（交通运输规划与管理专业论文）城市交通信号模糊控制方法研究.pdf

中文摘要 摘要：本文在分析城市交通信号控制研究现状和交叉口交通信号控制原理、评价 方法的基础上，结合m a t l a b 冲的模糊工具箱设计了两级模糊控制器，对单个交叉 ，广口交通信号进行模糊控带氓撅计的两级模糊控制器对不同状态的交通流进行模 飞一旷糊控制1 分析其控制效果，得出两级模糊控制不是适用于任何交通流，而是有一 定的适用限制的结论；调用该两级模糊控制器对适用模糊控制的交通流进行模糊 控制，并在相同交通条件下与感应控制结果相比较，得到前者的平均周期车辆延 误要小于后者，模糊控制优于感应控制；分析了隶属度函数、模糊控制规则对模 糊控制的影响，把不同类型的隶属度函数与不同的模糊控制规则相结合成新的两 级模糊控制器，比较调整后的两级模糊控制器的控制结果，避免用复杂的算法来 优化两级模糊控制器，又能得到较优的控制结果。 关键词：模糊控制；两级模糊控制器；隶属度函数；模糊控制规则；m a t l a b 车辆 平均延误； 分类号：【请输入分类号( 1 - 2 ) ，以分号分隔。】 j 匕立交亟盍堂亟堂僮论塞旦墨至! a b s t r a c t a b s t r a c t ：a f t e ra n a l y z i n gt h er e s e a r c h e so ft h ec i t y - t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l ，t h e g r a d ec r o s s i n g sc o n t r o lt h e o r ya n di t sm e t h o do fe v a l u a t i o n ，t h ep a p e rd e s i g n sat r a f f i c s i g n a lt w o s t a g ef u z z yc o n t r o l l e rf o rs i n g l ei n t e r s e c t i o nu s i n gt h ef u z z yt o o lb o xi f lt h e m a t l a b a n a l y z i n gt h ec o n t r o l l i n gr e s u l to ft h et w o s t a g ef u z z yc o n t r o l l e rd e s i g n e d b e f o r ei i ld i f f e r e n ts i t u a t i o no ft r a f f i cf l o w , t h ep a p e rg e t st h ec o n c l u s i o nt h a tt h ef u z z y c o n t r o l l e ri sn o ts u i t a b l et oa l lk i n d so ft r a f f i cf l o w sa n dt h e r ei sau s i n gc o n f i n e a f t e r u s i n gt h ec o m m l l e rt om a n a g et h et r a 伍cf l o ww h i c hi ss u i t a b l ef o rf u z z yc o n t r 0 1 ，t h e e s s a yc o m p a r e st h er e s u l tf r o mf u z z yc o n t r o la n dt h a tf r o mv e h i c l ea c t u a t e dc o n t r 0 1 t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ei n f l u e n c e so nc o n t r o lr e s u l to ff u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o n s a n dr u l e s ，c o m b i n e sd i f f e r e n tf u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o n sa n dr u l e st of o r mn e w c o n t r o l l e r , c o m p a r i n gt h er e s u l tc o n t r o l l e rb e f o r eb e i n ga d j u s t e da n dt h el a t t e r ，o nt h e o n eh a n da v o i d i n gu s i n gc o m p l e xa l g o r i t h mt om o d i f yi t sf u z z ym e m b e r s h i p sa n dr u l e s ， o nt h eo t h e rh a n d ，r e c e i v i n gab e t t e rc o n t r o l l i n gr e s u l t k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o l ；f u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o n s ；f u z z yc o n t r o lr u l e s ； m a t l a b ；v e h i c l ea v e r a g ed e l a y i n g c l a s s n o ：1 1 2 9 2 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 棚p ， 导师签名： 荛彩 签字日期：孑一7 年- 7 月i f - e 签字日期：弘1 年1 月f p 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学雠文储虢伽p - 签- - - w - f l g l - 渊年 月怕 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师赵鹏教授的悉心指导下完成的，赵鹏教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来赵鹏 老师对我的关心和指导。 赵鹏教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向赵鹏老师表示衷心的谢意。 赵鹏教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王爽、范洪丽等同学对我论文中的内容结构 安排研究工作给予了热情帮助，在此向她们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 随着我国社会、经济的高速发展和城市化、自动化进程的加快，我国机动车 辆拥有量及道路交通量急剧增加。交通拥挤的加剧不仅造成巨额的经济损失，也 会导致交通事故的增加和环境污染的加剧，交通拥挤是目前世界各国城市发展共 同面临的主要“城市病之一，无论是发达国家还是发展中国家，都毫无例外地 承受着不断恶化的交通困扰。 近年来各国处理城市交通问题的思路有了很大转变，由原来的扩大设施规模 来满足人们的出行需求转变为重视交通管理与控制，通过众多城市交通管控手段 来解决同益严重的交通问题，城市交通的管理与控制已成为目前缓解交通压力的 重要手段之一。 城市交叉口是城市道路网的咽喉要道，其通行能力制约着城市道路的通畅与 否。提高交叉口的通行能力，不仅能提高车辆通过交叉口的速度，减少并节约人 们的出行时问，同时能避免交叉口发生交通堵塞而影响交叉口临近路段及更远路 段的顺利通行。城市交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色，对到达交叉口的交通 流实施控制，由于达到交叉口的交通流受到许多因素的影响，而且随机性较大， 因而，通过建立精确的数学模型或预先人为地设定的方案，控制效果都难以尽人 意。为了更好地提高平面交叉口的通行能力，解决交通拥挤和交通延误问题，近 年来国内外专家学者致力于开发新的交通信号灯的控制方法，模糊控制是较新的 研究方向之一。 1 1 选题背景及意义 城市道路系统由路段和道路交叉口组成，由于不同方向的交通流在交叉口处 相交，引起交通流之间的冲突、合流、分流等交通行为，交叉口因此成为道路系 统中通行能力的瓶颈与交通事故的黑点。据统计城市交通拥挤问题有8 0 以上的 延误集中在交叉口，交叉口的通行能力不足道路的5 0 ，美国的交通事故有一半 以上发生在交叉口。在城市道路设施建设日益完善的情况下，通过科学的手段对 交叉口进行合理的管理与控制是交通控制工程的重要研究课题，是保障交叉口的 交通安全与提高交叉口通行能力的重要措施，可以有效地提高城市道路设施的利 用率，缓解城市交通供需矛盾，投资少、见效快，对缓解城市交通拥挤问题具有 现实意义。 目前许多大城市的交通信号控制均采用计算机协调控制，但是大部分都不是 最优控制，而仅仅是在固定配时的基础上的联机控制。当要实现最优控制时就要 建立道路交通流的预测模型，这就必须面对两个难题，一方面是实际交叉口的交 通流受众多因素的影响，不可能建立极其精确的数学模型，从而影响到控制效果； 另一方面即使建立了精确的数学模型，也需要根据建立的数学模型提出相应的算 法，如果算法复杂且实时性较差，控制效果就会不理想。目前的交通信号控制仍 然缺乏一种真正的交通响应控制策略，所以城市交通控制呼吁一种新的控制方式， 实现高效、简便、迅速及时的控制。 1 9 6 5 年美国教授l a z a d e h 提出了模糊集合，开创了模糊数学及其应用的 新纪元。模糊控制是模糊集合理论应用的一个重要方面，第一个成功应用模糊控 制系统的例子是e h m a m d a n i 在1 9 7 4 年将模糊集合应用到加热器的创举，此后经 过2 0 多年的迅速发展，模糊控制在许多领域得到了广泛的应用，如家用电器、航 天航空、模式辨别、计算图形处理、汽车工业、工业工程、运输系统、财政金融 系统等领域。模糊控制的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制 策略总结成一系列以“i f ( 条件) t h e n ( 作用) 形式表示的控制规则，通过模糊推 理得到控制作用集，作用于被控对象或过程。控制作用集为一组条件语句，状态 条件和控制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”，“负大”，“高”， “低”，“正常”等，它们共同构成了控制过程的模糊算法。模糊控制是一类给 予语言规则和模糊推理的控制方法，它采用人类的语言语句表述，较为直观，可 以对非线性、大惯性、大滞后对象及难以建立数学模型的对象取得较好的控制效 果。 在众多的智能交通控制方法中，基于模糊逻辑的城市交通信号控制占有特别 重要的地位。模糊控制2 能够模拟人的思维，控制方式直观简单，不需被控对象的精 2 确数学模型，避免了求解算法复杂、难以实现实时性的难题，并且实施费用节省， 已经得到控制工程师和交通工程师的很大重视。 模糊控制由于其具有一定的模糊性与语言赋值、模糊规则的不确定性，同一 问题不同的模糊控制得出的结果是存在一定的差异的，仍需要深入的研究。 本文目的就是深入研究智能化的城市交通控制一城市交通信号模糊控制，通 过使用两级模糊控制器达到优化控制单个交叉口交通信号控制的目的，分析不同 交通流状况下的模糊控制结果，并且通过最大程度地优化模糊控制器得到更好的 控制策略，减少交叉口的平均车辆延误，节约人们的出行时间，提高通行能力， 缓解城市交通拥堵。 1 2 研究现状及发展趋势 1 2 1 模糊控制理论研究综述 1 9 6 5 年，美国加州伯克莱分校的l a z e d e h 教授提出了“隶属函数”这个概 念来描述现象差异的中间过渡，开创了模糊集合理论，对复杂的系统或过程建立一 种语言分析的数学模式，使自语言能直接转化为计算机所能接受的算法语言。模 糊集合理论的诞生，为处理客观世界中存在的一类模糊性问题，提供了有力的工 具，同时，也适应了自适应科学发展的迫切需要，作为数学的一个重要应用分支 的模糊控制理论便应运而生。 尽管模糊控制理论的提出至今只有4 0 多年，但其发展迅速。多年来产生了在 模糊控制理论语算法、模糊推理、工业控制应用、模糊硬件与集成，以及稳定性 研究的等方面，对于模糊控制理论与模糊系统的研究与发展具有重大促进意义的 论文。 8 0 年代以来自动控制系统的被控对象更加复杂化，它不仅表现在多输入多 输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性特性，更突出的是从系统对象所能 获得的知识信息量相对地减少，以及对控制性能的要求却同益提高。然而正如 l a z e d e h 于1 9 7 3 年所指出的：当一个系统复杂性增大时，人们能使其精确化的 能力将会降低，当达到一定的阀值时，复杂性和精确性将相互排斥( 即不相容原 理) 。因此要想精确地描述复杂对象与系统的任何物理现象和运动状态，实际上已 经不可能。关键是如何在精确和简明之问取得平衡，而使问题的描述具有实际意 义。这种描述的模糊性，能高效率的对复杂事物作出正确无误的判断和处理。 至今，世界上研究“迷糊”的学者已超过万人，发表的重要论文达5 0 0 0 多篇， 研究范围从单纯的模糊数学到模糊理论的应用、模糊系统及其硬件集成。与知识 工程和控制方面有关的研究有：模糊建模理论、模糊序列、模糊识别、模糊知识 库、模糊语言规则、模糊近似推理等。 最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自 适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学 习与参与自调整模糊系统方面的研究，尤其受到各国学者的重视。目前，将神经 网络和模糊控制技术结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术，由此可以造 成一组更接近人脑的智能信息处理系统，其发展自i 景十分诱人。义般、7 3 刁 我国对模糊控制的理论语应用研究起步较晚，但发展较饫，诸如在模糊控制、 模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊信息论、模糊模式识别等领域取 得了不少有实际影响的结果。遁1 2 生奎室绶，割查垡等人开始用连续数字仿真方 法研究典型模糊控制器的性能，随后一些高校及科研单位的专家与学者都加入到 研究队伍中。1 9 8 1 年，成立了中国模糊系统和模糊数学学会，并创办了当时世界 上第二份模糊专业学术杂志模糊数学，1 9 8 7 年易名为模糊系统与数学。全 国至少有4 0 多所高等院校开设模糊数学课程，已经粗伙伴的有关模糊系统方面的 著作约有5 0 本，正式发表的论文已经达到数千篇，引起国际模糊届的高度重视。 但在应用的深度和水平上还不高，模糊逻辑技术的开发工具落后，许多系统的开 发方法仍停留在原始的手工编程开发阶段。我国政府也十分重视模糊控制理论语 应用的研究，并在1 9 8 8 年，将模糊理论研究证实列入国家自然科学基金项目和 “8 6 3 ”计划项目。1 9 8 9 年，国家教委在北京师范大学建立了国际级模糊实验室。 刘增良教授主持完成的“模糊控制计算机系统”和“机遇因素神经网络理论的学 机”成果。 清华大学、复旦大学等几十所高校、 糊集理论与模糊应用的所有领域，。从 糊应用方面的研究成果。 l8 同在南昌召开的第十届全国模糊 科 数 研院所的很多 侧面反映了我 学与模糊系统 专家、学者研讨国内外模糊集理论与模糊系统最新研究动态，规划21 研究重点，弗形成共识：一个普遍应用模糊技术的时代就会到来。 1 2 2 城市交通信号模糊控制的发展与现状 专家学者 国近年来 年会上， 世纪初的 自美国加州柏克莱分校的l a z e d e h 教授提出了“隶属函数”这个概念以后， 模糊控制理论与应用迅速发展。1 9 6 5 1 9 7 4 年是模糊控制发展的第一阶段，即模糊 数学发展与形成阶段。1 9 7 4 , - 1 9 7 9 年是产生简单模糊控制器的阶段。1 9 7 0 年丹麦 的司密斯公司首次应用芯片在水泥烘干机中成功实现了模糊控制，但其适应能力 和鲁棒性很有限，稳定性也不理想。从1 9 7 9 年至今是发展高性能模糊控制器的第 4 制、模桓归 控院、及与o理科涉论， 推中乎理年型自几集模来究糊加 型一 研模习的在 武严 枯审 三阶段，模糊控制技术在各个领域得到广泛地应用1 2 】，如家用电器，诸如空调机、 智能洗衣机、微波炉等，工业控制系统中也有应用，如发酵控制、水泥密炉等。 近年来在交通领域也有应用，应用随着研究的深入进一步扩宽。 1 基于感应控制思想的简单模糊控制在单个路口的信号控制中的应用研究 1 9 7 7 年，p a p p i s 和m a m d a n i 提出了城市单路1 ：3 两相位信号灯模糊控制方法( 通 常称p a p p i s 法) 1 3 j 。该方法要求单路口只有两股直行车流，不存在右转、左转，控 制的输入量是有通行权方向的车辆到达数、通行权方向车辆排队数与设定时间， 三角形隶属度函数、模糊变量分为5 个模糊子集来描述，控制规则一共有2 5 条， 都是用i ft h e ne l s e 的形式给出，控制的输出量是绿灯延长时间，仿真结果表明 该方法比传统控制方法平均减少7 左右的平均车辆延误。这是模糊控制首先在城 市交通信号控制的应用，这种方法的提出为智能交通控制中翻开了新的一页。 我国学者徐冬玲等人也提出了基于感应控制思路的单路口模糊控制方案，输入 变量是车队长度，输出为绿灯信号的延长时间，通过7 条模糊规则进行推理控制， 并用神经网络实现模糊控制，仿真结果表明控制结果合理、迅速，较为理想1 4 i 。 2 复杂模糊控制在单个路口的信号控制中的应用研究 事实上，无论是p a p p i s 等人或是徐冬玲等人的研究，都仅依据单交叉口的两 相位的关键车流( 假定两个相位的饱和流量相同，一个相位两个方向中流量最大的 车流称为该相位的关键车流) 来决定交通信号配时，而忽略了两相位的非关键车 流对信号配时的影响。根据韦伯斯特柯布理论，信号配时的优选是建立在车辆通 过交叉口时，延误时间尽量小的基础上。忽略了非关键车流的车辆到达信息，就 不能保证通过交叉口车辆的总延误尽可能小。针对这种情况我国学者陈洪、陈森 发等人提出了两极模糊控制器【5 】【6 l ，把路口的交通流分为关键车流、非关键车流， 采用一级模糊控制器提取关键车流的信息来确定延长绿灯时间，采用二级模糊控 制器提取非关键车流的信息来确定延长绿灯时间的修j 下时间，得到最终的绿灯延 长时间，这样同时考虑两种交通流的影响，摆脱了感应式控制的思路，由于两极 模糊控制器的引入也很好地解决了模糊控制规则过多的弊端。该方法得出结论比 p a p p i s 等人控制方法减少平均车辆延误1 2 5 。 上海交通大学的赵晨、胡福乔等通过对城市交通实际情况的进一步考察，提 出了一种p _ q 千h 位的模糊控制方法【7 1 ，该方法摈弃了p a p p i s 两相位的理论假设，从 实际意义上提出对交通控制的解决方案。 浙江大学的沈国江、马婷芳根据杭州市体育馆路和武林路交叉口交通的实际 情况，建立了该路口的交通流模型，设计了五相位的模糊控制器，这种方法综合 考虑了相邻相位的车辆延误时间，以此来决定绿时分配1 8 。 东南大学的陈淑燕等在前人研究的基础上，考虑了右转车流对交通流的影响， 设计了基于模糊控制逻辑的六相位模糊控制器【9 】。 韩国控制专家j e e p h y o n gl e e h y u n gl e e k w a n g 在对交通流进一步分析的基 础上，提出t j k 相位的模糊控制器，这种方法充分考虑了实际交通情况中可能出 现的各种交通流组合，使模糊控制方法对交叉1 3 信号控制的描述更加全面【1 0 】。 洪伟、牟轩泌、王勇提出了一种相位轮换与绿灯时间均可变的交通灯模糊控 制方法 ，它通过车辆检测器和通信线路获得多个路1 3 节点的车辆信息，同时也 可以根据当前车流状况决定是否赋予两个相位通行权。在交通流较小的时候，这 种方法有相当高的可行性，可交通流很大时，相位冲突的矛盾就会加剧，基本上 不可能同时允许两个相位通行。 由此，沈园红、孙优贤提出了一种基于相序优化的多相位模糊交通控制方法 【1 2 】，该方法采用两极模糊控制器与相序优化器量和进行交通控制，前者用来决定 改变当前绿灯相位的时刻，后者从相序根据优先权的大小决定放行相位，仿真结 果表明交叉口车辆平均延误时间小于普通模糊控制器的控制结果。 以上研究都是对单路口交通信号模糊控制研究，随着研究深入，研究者开始 考虑把模糊控制方法应用到多个路口上，寻求总的控制最优。西安交大的洪伟等 人，在j e e p h y o n gl e e 的基础上，进一步将单路口与其相邻路1 3 综合考虑，提出 了交叉路网信号灯协调控制的方法。 3 模糊控制器在多个路口控制中的应用研究 1 9 8 4 年，同本学者m n a k a t s u y a m a 等将p a p p i s 法加以推广，提出两个理想交又e l 的信号灯模糊干线控制方法i i 引，把模糊控制应用于无转向的多个交叉1 3 。1 9 9 5 年， 南韩学者j e e - h y o n gl e e 等提出分散控制方法，对信号化交叉口群进行模糊控制有 较好的应用前景4 l 。 我国学者陈森发、毛岚根据大系统分解一协调原理川，提出一种新的变通信 号灯模糊线控制方法，用两级分解模糊协调控制器来确定干线协调中参数：周期、 绿信比、相位差。其中第级为控制器，输出各个路口的周期、绿信比，第二级 是协调级，主要任务是根据受控道路的主干车流量的状况，来修j 下路口的绿灯延 长时间，进行两两路e l 间协调，从而引起相位差的改变，计算机仿真结果表明， 它优于全感应式控制。 于得新、杨兆生、陈林等人模仿交警指挥时的判断决策过程，设计了一种基 于相序优化的模糊控制器【1 6 1 。进行交通控制时，采用模糊控制器和相序优化器联 合控制，前者用来决定改变当前绿灯相位时刻，后者从相序中根据优先权的大小 决定下一个放行相位。 以上是模糊控制在多个路口控制中应用发展中具有代表性、典型的研究，还 有其他的研究，这里就不再赘述。 6 4 交通模糊控制器的优化研究阶段 以上研究是在原有的交通模糊控制器基础上进行的控制，没有考虑模糊控制 器的优化问题，大都是结合根据专家的建议来设定模糊控制器的隶属度函数与模 糊控制规则这两方面的内容，但是模糊控制器的隶属度函数、模糊控制规则存在 一定的主观性、经验性很强，受个人影响较大。这样后来又有专家对模糊控制器 进行优化，然后用优化的模糊控制器去解决实际问题以便得到更加满意的控制结 果。 模糊控制器优化研究起步很晚，近几年刚刚开始，模糊控制器在交通方面较 其他领域，如家用电器、航天航空、模式辨别、计算图形处理，应用还要落后， 但交通模糊控制器优化发展迅速，与此同时也存在一些争议。 首先在优化调整对象上有三种不同意见。交通模糊控制器根据调整对象不同 可分为三种：调整隶属度函数、调整模糊控制规则、两者同时调整。对于具体哪 一种方案效果更优，目前还未出现各种方案的对比实验研究。对于模糊控制规则 与隶属函数是否应同时调整的问题就有很多争论。a b d o l l a h 和e d m c - c o n n i c k ，功乒，囱 j i n d f i 够, h 等人认为隶属函数和模糊规则是互相联系的，固定模糊规则调整隶属函数 一 或己知隶属函数获取模糊控制规则不仅人为地割断了这种联系，使优化所得的隶 属函数或控制规则失去了原来的意义；冠j k i n z 曼篓灭认为虽然模糊规则与隶属函 数的同时学习在原理上是可行的，但因为一个不好的规则集将引起隶属函数的剧 烈变化，导致算法发散或寻优速度减慢，因此建议将二者分开进行调整。究竟哪 一种方案更为合理有待于进一步实验和研究。 其次在用什么方法进行交通模糊控制器的优化还是一个在不断讨论的问题， 究竟用什么方法会得到最优化的控制没有一个定论。 1 9 9 3 年，f a v i l l a 提出了具有自适应策略的城市路口模糊控制方法7 1 ，可以 根据实际情况，使用统计自适应策略或模糊自适应策略来调整模糊控制器的隶属 度函数，优化模糊控制器的性能。 当前有人把神经网络与模糊控制器适当结合即模糊神经网络控制，既可以表 达模糊语言变量，又具有学习功能。通过a n n 的学习功能，用反向传播算法对模 糊控制参数进行在线修j 下，使f i s 中出现的参数得以优化并能自动产生模糊规则。 还有研究者利用遗传算法具有全局特性、并行处理特性和通用性、对目标函 数要求不高、不需要目标函数的导数信息，也无需知道目标函数显式数学表达式， 适合于求解多参数、多变量问题的优点，用遗传算法来优化调整交通模糊控制器。 如2 0 0 1 年，k i m 将遗传算法引入了城市路口信号的模糊控制【i 引，实现了模糊控制 器的实时性全局优化，有效地改善了模糊控制器性能。 5 研究不同交通流状态下的城市交通信号模糊控制的效果 7 1 9 9 7 年，k i m 提出了分级式的城市路口模糊控制方法【1 9 】，可以根据车流量的 变化及时调整控制策略，选择不同的模糊控制规则。 郑洁、陆化普等人讨论研究模糊控制在交通信号控制中的应用问题【2 0 】，指出 模糊控制不一定适用于所有的交通流。 1 3 城市交通信号模糊控制发展存在的问题 城市交通信号模糊控制研究已经有迅速的发展，正在朝着更深化、精确的方 向前进。但是由于模糊控制应用在城市交通信号控制的历史相对较短、使用的非 确定因素较多，相关理论还十分有限，在发展中不可避免地遇到一些困难与问题。 城市交通信号模糊控制发展难度越来越大。一方面被控制对象的复杂度在不 断增加，随着城市的迅速发展、车辆保有量的增加、道路不断拓宽鲥的同时车道 数量逐渐增加、信号相位数量增加、左右转分时段限制、公交优先通行权的考虑 等等，这是之前的简单交通信号模糊控制不曾遇到的问题。另一方面人们对城市 交通信号模糊控制精度要求提高，人们的生活节奏在加快，要求浪费在路上的时 间缩减到最短，这就要求城市交通信号控制有一定的精确性，才能保证减少不合 理的出行浪费时间。 总结分析城市交通信号模糊控制的研究现状，在城市交通信号模糊控制器的 设计上，存在以下问题： ( 1 ) 大部分研究都基于前人的研究简单地采用专家模糊控制器，一般采用三角形 隶属度函数与少数的模糊控制规则，而没有尝试新的隶属度函数与规则，没有在 这方面的深入研究。 ( 2 ) 虽然很多学者采用了遗传算法、神经网络算法等来优化隶属度函数、模糊控 制规则以求更优的控制结果，结果表明取得不错的效果，但是以上算法繁琐复杂 很难在现实生活中实现，即使能实现很难满足交叉口信号控制的及时、有效的要 求。 ( 3 ) 没有考虑在不同交通流状况下，模糊控制会有不同的控制效果。 针对以上问题，本文在分析城市交通信号模糊控制理论、设计两级城市交通 信号模糊控制器的基础上，模拟产生三种不同交通流作为控制对象，分析了三种 交通状况下模糊控制的效果，分析比较采用不同的隶属度函数曲线、不同的模糊 控制规则时的控制结果的优劣。以期丰富城市交通信号模糊控制的模糊控制器的 设计优化理论研究，达到既优化了模糊控制器，改善控制结果，又避免了使用复 杂的算法进行优化带来的繁琐工作，提高控制效率的效果。 1 4 论文结构与主要研究内容 本文主要的内容安排如下： 第一章为绪论部分，主要介绍研究城市交通信号模糊控制的背景及意义、国 内外研究现状、分析得出目前研究存在的难题与问题、文章主要的内容安排。 第二章为基础理论部分，从概念及控制过程入手介绍了模糊控制的理论原理， 进而把模糊控制与城市交通信号相结合，分析了城市交通信号模糊控制理论。 相7 第三章城市交通信号两极模糊控制器的设计部分，详述了实验参数的设定、 用。基于m a t l a b 实现城市交通信号的模糊控制仿真，产生三种不同 ，分析两级模糊控制器控制三种交通流控制效果，并将模糊控制的 感应控制得出的结果比较。 化城市交通信号模糊控制器，深入分析研究隶属度函数变化对控制 结果的影响、模糊控制规则的设计方法，选择了几种既定的比较方案，依次把优 化后的控制器应用到第三章提出的实验中，对得到的控制结果进行统计比较，分 析该结果得到结论。 第五部分为结论。 9 2 城市交通信号模糊控制理论 模糊控制理论应用于工业、汽车、家用电器、交通等各个领域，其在交通中 的一个重要的应用就是城市交通信号控制。本章在阐述模糊控制原理的基础上， 介绍城市交通信号模糊控制的理论基础，为下一章的城市交通信号模糊控制器的 设计作理论铺挚。 2 1 模糊控制基础理论分析 2 1 1 模糊控制的特点 模糊控制实际上是一种非线性控制，属于智能控制的范畴。近几十年来模糊 控制理论无论是在理论还是技术上都有了很大的进步，模糊控制在实际应用上也 已经硕果累累，这主要是由模糊控制的特点k u 决定的： 1 、模糊控制既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。 2 、模糊控制是一种基于规则的控制。在实际的设计中不需要建立精确的数学模 型，因而控制器的设计简单，便于应用。 3 、基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易 导致很大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制 规律间的模糊连接，容易找到这种规律，使控制效果优于常规控制器。 4 、模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱， 尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。 5 、许多复杂系统，很难建立模型和控制，因为它们包含不确定性、不精确性、 并混杂有非线性和时变性。模糊控制对于那些数学模型难以建立，变化非常显著 的对象较适用。 6 、是一种反映人类智慧思维的智能控制。模糊控制采用人类思维中的模糊量， 如“高“中 “低”“大 “小”，控制量由模糊推理导出。这些模糊量和模糊推理 是人类通常智能活动的体现。 7 、模糊控制具有语词计算和处理不确定性以及模糊信息的能力。模糊控制本质 上是一种基于语言规则的仿人智能控制。由于控制对象仅能提供一些模糊信息， 计算机参与这类控制时必须模仿人类能够接受和处理模糊信息，进行模糊控制的 本领。 l o 2 1 2 模糊控制的基本概念 在人们的思维中，有很多没有明确外延的一些概念，即模糊概念，如以人的 年龄为对象，那么“年轻”、“中年”、“老年”就没有明确的外延；不同的人有不 同的感受与判断；再如炉温的“高温”、“中温”、“低温”也是此类的概念。以上 这种概念不能用经典集合加以描述，不能绝对地区别“属于”与“不属于”，而要 用模糊集合的概念描述。在本文中用到的模糊控制重要概念有：变量的论语、模 糊子集、隶属度、模糊关系与模糊矩阵。 1 、论语：被考虑对象的所有元素的全体称为论语，又称全域、全集、有的也 称空间，一般用大写字母u 表示。 2 、模糊子集：给定论语u ，u 到【o ，l 】闭区问的任意映射一 爿：u 一 0 ，1 】 pjp 都确定u 的一个模糊子集彳，彳就是论语u 的模糊子集。 3 、隶属度函数：上式中, z z 。称为模糊子集的隶属度函数。 隶属度函数的表示方法大致有以下三种： ( 1 ) 图形表示法 ( 2 ) 表格表示法 ( 3 ) 公式表示法 4 、隶属度：, z z 爿( z ) 为对彳的隶属度。 5 、模糊关系：模糊关系r 也称模糊控制规则，它描述了元素之问的关联程度， 当论语x 、y 都是有限集时，模糊关系可以用模糊矩阵来表示。设 x = x 。，x 2 ，x 。) ，y = y 。，y ：，y 。) ，模糊矩阵r 的元素k 表示论语x 中第i 格 元素x i 与论语y 中的第j 格元素y i 对于关系r 的隶属程度，即r ( x i ，y i ) = 。 2 1 3 模糊控制过程及原理分析 模糊控制的控制规律由计算机的程序实现，实现的过程 厂采样获取被控制量的精确 作为模糊控制的一个输入量； 算机酊 j 值，然后将此量与给定值比较得到误差e ；将误差e 把e 的精确量模糊化变成模糊变量，从而得到e 的 ，n n 模糊语言集合的一个子集e ；由e 与模糊控制规则r 进行模糊推理，得到控制变量 o f 币一t 厂一、 一 f f ：、u ，其啊u = e 。r 、其中u 是模糊变量；将模糊变量u 转换为精确量，这样通过u ) ；刃i 可以对被控对象进行控制；循环进行第二次采样，进行第二步控制，循环下去， 琴曰 1 蝴化卜 厂 1 反模糊化j 1一 图2 1 模糊控制原理图 f i g u r e 2 。1f u z z yc o n t r o lt h e o r yf i g u r e 模糊控制的核心是模糊控制器，在使用模糊控制器进行模糊控制时必不可少 的三步骤为：精确量的模糊化、模糊规则的设计、反模糊化，下面分别分析、介 绍这三部分。 ( 一) 精确量的模糊化 精确变量的模糊化过程实际上是定义模糊变量的模糊子集的过程，而定义一 个模糊子集就要确定模糊子集隶属函数曲线的形状，确定隶属度函数曲线有以下 常用的几种方法：i 7 、i 丫、 ( 1 ) 主观经验法：当论语是离散变量时，根据主观瓜黝或个人经验，直接或 间接给出隶属的具体值，由此来确定隶属度函数。 ( 2 ) 分析推理方法：当论语连续，根据问题的性质，应用一定的分析与推理， 决定选用某些典型的函数作为隶属函数。如三角形函数、梯形函数、高斯函数等。 ( 3 ) 调查统计法。以调查统计结果所得出的经验曲线作为隶属函数作为隶属 曲线，根据曲线找出相应的函数表达式。 将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，便构成了一 个模糊变量的模糊子集。模糊子集的数量一般选5 个或7 个为宜。隶属度函数曲 线的形状一般有：三角形、梯形、高斯型等，在目前的应用中大部分都是为方便 起见采用梯形、三角形隶属度函数。 ( 二) 模糊规则的设计 模糊规则是模糊控制中的重要环节，模糊控制器j 下是依据这些模糊控制规则 来完成最终推理，它用“i f t h e n 的形式描述被控对象的动态特性。目前模糊 规则大壑星童家经趱定，并且要求模糊控制规则要完整覆盖模糊集合。 搬7 常见的模糊控制规贝魄模糊控制器的种类不同可分为以下几种： ( 1 ) 单输入单输出模糊控制器 该种控制器仅有一个输入变量、一个输出变量，设模糊集合五为属于论语x 的 输入，模糊集合巨为属于论语y 的输出，其控制规则通常由模糊条件语句 1 2 i f 天t h e n 百 i fa t h e n 百e l s ec “ 其中模糊集合巨与0 具有相同的论语y ，这种控制反应非线性比例( p ) 控制 规律。 ( 2 ) 双输入单输出模糊控制器 设模糊集合营属于论语x 的输入，模糊集合营c 属于论语y 的输入，两者一同 构成模糊控制器的二维输入，属于论语z 的模糊集合扩是模糊控制器的一维输出， 这类模糊控制器的控制规则通常由模糊条件语句 i f 豆a n d 豆ct h e nu 来表达，是模糊控制中最常用的一种控制规则，它反映非线性比例加微分 ( p d ) 控制规律。 ( 3 ) 多输入单输出模糊控制器 假设模糊集合天，百，琶分别属于各自论语的多维输入，疗为属于其论 语的单维输出，其控制规则通常由模糊条件语句 i f 天a n db a n d a n dn t h e n 痧 来描述。 ( 4 ) 双输入多输出模糊控制器 设模糊集合豆属于论语x 的输入，模糊集合营c 属于论语】，的输入，两者一同 构成模糊控制器的二维输入，多维输出为疗矿矿的模糊控制器。这类控制器的 控制规则可由一组模糊条件语句 i fea n de ct h e nu i fea n de ct h e ny a n di f豆a n de ct h e n 旷 在制定模糊规则时要根据实际情况分别来设计确定合适的控制规则。 ( 三) 模糊判决 通过模糊推理得到的结果只是一个模糊集合，但在实际执行中，需要有一个 精确值才能对被控对象进行控制，因此要有一个将模糊集合变成一个最佳代表的 精确值的反模糊化这一过程。 该过程有三种方法：最大隶属度函数法、重心法、加权平均法。最大隶属度 函数方法简单快捷，但是不考虑输出隶属度函数的形状，只关心其最大隶属度输 出值，因此会丢失一些信息；重心法取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的 重心为模糊推理最终输出值，该方法与最大隶属度法相比具有更平滑的输出推理 控制；加权平均是重心法的一种拓展方法，调整系数可以转化为重心法，需要根 据实际来确定系数。综合上述，重心法较最大隶属度方法更加平滑，较后者较简 单实用，故重心法是目前较理想的逆模糊化方法。 后面设计的模糊控制器使用重心法来解模糊，这里就着重介绍重心法，重心 法是根据输出模糊集合隶属度函数曲线与横坐标围城面积的中心相应得输出当作 精确值的输出，其公式如下t 0 j - ， “= 上l 一 ( 2 1 ) n g ，) 是对象论语中的元素， ，) 是论语元素“，对模糊子集的隶属度口 2 2 城市交通信号模糊控制相关理论分析 刁 城市交信号模糊控制是模糊控制在城市交通控制中的一个其体的应用，它解 决了城市交通信号控制建模难、建立的模型难以用算法求解的淫题。本节结合具 体的交通信号控制问题，利用模糊控制的基础理论分析城市交通信号模糊控制理 论。 2 2 1 城市交通信号模糊控制问题描述 传统的单个信号交叉口控制方式：固定周期、绿信比的固定配时控制、感应 抽控制。固定配时根据以往观测的交通需求，按预先设计的配时方案进行控制，无 r 法据相应交通需求的随机变化而变化。感应控制在一定程度上克服了固定配时的 不足，但在相位绿灯时间内，只要检测到车辆到达就给出一个单位的绿灯延时， 直到最大绿灯时间为止。也就是说它只关心有无车辆到达、车辆到达与否，而没 有考虑有多少辆车到达，只能考虑一个相位方向的延误情况，而没有真j 下的总体 考虑总延误，因而无法真正响应各个相位的交通需求。 模糊逻辑控制是一种新型的智能控制方式，它综合考虑交叉v i 车辆到达与排 队情况，以交叉口的总延误最小为控制目标，调整控制策略使得交通控制能真正 响应交通实时变化的需求。 城市交通信号模糊控制通过埋设在各个车道上的车辆检测线圈检测到各个相 位的到达车辆数，计算出各个相位的车辆排队长。通过绿灯相位的入口流量、车 辆排队长度来考察绿灯相位的交通情况、红灯相位的车辆排队长度来考虑红灯相 位的交通状况，综合考虑红灯、绿灯相位的交通情况，用城市交通信号模糊控制 1 4 器作出是否转换信号的判决，通过是否转换交通信号来影响交通流。根据城市交 通信号模糊控制的思想：当绿灯相位的车流量很大、排队长度相当长时，有必要 延长该相位的绿灯时间，但是是否做出延长绿灯时间的决定还要看红灯相位的交 通情况，若红灯相位的排队长度很小时，控制器就会做出延长绿灯时间的判决； 若红灯相位排队长队很长时，综合考虑总的车辆平均延误就不一定会继续延长绿 灯时间，到底做出什么样的判决，取决于模糊控制器的设计，模糊推理规则的设 定。要得到理想的控制结果就要合理设计城市交通信号模糊控制器、合理设置模 糊推理规则。 可以解决的问题可以用以下实际问题束描述：假设一个平面交叉口采用典型 的四相位放行控制方式：东西直行为第一相位，东西左转为第二相位，南北直行 为第三相位，南北左转为第四相位( 如图2 - 2 ) 。 图2 2 路口交通渠化图 f i g u r e 2 2t r a f f i cd i s t r i b u t i o nf i g u r eo fi n t e r s e c t i o n s 图2 - 3 路口交通控制相位图 f i g u r e2 - 3t r a f f i cc o n t r o lp h a s e sf i g u r eo fi n t e r s e c t i o n s 注： 1 、由于中国的道路交叉口的右转车流不受城市交通信号的控制，所以城市交 通信号模糊控制中不考虑右转车流。 2 、各个相位的直行、左转车道上设置一组车辆检测器，可以实时检测到各个 车道的车流到达、车辆排长度。 根据以上所述，该城市交叉口交通信号控制问题可以描述如下： 控制目标：使通过交叉口的车流量的平均排队长度最短，车辆平均延误最小。 城市交通信号模糊控制器综合考虑绿灯相位、红灯相位的交通情况，做出以交叉 口的总延误最小为控制目标。 控制变量：信号周期、各相位的绿信比。模糊控制器做出是否延长放行相位 的绿灯时间的决定，延长绿灯时间会增加总的绿灯时间，也会改变信号周期，这 样就会调整信号的绿信比。 2 2 2 城市交通信号模糊控制原理分析 城市交通信号模糊控制器是城市交通模糊控制决策部分，做出是否转换交通 信号的决定来影响控制交通流，交通流的变化会使得红灯、绿灯相位的交通状况 的变化，城市交通信号模糊控制器会根据实际情况做出相应的是否转换相位的决 策，周而复始，进行实时交通控制。 针对以上城市交通信号控制问题，城市交通信号模糊控制的控制思路与策略 是这样进行的： 1 、给定每个相位的最小绿灯时间与最大绿灯时间，以保证通行相位的车辆通 行权、与等待相位车辆的通行权。 2 、假设按最初给定该相位的最小绿灯时间放行第一相位( 东西直行) ，放行 时间到达最短绿灯时间时开始计算该放行相位的入口流量、排队长度、下一个要 放行相位的排队长度，通过模糊控制器综合考虑是否继续放行当前相位，模糊控 制器做出决策。 3 、如果继续放行该相位就在最短绿灯时间的基础上增加一个延长绿时间，否 则就放行下一相位。 4 、每一相位放行时间到达最大时间时就自动强制转换下一相位。 5 、这样循环控制形成周期、绿信比随交通状况实时变化的控制方案。 城市交通信号模糊控制把城市交通模糊控制器与交通流生成、交通车辆延误 综合考虑的周期循环控制。要进行城市交