（交通信息工程及控制专业论文）交叉口信号模糊神经网络控制方法研究.pdf

摘要 近年来，智能控制方法在交通领域得到了迅速的应用，有关智 能交通控制系统( i t s ) 的研究也非常活跃。由于交通控制问题本身 具有的特点，在智能交通控制研究中，结合了模糊控制和神经网络 控制优点的模糊神经网络控制成为主要趋势之一。本文围绕具有典 型意义的单交叉信号控制问题开展研究工作，试图在前人研究的基 础上设计一种更优的多相位可变相序控制算法，在此基础上设计模 糊神经控制器，并通过仿真实验验证其控制效果。 本文所做的研究工作和研究方法主要有： 1 综述了目前智能交通领域的研究现状和实际应用情况。指出 了前人研究成果的不足及本文所做的改进。 2 提出了一种可变相序的控制算法，该算法综合考虑各相位车 队长度，以此来决定绿灯相位的转移。 3 设计了信号模糊神经网络( f n n ) 控制器。， 4 利用设计的模糊神经网络控制器进行了仿真实验，并将其控 制效果与定时控制方法( 韦伯斯特法) 进行比较。 在不同交通流情况下的仿真实验结果表明：本文变相序控制算 法可以更好地适应交通流量的变化，弥补相序固定的缺点；本文控 制策略综合考虑各个车道上的排队长度，以此来决定绿灯时间的分 配，更接近人的决策过程，能有效地对平面交叉口进行控制；模糊 神经网络控制器自适应能力强，能有效地降低车辆平均延误，与传 统定时控制相比优势明显。 关键词：交通控制，交叉口，模糊神经网络，相位 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，i n t e l l i g e n tt r a f f i cc o n t r o lm e t h o dh a db e e nr a p i d l y a p p l i e di nt h et r a f f i cf i e l d ，a n dt h es t u d yi ni n t e l l i g e n tt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ( i t s ) w a sa l s ov e r ya c t i v e a st r a f f i cc o n t r o lp r o b l e mh a si t so w n c h a r a c t e r i s t i c s ，f n n ( f u z z yn e u r a l n e t w o r k )c o n t r o l ，w h i c hi st h e c o m b i n a t i o no ff u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 h a db e c o m eo n e o ft h em a i nt r e n di n i n t e l l i g e n tt r a 珩cc o n t r 0 1 t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e t y p i c a ls i g n i f i c a n c eo fs i n g l e c r o s ss i g n a lc o n t r o lp r o b l e mt oc a r r yo u tt h e r e s e a r c h w o r k ，t r y i n gt od e s i g nab e t t e rm u l t i p h a s es e q u e n c ec o n t r o l a l g o r i t h mo nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e s ，t h e naf u z z yn e u r a lc o n t r o l l e r w a sd e s i g n e dw i t ht h i sa l g o r i t h m ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tv e r i f i e dt h e c o n t r o le f f e c t r e s e a r c hw o r ka n dr e s e a r c hm e t h o d su s e di nt h i sp a p e ra r em a i n l yt h e f o l l o w i n g ： 1 s u m m a r i z e dt h ec u r r e n tr e s e a r c hi nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns t a t u sa n dt h ea c t u a la p p l i c a t i o n p o i n t e do u tt h el a c ko f p r e v i o u ss t u d i e sa n di m p r o v e m e n t s ，w h i c hm a d ei nt h i sp a p e r 2 p r o p o s eav a r i a b l ep h a s es e q u e n c ec o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c hh a d t o o kt h el e n g t ho fe a c hc a r sp h a s ei n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h e nu s et h i s a l g o r i t h mt od e t e r m i n et h et r a n s f e ro fg r e e nl i g h tp h a s e 3 d e s i g n e dt h ef n nc o n t r o l l e r 4 c a r r i e ds i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s o i lt h ef u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e r , a n dc o m p a r e dt h ec o n t r o le f f e c t sw i t hw h i c hm a d eb yt i m e d c o n t r o lm e t h o d ( w e b s t e r ) i nd i f f e r e n tt r a f f i cf l o wc i r c u m s t a n c e s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ： v a r i a b l ep h a s es e q u e n c ec o n t r o la l g o r i t h mc o u l db e t t e ra d a p t e dt oc h a n g e s i nt r a f f i cf l o w , a n do f f s e tt h e s h o r t c o m i n g so ff i x e ds e q u e n c e ；t h i s i n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yh a dt o o kv a r i o u sl e n g t ho fq u e u ei n t o c o n s i d e r a t i o n ，i no r d e rt od e t e r m i n et h ea l l o c a t i o no fg r e e nt i m e ，m a d ei t c l o s e rt ot h ed e c i s i o n m a k i n gp r o c e s so fm a n ，a n dc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o l t h ep l a n ei n t e r s e c t i o n ；f n nc o n t r o l l e rh a ss t r o n g s e l f - a d a p t i v ea b i l i t y , w h i c hc a nr e d u c et h ea v e r a g ed e l a yo fv e h i c l e se f f e c t i v e l y , c o m p a r e dw i t h i l t h et r a d i t i o n a lt i m e d c o n t r o l ，t h ea d v a n t a g e so ff n n w e r e o b v i o u s l y k e yw o r d s ：t 妇f f i cc o n t r o l ，i n t e r s e c t i o n ，f n n ，p h a s e i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储躲避啸耳年上月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文： 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名型 导师 导师 日期：斗年上月卑日 日期：丑年旦月手日 日期：= 生年卫月生日 中南人学硕j ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了本课题研究的背景和意义，然后综述了目前智能交通领域的 研究现状和实际应用情况，指出了现有的一些方法和实际应用系统的不足及本文 在此基础上所做的改进，最后概述了本文主要的研究工作。 1 1 课题研究的背景及意义 城市交通是城市经济生活的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，对于城 市经济的发展和人民生活水平的提高起着十分重要的作用。随着我国经济的迅猛 发展和城市化进程的加快，我国机动车拥有量快速增长，导致了交通需求与道路 设施之间的尖锐矛盾。 随之而来的，交通问题引起的损失，无疑是巨大的。2 0 0 7 年8 月6 日，据建设 部副部长仇保兴披露，我国每年因为交通堵塞造成的g d p 损失达到5 一8 。交通拥 挤不仅使交通延误增大，行车速度降低，带来时间损失，而且低速行驶增加耗油 量，导致燃料费用增加、能源的浪费，汽车尾气排放增加，从而造成空气质量恶 化。在许多城市，来自汽车排放的尾气中的一氧化碳、碳氢化合物己成为城市大 气中的主要污染源，因而交通问题引起的环境问题已成为人类社会的公害之一。 此外，交通拥挤使交通事故增多，而交通事故的发生又造成交通拥挤加剧，从而 形成恶性循环。交通问题能否解决将直接影响城市经济和整个城市的发展。 解决交通拥堵矛盾有两种方法瞳1 ：一是拓宽道路，加强交通基础设施建设；二 是提高管理水平，充分利用现有的道路资源。第一种办法是一种外延型的发展途 径。诚然道路设施是发展城市交通、满足各种交通需求的物质载体，但它受到道 路建设资金和城市土地空间的限制。我国城市道路系统建设不能与交通需求同步 增长，这是一个既普遍、又不可能在短时间内解决的问题。因此，在现有道路条 件下，如何提高交通控制和管理水平，合理使用现有道路资源，充分发挥其能力， 成为交通控制的重要问题呤1 。 交通控制是运用现代化的信号装置、通信设施、遥控、遥测电脑设备及各种 软件对行驶的车辆准确地调度，使其安全通畅地运行h 1 。交通控制的目的在于认识 并遵循道路交通网固有的客观规律，不断提高管理的效益，争取最少的延误、最 短的运行时间、最大的通行能力和最低的运营费用，从而取得良好的经济效益、 孛鸯大学矮1 ：学链论义第帝缝论 社会效益和环境效益。当前，交通控制正在向橱能化方向发展瞵】。智能交通系统 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，简称i t s ) ，是运用高科技手段解决当今 交通运输闽题豹新技术，是大工智麓技术在交通运输系统豹应用。智裁交避控制 系统包含的蠹容很多，知道路交通售号控制、交通诱导系统、汽车综合控制、自 动化公路等，本文主要研究道路交通信号控制即交叉口的交通信号灯控制。 作为城市交通网的重簧组成部分，交叉口是道路通行能力韵瓶颈和交通阻塞 及事故豹多发地。城市鹃交通搠堵，大部分是国于交叉翌鹣通行麓力不是域没有 充分剩黑造成的，这导致车流中断、事故增多、延误严重。出此可见，对交叉因 实行科学的管理与控制是交通控制工程的蘑要研究课题，是保障交叉口的交通安 全和充分发挥交叉盈韵通行能力的重簧措施，是解决城市交通润题的有效途径。 弱前函蠹在应用的交叉弱萋号智辘控制系统大部分麓来源予英国酶 s c o o t ( s p l i tc y c l ea n do f f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 系统、澳大利亚的 s c a t ( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i c ) 系统和r 本的京三系统。实践已经 证鞠，这些系统并不能禳好适应中国麴交通情况。掰戮有必要针对串善交通特点 进嚣交叉弱信号控割策珞麴磅究。 2 城市交通控制技术发装概况 1 。2 1 城市交通控制技术发展历史 城市道路交通自动控制技术的起源是交通自动信号灯的诞生，这可以追溯刘 l 藿纪末2 谤毽纪初。1 8 6 8 年伦敦熬藏凝特敏囊特教堂附近安装了台红绿嚣色的 煤气照明灯，用来控制交叉路懿马车的通行，但由于意外的爆炸事故，致使这种 信号灯没能继续使用。1 9 2 6 年英国人首次采用自动化的交通信号控制器来控制交 逶信号灯，这是城市交通裔动拄翻的起点澜。 皇动纯麴交通痿号灯是壹交通馈号控制器控裁其红绿灯翡嬲期交他的。旱期 的交通信号灯是“固定配时”方式实行自动控制的，这种方式对于早期交通流量 不大的情况曾超过定的作用醋1 。 随着汽车工监的发展、交通流量增加、隧季冗交能增强，采用以往那种单一模 式的“霎定配对黔方式已不能满足客观需要，于是一种多时段多方案戆信号控制 器取代了传统的只有一种控制方案的控制器。采用这种控制器其效果要明显好于 传统的老式控制器。这种控制器在一天时间里备有凡种不同的配时方案，它熊按 交逶流的变亿规律，不丽豹时潮选溺不同麓方案，魄如旱、晚高峰期闻有各叁鹩 高蜂方案，高峰以外的时翔有平时方案。当交通流变化规律比较骧曼熬时候，这 种控制方式控制效果是很好的。多时段多方案定时控制器在长期的使用过程中不 2 中南人学硕： j 学位论文 第一章绪论 断地改进、提高，所以至今仍作为单交叉路口的一种控制方式广泛地得到应用。 由于交通流具有连续运动的特点，特别是当两个相邻交叉路口距离很近时， 这种各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式，难免造成频繁停车，使控制 效果不佳。要解决这个问题，必须把相邻的交叉路口作为一个系统来统一地加以 控制砸1 。早在1 9 1 7 年，在美国盐湖市就开始使用联动式信号系统，即把六个交叉路 口作为一个系统，以人工方式加以集中控制。1 9 2 2 年，美国休斯顿市建立了一个 同步系统，它以一个交通亭为中心控制十二个交叉路口，该系统使用了电子自动 计数器。六年后，即1 9 2 8 年，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时系统： 由于它简单、可靠、价格便宜，很快在美国推广普及。这种系统以后不断改进、 完善，成为当今的协调控制系统。 2 0 世纪3 0 年代初先是美国，以后在英国开始用车辆感应式信号控制器，当时 使用的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测 器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车 辆在交叉口的时间延误，因此比定时控制方式有更大的灵活性。 车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展一1 。继气动橡皮管式检 测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线圈等检测 器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中， 应用最广的是环形线圈车辆检测器。 1 2 2 现有交通控制系统及其不足 当前世界各国广泛使用的最具代表性且有实效的城市交通控制系统有英国 t r a n s y t 系统、英国的s c o o t 和澳大利亚的s c a t s 系统。这些系统已经在发达国家的 城市网络交通控制中获得了成功的应用。 但是这些系统采用的控制方法本身就有其局限性。 ( 1 ) t r a n s y t 系统：首先，因为该系统为离线优化系统，采用的控制方法是定 时控制n0 1 ，使其应用范围受到严重的限制。在交通状况很少变化，车流运动有明 显规律时，此定周期控制系统才有比较明显的效益，否则效益并不显著。其次， 定周期式控制系统的配时方案的准备工作要耗费很多人力物力，而且这种工作每 隔一段时间就要进行一次。 ( 2 ) s c o o t 系统和s c a t s 系统：首先，它们采用的是感应控制，共同的局限性 就是以数学模型为基础。城市交通系统中被控对象过程存在着非线性、参数间的 强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂等特点，以致不可能建立起被控 对象的精确数学模型，这就造成了算法本身就有存在缺陷。其次，两个系统都忽 略了交叉口的个性，一直以区域的特性来指定各个交叉口的参数。同时它们也忽 3 中岗人学硕一l ：学位论文 籀一章绪论 略了信号相位设计的重要性，而一直将重点放在配时设计上。 1 。3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 研究现状 晷前，城市交通控制系统的研究热点主要有嚣个方蕊： ( 1 ) 传统交通控制方法基础上的整合改造； ( 2 ) 基于人工智能技术的交通控制策略的革新。 由予城市交叉墨影响因素多、扰动大、车流彳亍为复杂，建模困难，采用模糊 控制对交叉因进行控制越来越弓l 起国内外学者的重视。1 9 7 6 年，希腊学者 c p p a p p i s 和英国模糊控制专家e h m a m d a n i 最早将模糊控制应用于单交叉路口 信号灯的控制。在对理想交叉口的仿真实验中表明此种控制算法比传统的控制算 法减少车辆延误7 左右雏。p a p p i s 算法研究的是理想纯昭十字交叉日，仅仅根据 单交叉口的两相位的关键车流来决定交通信号配时，丽忽略了非关键车流对信号 配时的影响。我国学者陈洪n 2 叫砌等人在此基础上进行了进一步的研究，考虑了非 关键车流对控制效果的影响，在此基础上对p a p p i s 算法进行了修改，并采用了多 级模糊控制鲶方法。其方法较p a p p i s 等提高提高效益1 2 溅。为了避免预测带来的 局限性，我国学者徐建闽等又提出了路段车辆数的概念，在每个路口设置两个检 测器，使输入量不用预测即可得到，减少了预测算法和车流的随机性带来的不确 定性。该控制比定时控制平均延误时间减少了2 5 。为了适应复杂的交通情况，我 国学者刘智勇n 蛇等又提出了种交叉固的多相位模糊控制方案，把队长作为控制 目标，综合考虑各车道上车队长度，以此来决定绿时分配。当右转车辆不受控制 时，车流汇入其它方向来的车流中容易造成道路的拥塞，为了解决右转车辆的控 制阀题，我国学者吕宗涛秘鹫等人提出了一种双系统控制策略，邸主系统与辅勘系 统共同控制交又路目的信号。其中主系统控制直行和左转信号，辅助系统则专门 控制交叉路口右转信号。当交通量较大时，该方法可有效减少延误车队长达3 0 6 。 基于竞争机制的单交叉口变相序控制方法也在研究中，该方法能综合各相位的优 先权确定下一个放行相位。实验结果表明基于相序优化的模糊控制方法优予普通 模糊控制器效果。 为了提高模糊控制的精度，解决模糊规则动态自学习的问题，一些学者引入 了人工神经网络与模糊控制相结合的方法“卜渤。1 9 9 1 年，n a h a t s u j i 和t e r u t o s h i 通过训练一个神经网络使其给出了单个交叉翻的最优绿信比，后来又把研究工作 扩展到三个交叉口上。国内学者徐冬玲等研究了一种神经网络实现的单点模糊控 制器，实验结果表明，这种方法能够把模糊集和神经网络的优点结合起来：模糊 毒 中南大学颈1 ：学位论文第一牵绪论 集理论可有效地处理模糊信息，但产生的规则比较飙糙，瓶神经网络的非线性映 射能力强，利用这一点来学习规则可有效地提高精度。因此，模糊神经网络信号 控制方案具有自学习和逐步优化能力，其控制效果优于一般的智能信号控制方案 班引。8 0 年代后期发展起来的遗传算法( g 矗) 也为智麓控制的发展注入了新的活力汹、 2 3 】 口 上述研究中一般只是考虑机动车辆对路口信号控制的影响，而没有考虑路口 非机动车辆的影响。针对我国非机动车辆较多的特点，一些学者正致力予研究孤 立交叉口混合交通流情况下的信号控制阅题，取得了定成果，较好地解决了具 有中国特色的路口信号控制问题心 。 我国城市交通控制方面的工作起步较晚，在2 0 世纪7 0 年代后期北京丌始采用 d j s 一1 3 0 型计算机对干线协调控制闻题进行了研究嘲。8 0 年代以来，城市道路交通 阀题越来越严重。国家一方面进行以改善城市市中心交通为核心的u t s m 系统技术 研究：另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系 统。如：北京引进了s c o o t 系统，上海引进了s c a t 系统，深圳引进了日本的京三控 制系统，等等。进入2 0 世纪9 0 年代蜃，有关院校、研究所开展了有关智链优运输 系统i t s 的理论和应用的研究，墩锝丁一系列成果，并且研制了智能交通系统的有 关设备和子系统，很多产品已经在实际的交通管理和控制中得到应用，取得了明 显的效益。 由于城市交通控制阂题的复杂性，上述成果并不是很完善，还有待予进一步 研究和改进。 1 3 2 发展趋势 固定配时方案一经建立并付诸执行，就不会自动调整和更改：控制的灵活性 较差，无实对交通信息反馈。感应控制比定时控制更能适应交遴流量的随枧变化， 但是感应控制的算法中只是考虑当前通行相位时间的延长，而没有考虑其他相位 的车辆排队情况。有时，即使通行相位有车辆连续到达，如果其他方向的车辆排 队长度很长，也要及时改变相位，以取得整个路口交通效益的最大嘲。解决该闯 题的方法有两种，一是采用数学模型对交叉口各个方是的车辆到达作准确的预测， 根据运筹学和最优化理论确定各个方向的绿灯时间：二是采用智能控制的方法对 交叉口进行控制。由于城市交通系统具有随机性、模糊性、不确定性等特点，根 难对其建立数学模型。计算机的出现和广泛应用促成了人工智施研究热潮的掀起。 针对传统交通控制系统的固有缺陷和局限性，许多学者把人工智能中的模糊系统、 人工神经网络等实用技术相继推出并应用到交通控制领域 嚣1 。 ( 1 ) 模糊控制 s 中南人学颁上学位论文笫一章绪论 模糊逻辑是一种处理不确定性、非线性等问题的有力工具，特别适用子表示 模糊及定性知识，与人类思维的某些特征相致，故嵌入到推理技术中具有良好 效果。模糊控制能有效处理模糊信息，但是产生的规则比较凝糙，没有自学习能 力。 ( 2 ) 神经网络控制 人工神经网络擅长于解决菲线性数学模型问题，并具有囱适应、自组织和学 习功能，广泛应用于模式识别、数据分析与处理等方面。川。其显著特点是具有学 习功能，不断修正神经元之| 、目j 的连接权值，并离散存储在连接网络中，因而对非 线性系统和难以建模的系统具有良好的映射功能和学习功能。 将模糊控制、神经网络结合起来用于交叉盈多相位信号灯的控制能够取得比 定时控制与感应控制更好的效果，将是今后交叉日信号灯控制的主要研究方向。“1 。 1 。4 本文研究内容 本文首先针对复杂的交叉口信号控制问题，以典型的四相位设罱情况为对象， 提出一种自适应可变相序控制算法，在此基础上将模糊控制与神经网络控制结合 起来用予交叉墨信号控制阀题的研究，并阐述了系统基本设计思想和算法实现过 程。由于模糊神经网络不需要对象的准确数学模型，它以分布的方式存储信息， 利用网络的拓扑结构和权值分布实现非线性映射，在处理非线性的问题中是一个 很好的工具。同时通过在神经网络框架中引入模糊规则，使网络中的权值有明显 的意义，并旦保留了神经网络的学习机制。仿真结果验证了该方法的有效性，通 过与定时控制方法( 韦伯斯特法) 的比较，证明本文的方法能够有效降低车辆平 均延误，满足实时控制的要求。 木文内容共五章。第一章为绪论，第二章主要奔绍交叉蠲信号控制相关的基 本理论，第三章主要研究基于b p 算法的模糊神经网络结构和算法，第四章在翦文 研究的基础上给出了变相序控制算法并设计实现了模糊控制器，最后通过仿真实 验验证了本文方法与定时控制方法相比的优势，第五章为结论与展望。各章的主 要内容如下： 第一章：综述了目前智能交通领域的研究现状和实际应用情况，指出了照前 的一些方法和实际应用系统的不足及本文的改进。 第二章：介绍了交通控制基本参数、基本理论和基本问题，并详细讲解了各 个参数之间的相互关系。其中，车辆平均延误被作为本文方法控制效果的评价指 标。 第三章：详细讨论了模糊逻辑、神经网络和b p 算法的基木理论体系和它们之 5 中南人掌硕j j 学位论：交第一章绪论 阏的内在联系。 第四章：本章是全文的重点。首先以城市最常见的四相位交叉口为研究对象， 设计了种可变相序控制算法，改变了传统定时定相序控制的传统。该算法综合 考虑各相位车队长，以此来决定绿灯相位的转移，然后在此基础设计了模糊神经 网络控刳器用于控制绿灯延时。本文绘出的算法能依据各相位车辆到达情况，动 态地调整每个周期内的相序，使绿灯时间得到充分利用。本文设计的模糊神经控 制器结合了模糊逻辑和神经网络的优势，利用神经网络有较强学习能力的特点， 对变量隶属度函数进行了优化。在此基础上用训练好的模糊神经溺络控制器给出 最佳绿灯延时。最后介绍了定时控制方法( 韦伯颠特法) 理论，然后进行了仿真 实验，并以车辆平均延误为评价指标比较了本文方法与定时控制方法的控制效果。 第五章：对本文研究内容进行了总结，并展望了相关内容今后的研究方向。 7 中南人学颀j ：学位论文第二章交叉u 信号控制理论 第二章交叉口信号控制理论 本章介绍了交通控制基本参数、基本理论和基本问题，并详细讲解了各个参 数之间的相互关系。 2 1 交叉口信号控制的基本参数 交通信号是用来控制、引导车辆和行人在道路上运行或行走的信号。交通信 号控制是指以交通信号控制模型为基础，通过合理控制路口信号灯的灯色变化， 达到避免冲突、减少交通拥挤与堵塞、保证城市道路通畅和避免发生交通事故的 目的。 2 1 1 信号周期 交通信号的红、黄、绿3 种灯在指挥交通时是依次循环闪亮的，信号灯变化一 个循环所用时间就称为信号周期，简称周期，一般用t 表示，单位为秒( s ) 。信号 周期t 是决定交通信号控制效果优劣的关键参数之一。一般来讲：最短信号周期不 少于4 0 秒，否则难以保证各个方向的车辆顺利通过路口：最长信号周期一般不超过 1 2 0 秒，否则会导致等待时间过长，增加延误时间。 2 1 2 信号相位 在一个周期内，交叉口上某一支或某几支交通流所获得的通行权称为信号相。 在一个周期内，有几个信号相，则称该信号系统为几相位信号系统。显然，信号 相位越多，交通安全性就越好，但交叉口的利用率则越低。所以在确定交叉口相 位时，应兼顾交通安全和交通效率两方面的要求。 2 1 3 有效绿灯时间 有效绿灯时间是指某相位信号的绿灯时间与黄灯时间之和减去损失时间，用 公式表示为： t e a = t a + f y 一乞 ( 2 一1 ) 式中： 耶有效绿灯时间，单位为s ； 。g 一该相信号绿灯时间，单位为s ； r 一该相信号黄灯时间，单位为s ； 吃一该相信号损失时间，单位为s 。 巾南入学硕l ：学位论文 第二牵交叉霸信簪掩 | ；| 理论 2 。 4 绿信毙 绿信比是指在一个信号周期内有效绿灯对间分配绘各个信号相的情况，可袭 示为： f 旯= 警 ( 2 2 ) 、 式牢：a 一该相信号绿焦比；f 信号周期。 2 1 5 相位差 相位差是协调控制的信号配时中的一个重要概念，它分为相对帽位差和绝对 楼蕴差，通常霜篱或s 来表示。相对相位差是指森各路嚣的信号潮期均耜丽静联动 信号控制系统中，摺邻秀个交叉路蜀协调姻位的绿灯其实时闯差，单健为s ，这个 相位差与信号周期之比称为相对相位差。绝对相位差是指在联动信号控制系统中， 选定某一交叉翻中的信号作为基准信号，其它备交叉嗣绿灯起始时闻相对予基准 信号交叉弱绿灯时翘酶差。通造调整备交叉邂的裙馥差，可以在一个于道孛豹尼 。令路翔阉形戏一条绿波带，车队通过这些路口时可以畅通无阻。 2 1 6 损失时间 损失时闻是指在周期时闯肉由予交通安全及车流运行特性等原因，在菜段时 阍蠹没有交通流逶行或未被充分利用的时翘。损失对闻氢括翦损失时闻和震损失 时间。前损失时间是指绿灯时间开始时，由于车辆驶出率较低造成的损失时间。 后损失时间是指当绿灯时间结柬时，黄灯时间内车辆已不许越过停车线，只有绿 灯期阀己经越过停车线的车辆才可以继续通行所造成酌损失时阗。在实际孛，要 准确计算损失时闻是十分爨难的，因此，常常髑信号配时中的绿灯时闯来近似代 替有效绿灯时间。 2 。2 控嬲效果的基本评价指标 交通控制的评价指标肖：通行能力、琵和度、行覆时闻、延误、襻车次数、停 车率、燃油瀵耗、废气接放、交通嗓音等。在道路条件一定豹情况下，交通信号 控制评价指标与信号配时有直接关系，但指标之间也会存在矛盾。如交叉口通行 能力受信号周期时间的影响，在正常周期时间选择范围内，周期时间越长，通行 能力越大，僵车辆延误、停车、漓耗也会隧之增加。菊获得预期的控制效益，就 必须选择合适指标并以选定的指标为依据确定傣号配黠，使褥控制达到最佳。 目前常用的交通效益指标是通行能力、饱和度、停车率、平均延误时间和平 均排队长度。 9 中南人学硕i ：学位论文 第二章交叉u 髓号控制理论 2 2 1 通行能力 通行能力是指单位时间内连续通过车辆的能力，包括路段通行能力和路口通 行能力。路段通行熊力是指在单位时闻内路段某截面能逶过的最大车辆数：路弱通 行能力是指在单位时间内路口通过的最大车辆数，其单位都是p c u h 。在信号控制 的情况下，路口的通行能力可以用下列公式口2 3 计算： 皱= 皱蔓 ( 2 3 ) 式中： 吼为路口某一入口车道的通行能力( p c u h ) ； 吼为该路口车道的饱和流量( p c u h ) ； 为某相信号的有效绿灯时间( s ) ； e 为信号周期长度( s ) 。 饱和流量实际上是一个与交叉口信号控制无关的量，仅取决于道路条件和车 辆状况。 2 2 2 饱和度 相位饱和度是指相位关键进口道到达交通量与通行能力之比，而交叉墨饱和 度是相位饱和度中的最大值。在进行信号配时设计时，必须要满足交叉口饱和度 小于1 ，也即交叉口各相位饱和度要小于1 ，一般取值范围为 0 7 5 ，0 9 汹1 。 2 2 3 停车率 停车次数就是一个信号周期内完全停车次数的总和，停车率是指一个信号周 期内停车车辆数占通过停车线( 交叉口) 车辆总数的比率。 2 2 4 平均延误时间 延误时闻是指车辆在交叉嚣入图弓| 逆处被阻碍下行走所需时闻和无阻碍行走 所需时间之差。延误时间有平均延误和总延误两个评价尺度。 对于信号交叉豳行车延误的分析与计算，主要有三种理论：稳态理论、定数理 论和过渡理论，其中稳态理论主要用于交叉口饱和度小予l 的情况，并假设在观测 时阀段内，通过能力和车辆到达率保持不变。平均延误时闻公式四1 如下： 乃。百c o - 一, t ) + j 一0 6 5 ( 三) 踊( 2 - 4 ) 4 2 ( 1 2 y ) 2 q ( 1 一名)、9 2 7。 式中： i 毒平均延误时闻； c 一信号周期； i o 中南久举颀：l ：学位论文 第二黎交叉u 信丌粹制瑾沦 孽一交通流量； y 一流量比率； 五一所考察相位的绿信比。 2 2 5 平均排队长度 平均排队长度是指在僖号一个周期内务条车道排队最长的长度平均值。各条 车道最长排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的长度t 。 = ( 2 5 ) 式中；扩车道数。 平均排队长度以周期为单位计算。某个周期乎均车辆排队长度与此周期平均 车辆延误的指标基本是一致的。 2 2 6 其它性雒指标 一般来讲好的控制效果就是寻求最大的通行能力，最低昀饱和度，使道路上 车辆的延误时间和停车次数最少。但是，有时还需要考虑其它参数，如最大的等 待车队长度，特别是在两个相邻路口距离比较短的情况下，为了不使下游路口的 等待队列延续到上游路口，影响上游路日，有必要将队列长度也作为控制指标。 耗油壁是另外一个曩标。耗油量多少不仅直接影响运行费用的经济指标，同时也 决定尾气排放量和对环境的污染程度。在目前网愈重视环保，提倡节约能源、实 现绿色交通的形势下，必须将耗油量也作为一个目标。 交通控制要实现的晷标很多，实际控制时为了易于实现往往根据具体的时阀、 地点和客观条件，选取其中一个或几个作为主要的控制目标，其它作为参考或不 加考虑。 2 。3 信号控制的分类 城市道路交通控制从不同的角度可以划分成不同盼类型嘲。 2 3 1 按控制区域几俺特性划分 按控制区域几何特性可分为单个交叉口的控制( “点控制) 、交通干线的协 调控制( “线控制”) 以及区域交叉口的网络控制( “面控制 ) 。 ( 王) 单个交叉口的控制 当某个交叉口与其相邻的交叉口相距较远时，可以利用一台信号控制器控制 其信号变化，它与相邻的交叉口之间的信号配时没有固定关系。其主要控制参数 是周期长和绿倍比。必须考虑的两个重要因素是车辆延误和交叉口的通行能力， 中南大学硕：i ：学位论文 第一二章交叉u 信号控制理论 在理想的情况下，希望总延误时间最小和使交叉口的通行能力得到最大的利用。 ( 2 ) 交通干线的协调控制 城市中的交通干线往往具有很重的交通负荷。保证干线的交通畅通，对改善 一个地区甚至一个城市的交通状况往往有很大的作用。 为了使沿干线行驶的车辆尽可能地在每个交叉口少遇红灯，从而使车队连续 通行，必须使相邻的交叉口之问信号变化遵循一定的规律，即绿灯起始时间保持 某个恒定的时间差一相位差。为使相位差在每个信号周期都保持恒定，这些干线 上相邻的各个交叉口都必须共用相同的信号周期。 ( 3 ) 交通网络的协调控制 这种控制方式是以城市区域网络内的主要交叉口的信号为控制对象，根据需 要，系统的控制目标可以有所不同，所以它的目标函数可以用网络的总延误和停 车率的加权和表示，也可以用平均车队长度或总的油耗作为系统的目标函数。显 然，同干线协调控制一样，交通网络协调控制的三个控制参数也是周期、绿信比 和相位差。就其实质而言，干线协调控制只是网络协调控制的一种特例。 2 3 2 按控制原理划分 按控制原理划分可分为定时控制、感应控制和自适应控制三种类型。 ( 1 ) 定时控制 这种控制方式以历史交通流数据为依据，找出每个日、周和小时内的不同交 通流变化规律，用人工方法或计算机仿真预先准备好不同日、周和不同时间区段 内使用的配时方案，将这些方案存储在信号控制器或中心计算机中。在实施过程 中可以用不同的方式调用这些配时方案。通常可用日历钟在规定的时间表的控制 下选用对应的方案，也可以按车辆检测器测量的实际交通要求选用合适的方案。 ( 2 ) 感应控制 感应控制的原理是根据车辆检测器测量的交通流数据调整相应的绿灯时间的 长短和时间顺序，以适应交通的随机变化，这种方式比定时控制有更大的灵活性。 感应控制适用于饱和度较低的或各向交通流相差较大的交叉口的控制，特别是交 通流没有明显的变化规律，随机性较强的时候，效果特别明显。感应控制源于单 交叉1 3 的车辆感应控制，后经发展，干线和交通网络也利用了类似的控制方法。 当各向交通流接近其允许的通行能力时，绿灯时间经过调整必然要接近各方 向允许的最大绿灯时间，这与定时控制并无区别。由此可见，感应控制方式与定 时控制方式一样是有条件限制的，预先要认真地分析其可行性和预期的效果。 ( 3 )自适应控制 在一条干线或一个区域，根据交通流的动态随机变化而自动地调整信号控制 1 2 中南人学硕1 ：学位论文 第二章交叉u 侪蟹靛铜瑾谂 参数，使控制系统自动地适应交通流的随机变化，这种控制方式就是自适应交逶 控制方式。 2 3 3 按控制思想划分 按控制思想划分，可分为被动式控制和主动式控制。 ( 1 ) 被动式控制一交通信号控制系统 前面讲的交通信号控制，其控制思想是以在道路上的交通为主体，选取适当 的控制方案( 或控制参数) 或联机实时生成控制方案( 或控制参数) 控制信号变化， 使之适应交通的需求。表面上番交通是受信号指挥的，焉实质上交通信号是根据 交通需求蕊变化的，也就是说交通信号是被动地控制交通流变化。 ( 2 ) 主动式控制一交通自动化路径诱导系统 交通自动化路径诱导系统能根据司机所在的位置和行驶的西的地等信息，给 出优化豹行驶路径，通过对所控区域内行驶的车辆发出指令和忠告，使区域内的 道路系统的交通负荷合理地均匀分布，从而预防交通阻塞的发生，即使阻塞发生 也不会加剧。相反，通过对交通主动引导、分配而使阻塞缓解和消除。交通自动 化路径诱导系统具有广阔的发展前景，随着近几年来微处理器和遥讯技术的高速 发展，使性价比迅速提高，为这种系统的应用提供了实践的可能性。 2 4 本章小结 本章首先介绍了交叉口信号控制的基本参数，包括信号周期、信号相位、有 效绿灯时间、绿信比、相位差和损失时间；然稻介绍了交叉口信号控制的基本评 价指标：逶行糍力、饱和度、停车率、平均延误时间和平均排队长度，等等。本 文以平均延误时间作为评价控制效果指标，以此来检验本文方法的有效性。最后 整理、综述了信号控制的分类。从不同的角度可有不同的分类方法。如按区域几 何特性可分为“点控制、“线控制和“西控制 ；按控制原理可分为定时控制、 感应控铡和自适应控制；按控制思想可分为被动式控制和主动式控制。本文方法 属于以上分类中的被动式自适应“点控制 。 1 3 中南人学硕”卜学位论文第三章模糊神缭列络和b p 算法 第三章模糊神经网络和b p 算法 本章主要奔绍了模糊逻辑理论、实现模糊控制的方法步骤、神经网络理论及 模糊控制与神经网络控制的融会方法、算法实现及即算法在其中的应用。 3 模糊控制 3 1 1 模糊控制概述 在实际生产过程中，人们发现，有经验的操作人员，虽然不懂被控对象或被 控过程的数学模型，却能凭借经验采取相应的决策，很好的完成控制工作。群1 。 例如人们在用手控制竹竿直立不倒时，一边用眼观测，一边用手控制：若竹竿向前 倾，则手向前运动；若竹竿向后倒，则手向后退。便要用建立数学模型解数学方 程的方法来控制竹竿直立不倒却是一件很困难的事情。这里，人的控制方法可以 用一系列具有模糊性的语言来表示，这就是模糊条件语句。再用模糊逻辑推理对 系统的实时输入状态观测量进行处理，则可产生相应的控制决策，这就是模糊控 制。 自从1 9 6 5 年美国加利福尼渡大学的z a d e h 潞1 教授提出模糊集合论以来，基于模 糊集合论形成了- l - j 新学科模糊系统理论。近年来，模糊系统理论的研究受 到了广泛重视，吸引了众多专家学者的关注，至今其理论研究与工程应用发展相 当迅速。目前模糊控制己经作为智能控制的一个重要分支，发展成为具有一定系 统理论与工程应用背景的一个新的研究领域嘲。 模糊控制能避开对象的数学模型( 如状态方程或传递函数) ，它力图对人们关 于某个控制问题的成功与失败的经验进行加工，总结出知识，从中提炼出控制规 则，用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语畜变量模型，应用各种模糊推 理方法，可以褥到适合控制要求的控制量。 模糊控制通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模糊化，变成 计算机可以接受的控制模型，让计算机代替人来进行控制。模糊控制的关键是模 糊控制器的设计，设计模糊控制器必须解决以下几个问题秘锄： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量： ( 2 ) 设计模糊控制器的控制规则； ( 3 ) 确定模糊化和解模糊的方法； 1 4 中南人举硕：学位论文第三嚣模糊诤经阏络和b p 算法 数： ( 4 ) 选择模糊控剁器的输入变量及输出变量的论域，著确定摸糊控制器的参 ( 5 ) 编制模糊控制算法的应用程序； ( 6 ) 合理选择模糊控制算法的采样时间。 模糊控制的原理如图3 一l 所示： 模糊控制器 s 。式a ee 被 ，r yy r 横 模糊 j i u 去模 u控 y 。 糊控制 ll f e c 化 嚣c 算法 糊纯 对 一凹象 图3 一l 模糊控帝l 器方牟燕图 图中： r 系统的设定值，精确量； e ，e r 系统偏差及偏差的变化率，精确量； e ，e e 一经模糊量化处理后e ，e 成为模糊量； lh ，经模糊推理规则近似推理处理后，褥到的输出量； u i 经模糊判决，得到控制器输出的精确量，去控制被控对象。 3 1 2 模糊控制的特点 由于模糊控制系统中语言型规则和模糊概念的使用，使得模糊控制本身相对 于卷规控制丽言有独特之处： ( 1 ) 不需要知道被控对象的数学模型 经典控制理论和现代控制理论解决控制问题时首先要建立基于传递函数或状 态方程的被控系统的数学模型。在很多控劁润题中，这种数学模型可能不存在或 不完整h 。其原因在于系统本身由于滞后、时变、强非线性和多扰动等因素非常 复杂，其被控过程还没有被人类完全认识。即使建立起了数学模型，由于利用了 参数线性化处理、高阶系统的降阶处理、