劉潤(rùn)喬， 韓加蓬， 劉洪光， 譚德榮

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博　255049)

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關(guān)于動(dòng)態(tài)兩難區(qū)黃燈時(shí)間模糊控制策略的研究

劉潤(rùn)喬， 韓加蓬， 劉洪光， 譚德榮

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東 淄博255049)

[摘要]通過分析兩難區(qū)車流量與車速的關(guān)系，車速與兩難區(qū)黃燈時(shí)間的關(guān)系，結(jié)合實(shí)際交叉口車流量，提出基于模糊控制的動(dòng)態(tài)兩難區(qū)黃燈時(shí)間控制策略，建立黃燈時(shí)間模糊控制規(guī)則表和響應(yīng)表。最后通過不同交叉口車流量的調(diào)查情況表對(duì)VISSIM仿真路網(wǎng)中的車輛類別、期望速度、加減速度、車流量進(jìn)行設(shè)置，并根據(jù)交叉口固定信號(hào)燈相位圖、配時(shí)表和模糊控制響應(yīng)表對(duì)VISSIM路網(wǎng)中的信號(hào)燈進(jìn)行更改，仿真得出車輛在通過有模糊控制黃燈時(shí)間和黃燈時(shí)間固定配時(shí)的交叉口時(shí)，其前者陷入兩難區(qū)的概率遠(yuǎn)少于后者陷入兩難區(qū)的概率。

[關(guān)鍵詞]動(dòng)態(tài)兩難區(qū)； 模糊控制； 黃燈時(shí)間； VISSIM仿真

0前言

兩難區(qū)是駕駛員在交叉口處既通不過也停不下的區(qū)域。無(wú)論駕駛員選擇停還是行，在紅燈啟亮?xí)r都將落在交叉口內(nèi)[1]。

早在1960年，Gazis，Herman和Maradudin發(fā)現(xiàn)在交叉口處駕駛員可能會(huì)出現(xiàn)既不能安全舒適地停車又不能順利通過交叉口的情況，將此情況定義為Dilemma Zone(兩難區(qū))，并由此建立了“GHM分析模型”[2]。后來，Olson，Rothery(1962)和May(1968)等許多研究學(xué)者在GHM的基礎(chǔ)上對(duì)解決靜態(tài)兩難區(qū)問題進(jìn)行了深入地研究[3]。

近年來，隨著動(dòng)態(tài)兩難區(qū)數(shù)學(xué)模型的完善，人們提出了許多解決動(dòng)態(tài)兩難區(qū)問題的措施，不再是假定一個(gè)車輛期望速度，而是通過儀器測(cè)定汽車的實(shí)際速度從而決定它的兩難區(qū)域范圍，本文在結(jié)合動(dòng)態(tài)兩難區(qū)模型的基礎(chǔ)上，建立基于模糊控制的動(dòng)態(tài)兩難區(qū)黃燈時(shí)間控制策略，并通過VISSIM仿真驗(yàn)證該控制策略能夠有效減少車輛陷入兩難區(qū)的概率。

1動(dòng)態(tài)兩難區(qū)模型簡(jiǎn)介

動(dòng)態(tài)兩難區(qū)模型的區(qū)域長(zhǎng)度如圖1所示.圖中D1表示不滿足式(1)的區(qū)域范圍，L1即最小停止距離，D2表示不滿足式(2)的區(qū)域范圍，L2即最大通過距離，DZ表示兩難區(qū)區(qū)域長(zhǎng)度[4]。

圖1　動(dòng)態(tài)兩難區(qū)區(qū)域示意圖Figure 1　Schematic diagram of dynamic dilemma zone

① 若黃燈啟亮?xí)r，對(duì)于那些還未越過停止線的車輛，可以在紅燈啟亮前安全?？坑谕＼嚲€前，應(yīng)滿足如下條件[5]：

(1)

式中：v為車輛實(shí)際速度，m/s；Tr為駕駛員反應(yīng)時(shí)間；a1為普通制動(dòng)下車輛制動(dòng)減速度最大值。

② 若黃燈啟亮?xí)r，對(duì)于那些還未越過停止線的車輛，可以在紅燈啟亮前能不超速順利通過交叉口。應(yīng)滿足如下條件：

W-L0

(2)

式中：v為車輛實(shí)際速度，m/s；Tr為駕駛員反應(yīng)時(shí)間；v0為交叉口車輛最高限速，m/s；a0為車輛最大加速度；L0為機(jī)動(dòng)車的長(zhǎng)度，m；Ty為黃燈時(shí)間，s；W為交叉口的直徑，m。

DZ表示動(dòng)態(tài)兩難區(qū)域的長(zhǎng)度可以用L1與L2之差表示：

(3)

2動(dòng)態(tài)兩難區(qū)黃燈時(shí)間模糊控制策略

2.1黃燈時(shí)間單輸入單輸出模糊控制

① 模糊控制中的輸入和輸出變量。

輸入量E代表交叉口路段的交通流量(輛/h)，輸出量U代表黃燈時(shí)間，s。輸入和輸出語(yǔ)言量的基本論域與離散域轉(zhuǎn)換對(duì)照表如表1和表2所示[7]。E的語(yǔ)言變量表示交叉口處車輛數(shù)情況：NB(很小)，NM(較小)，NS(小)，Z(正常)，PS(多)，PM(較多)，PB(很多)。U的語(yǔ)言變量表示黃燈時(shí)間的長(zhǎng)短：NB(很短)，NM(較短)，NS(短)，NZ(正常)，PS(長(zhǎng))，PM(較長(zhǎng))，PB(很長(zhǎng))。

表1 車輛數(shù)與離散域轉(zhuǎn)換對(duì)照表Table1 Thenumberofvehiclesandthediscretedomainconversioncomparisontable車輛數(shù)E等級(jí)(Ei)車輛數(shù)E等級(jí)(Ei)0～200-3800～10001200～400-21000～12002400～600-11200～14003600～8000

表2 黃燈時(shí)間與離散域轉(zhuǎn)換對(duì)照表Table2 Yellowlighttimeanddiscretedomainconversioncomparisontable黃燈秒數(shù)U等級(jí)(Ui)黃燈秒數(shù)U等級(jí)(Ui)1-3311.5-23.522-1432.50

② 隸屬函數(shù)。

隸屬函數(shù)的確定一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)或?qū)＜覚?quán)威給出，隸屬函數(shù)如圖2所示[6]。

圖2　模糊變量E、U的隸屬函數(shù)曲線圖Figure 2　Membership function curve of fuzzy variable E，U

通過這些隸屬函數(shù)曲線得到模糊變量E和U的賦值見表3和表4。

③ 兩難區(qū)車流量與車速的關(guān)系。

由格林希爾治模型求得速度與密度的關(guān)系[7]：

(4)

表3 變量E的賦值表Table3 Evariableassignmenttable變量等級(jí)-3-2-10123NB1.00.500000NM01.00.50000NS00.51.00000Z0001.0000PS00001.00.50PM00000.51.00PB000000.51.0 注:表中數(shù)值為隸屬度。

表4 變量U的賦值表Table4 ThediagramofUvariableassignmenttable變量等級(jí)-3-2-10123PB000000.51.0PM00000.51.00.5PS0000.51.00.50Z0001.0000NS00.51.00.5000NM0.51.00.50000NB1.00.500000 注:表中數(shù)值為隸屬度。

由式4得車流量與車速的關(guān)系如下：

(5)，(6)

④ 車速與兩難區(qū)黃燈時(shí)間的關(guān)系。

為了讓車輛在交叉口處不至于陷入進(jìn)退兩難的境地，應(yīng)該使曲線L2始終在曲線L1的上方，也就是說L2≥L1，即DZ≤0(車輛不管在什么位置，都不存在兩難區(qū))[8]。

當(dāng)DZ=0時(shí)，兩難區(qū)黃燈時(shí)間公式為：

(7)

式(7)中：v為車輛實(shí)際速度，m/s；a1為普通制動(dòng)下車輛制動(dòng)減速度最大值，v0為交叉口車輛最高限速，m/s。兩難區(qū)黃燈時(shí)間隨速度的變化情況如圖4所示。

圖4　兩難區(qū)黃燈時(shí)間與速度關(guān)系圖Figure 4　The relationship of yellow light dilemma zone 　　　between time and speed

⑤ 模糊控制規(guī)則。

根據(jù)兩難區(qū)車流量與車速的關(guān)系，車速與兩難區(qū)黃燈時(shí)間的關(guān)系，將規(guī)則設(shè)置為：

R1：ifE=NBthenU=PS

R2：ifE=NMthenU=Z

R3：ifE=NSthenU=Z

R4：ifE=ZthenU=NS

R5：ifE=PSthenU=NM

R6：ifE=PMthenU=NM

R7：ifE=PBthenU=NB

⑥ 模糊關(guān)系的求取。

0000000000000000000000.50.5000001.00.5000000.50.5000000000000é?êêêêêêêêù?úúúúúúúú

(8)

依次計(jì)算出Ri(i=2，3，4，5，6，7)，求得：

R=R1∪R2∪R3∪R4∪R5∪R6∪R7=

00000.50.51.0000.501.01.00.500001.00.500.51.01.00.50001.00.5000000.50.5000000000000é?êêêêêêêêù?úúúúúúúú

(9)

當(dāng)E=PB時(shí)，則有：

U′=(0， 0， 0， 0， 0， 0.5， 1.0)

R=(0.5， 0.5， 0， 0， 0， 0， 0)

(10)

同理計(jì)算出不同E值所對(duì)應(yīng)的U′值。

⑦ 將模糊控制量的非模糊化(精確化)。

將模糊控制量精確化的方法一般采用最大隸屬度法，但該法覆蓋的信息量較少，不能減少因經(jīng)驗(yàn)給定隸屬函數(shù)而出現(xiàn)的誤差，鑒于此，本文采用加權(quán)平均法進(jìn)行非模糊化處理，公式如下：

(11)

當(dāng)E=PB時(shí)，將U′值改寫成：

(12)

(13)

根據(jù)黃燈時(shí)間與離散域轉(zhuǎn)換對(duì)照表得出黃燈時(shí)間應(yīng)為1.25 s，同理計(jì)算出不同E值所對(duì)應(yīng)的U*值和黃燈時(shí)間，得出模糊控制器響應(yīng)(見表5)。

表5 黃燈配時(shí)模糊控制響應(yīng)表Table5 Theyellowlighttimingresponselistoffuzzycontrol車輛數(shù)EiU*黃燈秒數(shù)500～700-3-2.51.25700～900-2-2.51.25900～1100-1-2.71.11100～13000-1.51.751300～150011.23.11500～170021.43.21700～190031.63.3

⑧ 黃燈時(shí)間模糊控制在實(shí)際道路中的應(yīng)用。

表6是南京路與聯(lián)通路南北路段1 d內(nèi)交叉口附近車流量的變化情況，結(jié)合模糊控制響應(yīng)表，可設(shè)置南京路與聯(lián)通路南進(jìn)口各時(shí)段黃燈時(shí)間(見表7)。

2.2MATLAB黃燈時(shí)間模糊控制器的建立

利用MATLAB進(jìn)入FIS編輯器，在MATLAB的命令窗口中鍵入fuzzy即可打開FIS編輯器，將兩難區(qū)車流量E和平均車速D作為輸入變量，U作為模糊控制輸出變量。如圖4所示[9，10]：

表6 南京路與聯(lián)通路南北路段車流量Table6 TheroadandNanjingUnicomroadnorth-southtrafficflow輛各時(shí)段車流量東進(jìn)口總流量西進(jìn)口總流量南進(jìn)口總流量北進(jìn)口總流量07:00-08:00610818.51252.588008:00-09:00549703107181209:00-10:00470525890.577010:00-11:00572534896759.511:00-12:00568531.51165.574912:00-13:00506533.5897706.513:00-14:00563.5500.5894.5806.514:00-15:00512.5535.51000.588715:00-16:00453.5422857716.516:00-17:00509.5401832.5724.517:00-18:007057251175.51138.518:00-19:0064875410991241

表7 南京路與聯(lián)通路南進(jìn)口各時(shí)段黃燈配時(shí)表Table7 Roadandnanjingroadsouthineachperiodofuni-comimportyellowlighttimingtable各時(shí)段黃燈配時(shí)各時(shí)段黃燈配時(shí)07:00-08:001.7513:00-14:001.2508:00-09:001.114:00-15:001.109:00-10:001.2515:00-16:001.2510:00-11:001.2516:00-17:001.2511:00-12:001.7517:00-18:001.7512:00-13:001.2518:00-19:001.1

圖4　FIS編輯器Figure 4　The FIS editor

將此設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則輸入編輯器中，啟動(dòng)規(guī)則觀察器，可在此查看模糊推理的輸出特性，進(jìn)入曲面觀察器，可觀察出D、E、U關(guān)系如圖5，圖6所示。

圖5　模糊規(guī)則觀察器Figure 5　Fuzzy rule viewer

圖6　模糊曲面觀察器Figure 6　Fuzzy surface observer

3兩難區(qū)仿真試驗(yàn)

3.1交通量調(diào)查與處理

本文調(diào)查的交叉口有南京路與新村路、南京路與共青團(tuán)路、南京路與人民路、南京路與華光路、南京路與聯(lián)通路和南京路與中潤(rùn)大道。將調(diào)查的6個(gè)交叉口的交通量數(shù)據(jù)經(jīng)過整理，得到交叉口各進(jìn)口道的交通量數(shù)據(jù)，由于在交通流中不同車型的車輛占有空間資源的不同，在交通運(yùn)營(yíng)中常常需要將其換算成某種單一車型(標(biāo)準(zhǔn)車)的數(shù)量，換算系數(shù)參照(見表8)。

表8 《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50220-95中的當(dāng)量小汽車換算系數(shù)Table8 Equivalentcarconversioncoefficienttable8"cityroadtrafficplanninganddesignspecification"inGB50220-95車種換算系數(shù)自行車0.2二輪摩托0.4三輪摩托或微型汽車0.6小客車或小于3t的貨車1.0旅行車1.2大客車或小于9t的貨車2.09～15t貨車3.0鉸接客車或大平板拖掛貨車4.0

南京路上各交叉口的交通情況是不一樣的，可以分析每個(gè)交叉口的交通量在一天中早七點(diǎn)到晚七點(diǎn)的變化特性，在此基礎(chǔ)之上對(duì)南京路上的交通量進(jìn)行整體分析，將換算成標(biāo)準(zhǔn)車后的數(shù)據(jù)結(jié)果通過各交叉口進(jìn)口流量折線圖來表示(見圖7)。

3.2VISSIM仿真

本文應(yīng)用德國(guó)PTV公司的交通仿真軟件VISSIM，對(duì)道路交叉口諸多參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和仿真實(shí)驗(yàn)。

① 通過調(diào)查的6個(gè)交叉口各進(jìn)口道的交通量數(shù)據(jù)，設(shè)置VISSIM路網(wǎng)中的車輛類別、期望速度、加減速度、車流量等參數(shù)。

② 以上6個(gè)交叉口信號(hào)燈配時(shí)相同，其相位圖8、配時(shí)表9如下所示，通過相位圖和配時(shí)表對(duì)VISSIM路網(wǎng)中的信號(hào)燈參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

③ 仿真運(yùn)行后，如圖9～圖11所示，統(tǒng)計(jì)按固定配時(shí)情況下的車輛陷入兩難區(qū)的車輛數(shù)。

④ 再利用動(dòng)態(tài)兩難區(qū)黃燈時(shí)間模糊控制響應(yīng)表對(duì)信號(hào)燈配時(shí)進(jìn)行更改，如圖12所示，仿真運(yùn)行后，統(tǒng)計(jì)按模糊控制黃燈時(shí)間情況下的車輛陷入兩難區(qū)的車輛數(shù)。

⑤ 通過VISSIM依次仿真六個(gè)交叉口，每次仿真時(shí)間為1 h，仿真多次取其平均值，見圖13，由圖可知：車輛在通過有模糊控制黃燈時(shí)間和黃燈時(shí)間固定配時(shí)的交叉口時(shí)，其前者陷入兩難區(qū)的概率遠(yuǎn)少于后者陷入兩難區(qū)的概率。

圖7　南京路與新村路等各進(jìn)口總流量折線圖Figure 7　Nanjing road and village road，et al. each inlet 　　　total flow line chart

圖8　道路交叉口固定信號(hào)燈相位圖Figure 8　Road intersection fixed signal phase diagram

表9 道路交叉口固定信號(hào)燈配時(shí)圖Table9 Roadintersectionfixedsignallighttimingdiagram信號(hào)燈控制交叉口周期長(zhǎng)度綠燈時(shí)長(zhǎng)黃燈時(shí)長(zhǎng)綠燈時(shí)序相位1東西向直行1243333～36相位2東西向左轉(zhuǎn)12429339～68相位3南北向直行12427371～98相位4南北向左轉(zhuǎn)124233101～124

圖9　聯(lián)通路與南京路仿真車輛運(yùn)行參數(shù)圖Figure 9　Unicom operation parameters of road and nanjing 　　　road motor vehicle simulation diagram

圖10　聯(lián)通路與南京路仿真信號(hào)燈相位配時(shí)圖Figure 10　Unicom road and nanjing road simulation signal 　　　phase timing diagram

圖11　聯(lián)通路與南京路仿真車輛信息記錄Figure 11　Unicom road and nanjing road simulation of vehicle 　　　information recording

圖12　聯(lián)通路與南京路信號(hào)燈配時(shí)圖Figure 12　Unicom road and nanjing road signal light 　　　timing diagram

圖13　不同道路交叉口兩難區(qū)仿真結(jié)果比較圖Figure 13　The comparison of graph simulation different 　　　road intersection in dilemma zone

4結(jié)束語(yǔ)

在統(tǒng)計(jì)陷入兩難區(qū)的車輛數(shù)上可以通過闖紅燈來判斷，而在VISSIM仿真中，設(shè)定的車輛不會(huì)發(fā)生闖紅燈現(xiàn)象，則應(yīng)以車輛在紅燈啟亮?xí)r是否完全通過交叉口來判斷。

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Research on Yellow Light Time Fuzzy Control Strategy of Dynamic Dilemma Zone

LIU Runqiao， HAN Jiapeng， LIU Hongguang， TAN Derong

(School of Transportation and Vehicle Engineering， Shandong University of Technology， Zibo， Shandong 255049， China)

[Abstract]By analyzing the dilemma zone and dilemma zone on the relationship between the speed and the dilemma zone，speed and yellow light timing，based on fuzzy control dynamic dilemma zone yellow light time control strategy was proposed，yellow light time single input single output fuzzy control rule table was set up，and according to the actual traffic survey，yellow light time fuzzy control response table was built.Finally VISSIM simulation network of vehicle model，vehicle type，expectations set speed，add and subtract speed，traffic should be set up by each period by the variety of various models of cars that actual intersection，according to the different actual sections of intersection fixed signal phase diagram，timing table and the yellow light time fuzzy control response table dynamic dilemma zone ，VISSIM lights for correction of road network should be rectified，the simulation experimented that on the vehicle in the intersection of fuzzy control by a yellow light time or yellow light time according to the intersection of fixed timing，the probability of the former is far less than the latter in a dilemma.

[Key words]dynamic dilemma zone； fuzzy control； yellow light time； VISSIM simulation

[中圖分類號(hào)]U 441.5+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0129—07

[作者簡(jiǎn)介]劉潤(rùn)喬(1987—)，男，山東煙臺(tái)人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒐こ膛c控制。

[基金項(xiàng)目]山東省自然科學(xué)基金資助(ZR2011EEM034)

[收稿日期]2015—01—22