)輛總延誤：

式中，Q1G，Q2G分別表示前綠燈時(shí)間紅燈相位兩個(gè)方向未走完的車(chē)輛數(shù);，分別表示紅燈相位兩方向在紅燈第n1s內(nèi)的車(chē)輛到達(dá)數(shù)；n表示該周期內(nèi)紅燈時(shí)間。

綠燈相位的車(chē)輛總延誤：

式中，Q1R，Q2R分別表示綠燈相位兩方向在前紅燈時(shí)間等候的車(chē)輛數(shù)；，分別表示綠燈相位兩方向在綠燈第n2s內(nèi)車(chē)輛到達(dá)數(shù)；n表示該周期內(nèi)綠燈時(shí)間；當(dāng)時(shí)，z1=1，否則，z1=0；當(dāng)時(shí)，z2=1，否則，z2=0。

由式（1）和式（2）計(jì)算第 i個(gè)周期車(chē)輛總延誤 Di，從而計(jì)算m個(gè)周期每輛車(chē)平均延誤：

式中，A為m個(gè)周期內(nèi)4個(gè)方向到達(dá)車(chē)輛總數(shù)。

本文將單路口交通信號(hào)燈兩級(jí)模糊控制方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并與Papppis法相比較，比較結(jié)果如表1所示。

?

由表1可以看出兩級(jí)模糊控制方法車(chē)輛的總平均延誤為3.7 s/輛，而Pappis法的控制結(jié)果為總平均延誤3.88 s/輛,兩級(jí)模糊控制方法平均減少延誤 4.5%,可見(jiàn)該方法優(yōu)于Pappis法。單路口多級(jí)模糊控制的仿真程序如圖4所示。

圖4 仿真程序

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的多級(jí)模糊控制方法適用于各種車(chē)流大小隨機(jī)變化的單路口的交通控制，仿真結(jié)果表明該方法有效。由于控制器的輸入都是單路口實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，無(wú)需預(yù)測(cè)車(chē)流，具有較好的實(shí)時(shí)性。模糊控制便于結(jié)合人的思維和經(jīng)驗(yàn)，并能同時(shí)在實(shí)時(shí)性和精度兩方面較好滿足控制要求，因而，該方法將會(huì)是一種適于城市交通控制的控制方法[7-9]。

[1]翟潤(rùn)平，周彤梅.道路交通控制原理及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)人民公安大學(xué)出版社，2002.

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A method of two-level fuzzy control for urban traffic single intersection

WEI Xiao-wei1，2， CHANG Bo1，3
（1.Shaanxi College of Communication&Technology，Xi’an710018，China；2.School of Electronic&Control Engineering，Chang′an University，Xi’an710064 ，China；3.School of Information Engineering，Chang′an University，Xi’an710064，China）

Based on traffic information of single-junction of the four directions，a single-junction traffic two-level fuzzy control method is proposed.The method uses fuzzy control technology，and does not need to establish a precise mathematical model.For two-phase cross-junction，the method is a real-time fuzzy control method that is based on the length of vehicles to wait on a single point of intersection traffic signals.Based on the actual situation of urban transport，at the same time critical and non-critical traffic flow of vehicles arrived at the intersection of information considered，a more effective real-time singlejunction traffic control method is proposed.The fuzzy controller is simulated，and the results are quite satisfactory.

transport network； single-junction； two-level fuzzy control

U491

A

1674－6236（2010）01-0081-03

2009-06-21 稿件編號(hào)：200906076

衛(wèi)小偉（1975—），男，陜西西安人，博士研究生，講師。研究方向：交通智能控制。