（机械电子工程专业论文）基于单片机的智能交通控制系统研究.pdf

中国民航大学硕士学位论文 摘要 面对越来越拥挤的交通、有限的资源和财力以及环境的压力，需要依靠除限制需 求和提供道路设施之外的其它方法来满足日益增长的交通需求。因此如何有效的使用 现有的交通控制手段，使城市交通得以改善成为了当前相关学科研究的重点之一。 本文通过对于国内外智能交通发展的评析，指出了目前研究方法中存在的问题，提 出了根据道路实际情况对实际交通网络进行区域划分的方式，在此基础上通过引入网络 最大流算法对由道路构成的宏观运输网络实现了最大运输量情况的求解，优化了各个路 口的控制通行时间。在微观上对于单个路口通过模糊算法的应用实现了智能交通控制器 的设计，使得在满足最大运输量情况下单个路口的交通时间仍然能够根据实际的流量在 合理的程度内弹性调整，同时建立了微分方程求解车辆通过路口的黄灯预警时间问题。 形成了一套完整的交通控制方法。 在理论算法支持下，采用了a t 8 9 s 5 2 单片机为核心构建了相关的控制板电路，完成 了相应的p c b 板设计并形成产品。在此基础上采用控制电路板为分布核心，以p c 机为 服务器，实现了由服务器，通信网络和控制板组成的3 层控制体系。最后采用k e i l - c 为单片机软件开发工具，b c b 为主机界面开发工具实现了相关的软件设计，在实际制成 产品上调试程序通过。 关键词：智能交通系统；网络最大流；模糊算法；单片机；p c b ；通信网络。 中国民航大学硕士学位论文 a b s t r a c t b ys t u d y i n gi n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ，t h ep r o b l e m so fr e s e a r c hm e t h o d sa tp r e s e n t a r ep o i n t e do u t t h ed i v i s i o nw a yt ot h ea c t u a lw a n s p o r t sn e t w o r ki ss u g g e s t e di nt h et h e s i s a n dt a k et h i sa st h eb a s i s ，t h em a x h m u nt r a n s p o r tp r o b l e mf i n d i n gt h es o l u t i o ni sr e a l i z e di n t h ev i e wo fm a c r o s c o p i ct r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kb e i n gc o m p o s e do fr o a db yl e a di n t ot h e n e t w o r km a x i m u mf l o wa l g o r i t h m i nm i c r o c o s m i ct h ed e s i g no ft h e i n t e l l i g e n c et r a f f i c c o n t r o l l e ri sr e a l i z e df o rs i n g l ec r o s s i n ga p p l i c a t i o nb yf u z z ya l g o r i t h m s i n g l ec r o s s i n g s t r a f f i ct i m es t i l ic a nd ou n d e rs a t i s f i e dm a x i m a lt r a n s p o r t a t i o nm o u n t ss i t u a t i o na c c o r d i n gt 0 a c t u a lr a t eo ff l o ww i t h i nr a t i o n a ld e g r e ee l a s t i c i t ya d j u s t a tt h es a m et i m et h ed i f f e r e n t i a l e q u a t i o ni s b u i l tt h a tf i n d t h es o l u t i o nt h ev e h i c l ep a s s e st h ec r o s s i n gy e l l o wl i g h te a r l y w a r n i n gt i m ep r o b l e m h o l do u td o w ni n t h ea l g o r i t h m a t 8 9 s 5 2s c mi s a d o p t e dt ob et h a tc o r eh a s s t r u c t u r e dt h ep e r t i n e n tc o n t r o lp a n e lc i r c u i t 1 1 豫d e s i g no fp c bb e a r di sa c c o m p l i s h e da n d f o r m sap r o d u c t a f t e ra d o p tt h ec o r ec o n t r o l l i n gc i r c u i tb e a r df o rs c a t t e r i n g ，t a k et h a tt h e i n d u s t r yc o n t r o l l i n gm a c h i n ea ss e r v e r , t h e3l a y e ro fh i e r a r c h yo fc o n t r o li sr e a l i z e dt h a t b e i n gc o m p o s e do f f r o mt h es e r v e r , c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r ka n dc o n t r o lp a n e l a tl a s t ，u s e k e i l - ct ob es c ms o f t w a r ee x p l o i t a t i o ni m p l e m e n t , g i v eb c bt h ef i r s tp l a c et 0m a c h i n e i n t e r f a c ee x p l o i t a t i o ni m p l e m e n t , t h es o f t w a r ed e s i g ni sr e a l i z e d n ”d e b u g g i n gp r o c e d u r e p a s s e so nt h ep r o d u c tb em a n u f a c t u r e d k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ：t h em a xf l o wo fn e t w o r k ：f u z z ya l g o r i t h m ； s c m ；p c b ；c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k 中国民航大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得中国民航大学或其它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。 研究生签名： 辨期：毕；。 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档。可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权中国民航大学研究生部办理。 研究生签名 中国民航大学硕士学位论文 第一章绪论 随着城市社会经济的发展，交通流量的增长与现有道路状况之间的矛盾日益严 重，已成为制约城市经济发展的主要因素之一。进入8 0 年代以来，道路运输所带来 的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展 中的全球性共同问题。解决车和路的矛盾，常用的有两个办法：一是控制需求，最直 接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。但是这两个办法都有其 局限性。交通是社会发展和人民生活水平提高的基本条件，经济的发展必然带来出行 的增加，而且在我国汽车工业正处在起步阶段的时期，因此限制车辆的增加不是解决 问题的好办法。而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的办法，在资源、环境矛 盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通、有限的资源和财力以及环境的压力， 也将受到限制。这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其它方法来满足日益 增长的交通需求。因此如何有效的使用现有的交通控制手段，使城市交通得以改善成 为了当前相关学科研究的重点之一。 1 1 国内外交通控制系统现状 1 1 1 交通信号系统的演变历程 从1 8 6 8 年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，城市交通信号机由手动到自 动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到面控，从无车辆检测器 到有车辆检测器，经历了近百年的历史。到1 9 6 3 年加拿大多伦多市建立了一套使用 i b m 6 5 0 型计算的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市道路交通信号系统的发 展进入了一个新的阶段。各个时期典型交通信号系统得特征如附表所示。之后，美国、 英国、德国、日本、澳大利亚等多家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这 种系统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。到8 0 年代初，全世界建有交通 管制中心的城市有3 0 0 多个，代表了未来交通控制的发展方向。 表i 1 交通信号系统的发展状况 简称 时间国别城市名称控制信号检测器控制 路口数周期方式 点控 1 8 6 8 英国伦敦燃气色灯 盥 | 1 9 1 4 美国克利夫兰电力色灯 盥 | 1 9 2 6 英国各城市单点定周期自动信 单 定|自动 号机 1 9 2 8美国各城市感应式自动信号机 盥 定气压式自动 线控1 9 1 7美国盐湖城手控干道协调系统6 个定人工 中国民航大学硕士学位论文 续表1 1 交通信号系统的发展状况 线控1 9 2 2美国休斯敦电子计时干道协调1 2 个定电动 系统 1 9 2 8 美国各城市步进式定时干道协多个( 线)变 | 电动 调系统 面控 1 9 5 2 美国丹佛市模拟计算机交通信多个( 网)变气压式计算机 号控制系统 1 9 6 3加拿大 多伦多 数字计算机集中协多个( 网)变电磁式计算机 调感应控制信号系 统 在西方发达国家，交通控制系统基本上完成了由传统的交通控制系统向智能交通 控制系统i t s 的转变，而在我国，智能交通系统则刚刚处于起步阶段。对于传统的交 通控制系统而言，对红绿灯一般采用定时控制，无法对实际的交通流进行识别优化， 以至于不能适应交通量的不确定性和随机性的原因，往往造成交通资源的浪费和道路 的梗阻。而智能交通控制系统则在不产生大的硬件改动的情况下有效的提高效率。 i t s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s 。这一国际性术语于1 9 9 4 年被正式认定。在此 之前，美国称这类技术或相关研究项目为“智能车辆道路系统( i v h s ) ”( i n t e l l i g e n t v e l i i e l eh i g h w a ys y s t e m ) 。日本将这类技术称为u t m s 、v i c s 等：欧盟则称之为“道 路交通信息技术( r t i ) ”。国际标准化组织( i s o ) 为i t s 设立的专项叫i s o t c 2 0 4 ，使 用的术语是“1 r i c s ( 交通运输信息与控制系统) ”。 智能交通系统强调的是系统性、信息交流的交互性以及服务的广泛性，其核心技 术是电子技术、信息技术、通信技术、交通工程和系统工程。智能交通系统i t s 是在 较完善的道路设施基础上，将先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程技 术集成运用于地面交通管理所建立的一种实时、准确、高效、大范围、全方位发挥作 用的交通运输管理系统。 1 1 2i t s 的组成和国际i t s 的发展状况 目前国际上公认的智能交通系统的服务领域为六个方面：先进的交通信息服务系 统、先进的交通管理系统、先进的公共交通系统、先进的车辆控制系统、货运管理系 统、电子收费系统，紧急救援系统。 先进的交通管理系统( a r m s ) 这个系统有一部分与a t i s 共用信息采集、处理和传 输系统，但是a t m s 主要是给交通管理者使用的，它将对道路系统中的交通状况、交 通事故、气象状况和交通环境进行实时的监视，根据收集到的信息，对交通进行控制， 如：信号灯、发布诱导信息、道路管制、事故处理与救援等。 2 中国民航大学硕士学位论文 国际i t s 的发展状况智能交通系统在日本、美国和西欧发展得最快。智能交通系 统的发展起步于6 0 到7 0 年代，相关的i t s 项目当时有美国的e r g s ( e l e c t r o n i c r o u t e g u i d a n c es y s t e m ，电子路线引导系统) 、欧洲的c o s t 3 0 ( c o o p e r a t i o ni n t h ef i e l do f s c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lr e s e a r c h ) 、日本的c a c s ( c o m p r e h e m i v ea u t o m o b i l ec o n t r o l s y s t e m ) 等。自本世纪八十年代末以来，日本、美国和西欧等发达国家为了解决共同 面临的交通问题，竞相发展智能交通系统，投入了大量的资金和人力进行道路功能和 车辆智能化的研究，希望在未来的市场上占据有利的地位。起初称为“智能车辆道路 系统( i n t e l l i g e n tv e h i c l e h i g h w a ys y s t e m s - - i v h s ) ”。随着研究的不断深入，系统功 能扩展到道路交通运输的全过程及其有关服务部门，发展成为带动整个道路交通运输 现代化的“智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m - - i t s ) ”。1 9 8 6 年，欧洲开 始大力实施以欧盟( e u ) 及各国政府为主导的智能交通系统研究项目 d r i v e ( d e d i c a t e dr o a di n f r a s t r u c t u r ef o rv e h i c l es a f e t yi ne u r o p e ) 和以民间为主导的 p r o m e t h e u s ( p r o g r a m m e rf o r a n e u r o p e a nt r a f f i cw i t hh i g h e s te f f i c i e n c ya n d u n p r e c e d e n t e ds a f e t y ) 。日本在c a c s 后，于8 0 年代后半期，推动了以建设省为主导 的路车间通信系统r a c s ( r o a d a u t o m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ：1 9 8 4 1 9 8 9 ) 和以 警察厅为主导的新汽车交通信息通信系统a m t i c s ( a d v a n c e dm o b i l et r a 伍c i n f o r m a l i o n a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ：1 9 8 7 1 9 8 8 ) 。9 0 年代，日本参与了以美国为主 导的i t s 国际化工作。到1 9 9 6 年，日本已经有难以计数的大小项目在开展，从理论 规划到实际实施，从现场试验到形成产业，其发展规模和速度咄咄逼人。日本目前在 i t s 项目上已经形成了官方、民间、学术机构的协调体制，这对日本i t s 的发展起到 了很大的推动作用。美国自6 0 年代的e r g s 之后到8 0 年代之间，在道路交通的信息 化、智能化方面，几乎没有任何进展。但是，受到日欧进展的触动，在进入9 0 年代 以后，关于i t s 的研究工作开始大规模地开展起来。1 9 9 1 年美国国会通过了“综合地 面运输效率方案”( i s t e a - - i n t e r m o d a ls u r f a c e t r a n s p o r t a t i o n e f f i c i e n c y a c t ) ，旨在利 用高新技术和合理的交通分配提高整个路网的效率，由美国运输部负责全国的i t s 发 展工作，并在以后的6 年中由政府拨款6 6 亿美元，用来进行i t s 的研究工作。1 9 9 7 年，美国在加州实施了一个“自动驾驶公路系统( a h s - - a u t o m a t e dh i g h w a ys y s t e m ) 现场试验和演示项目”，在现有道路骨架基础上，利用先进技术以提高安全性、畅通 性和旅行质量。在美国，i t s 的相关技术已经产生了显著的效益，如电子收费系统 ( e t c ) ，它无须停车就可以实现收费功能，大大提高了道路的使用效率，同时这项技 术的不断扩展和电子业务相连接，可以发展到电子付款。在i t s 项目研究过程中，这 些国家还成立了许多机构，以制订并实施i t s 开发计划。如美国的智能车辆道路协会 ( i n t e l l i g e n tv e h i c l e - h i g h w a ys o c i e t y - - i v h s ) 、欧洲道路交通通信技术实用化协作组织 e r t i c o 厄u r o p e a n r o a d t r a n s p o r t t c l e m a t i c s i m p l e m e n t a t i o n c o o r d i n a t i o n 3 中国民航大学硕士学位论文 o r g a n i z a t i o n ) 、日本的路车交通智能协会v e r t i s ( v e h i c l e ，r o a da n dt r a f f i ci n t e l l i g e n t s o c i e t y ) 、以及智能交通系统国际标准化机构i s o t c 2 0 4 等。除了欧、美、日以外， 新兴的工业国家和发展中国家也开始了智能交通系统的全面开发和研究。如韩国由交 通部牵头制定了全面的智能交通系统框架结构和发展计划；新加坡的城市道路电子动 态收费系统应用最为成功，已成为居民生活不可分割的部分，目前，新加坡已经在全 国开始推行不停车电子收费；中东的一些国家也开始讨论本国智能交通系统的研究计 划；在香港，城市道路电子动态收费也已成功地试运行多年；智能交通系统是当前世 界上交通运输科技的前沿，由于其市场前景很好，不仅各国政府高度重视，各国的民 间科研开发机构热情也很高，不惜投入巨资，这也从一个侧面反映了未来交通运输的 发展方向。 1 1 3 国内i t s 的发展现状 在国内，受客观条件的制约，i t s 起步比较晚，在2 0 世纪9 0 年代初，我国的相 关学者开始意识到研究和开发i t s 的重要性。到9 0 年代中期，由于受到国外i t s 研 发的影响，政府部门也开始重视对i t s 的研究，随后，又得到中央部门和部分地方政 府的支持。 1 9 9 9 年，我国成立了全国智能交通系统( i t s ) 协调指导小组及办公室，同年， 又成立了全国智能交通运输系统( i t s ) 专家咨询委员会，其中，同济大学、清华大 学、北方交通大学、北京航空航天大学、吉林工业大学、东南大学等高校的有关专家 为咨询委员，并启动了国家“九五”科技攻关课题和国家“十五”科技攻关课题。 目前，在对一些大中型城市引入的国外i t s 进行研究的基础上已经逐渐开始摸索开发 设计适合自己国情的i t s 系统。 4 中国民航大学硕。t z 学位论文 5 器警 辽芒 堡 l 七 刮摧纂 | 缸 。 业 兽 赠暇羼 杈杈* 翻 刮 各 备舡 割静吝剐 鼬世*扭 如警盎 豉 剖3割 婚磐 f赵 姐强扭 霸七盘赠赠赠* 制 摧 爨制制 制榷 栏 赠霉：圈糕盘 圈 崽 制丐掘匈鬈倒 一 。 苗 合 里 皋窜掣 s兽v兽 辎 s 豫趔嘲 篁剜 螺 巴 吲 e 堪鬃埋 “ 楼 训蟮 爨：田 割刮螺妊 哐 赠 取吲 薜 细抽垛：蜘*制掣 船* 赠馥靶水旺轼 k七 帕 制捌咖 鞘疆盘掣鼎鳋 婚 正 8兽 蟹 g 譬 巴蓉差 三 兽、，、一v 筮 螺螺螺 螺 皇 螺 芑 嗡哺 1 描垛 v 蜡 j罨妊 商 罨螺舒 翟砷 j ：三 靶 喵 扭 赠犯幂 七 鼎 氧 制密*：捌 啦毯 镬+ 诒制薜 杈塑 删臀 求*盘旨 篁蟹 s 肇 v 盎 2 螺崭 皇 8髫 皤l 蝣 v 乏 3拉 赠 皿 v 螺 v ! 刨杈 | i 螺 垛 螺螺 制蕴 毛 垛砸1 骺皤 采栏 v 刮j ! ! 三幕副 封 封 螺 和 栅 擐她 求求 1 蟮 赠e壤晕舞 杈 弓三*! 捌捌 瑚制期*奄 求求求键 匿靛壬f制嗡簿婶螺嶙m哥夏孟霉h越富幕餐，幡皿，匝撇ni擗 中国民航大学硕士学位论文 1 2 目前国内外流行的相关研究方向和成果 1 2 1 典型道路交通控制的方式和过程简述 通常的道路交通控制通常分为点控、线控和面控，基本都有信号周期c 、绿信比旯和 相位差f 三个主要控制变量。 信号周期：用于指挥交通的信号总是一步一步变化的，一个循环内各步的步长之和 称为信号周期。 绿信比：在一个信号周期内，各相位的有效绿灯时间与周期长度的比称为绿信比。 绿信比反映了该信号相位交通流在一个周期中需要绿时的大小。经过优化的绿信比能够 恰当的把绿时分配给各相位的交通流，从而使总延误或总停车次数最小。 相位差：在一个交通干线协调控制系统中，干线上所有的信号周期相同，各路口规 定某一相位参加协调，称为协调相位。把干线上某一路口作为基准路口，其他各路口的 协调相位起始时刻滞后于基准路口的协调相位起始时刻的最小时间差没，称为绝对相位 差；沿车辆行驶方向任意相邻路口的协调相位起始时刻的最小时间差，称为相对相位差。 点控，所谓点控就是对单个交叉口的交通信号实施控制。在对通过路1 ：3 的交通流进 行按照相位进行划分后，通过灯色的变化，在保证安全的前提下尽可能多地使各方向车 辆通过。一般只需控制信号周期和绿信比即可。 传统的控制方法包括定时控制和感应控制。定时控制是根据以往观测到的交通需 求，按预先设定的交通配时方案进行控制，因此它对交通需求的随机变化是无法响应的。 感应控制在一定程度上克服了定时控制的不足，其主要特点是：某相位在绿灯时期，只 要检测到车辆到达就给出一个单位绿延时，直到最大绿为止。 线控就是让干线上交叉口的信号控制器具有相同的周期，绿信号开启时间相继错开， 从而使干线上行驶的车辆尽可能少遇或不遇红灯以减少延误。 在线控系统中，为使各交叉路口的交通信号能取得协调，各路口的交通信号周期长 度必须统一。为此必须按照单路口信号控制的配时方法，计算其周期长度，然后从中选 出最大的周期长度作为这个系统的公用周期。对应最大周期的路口也叫做关键路口。在 线控系统中，如果某些路口的交通量较小，可把公用周期的一半作为其周期，称为双周 期信号控制。 线控系统中各路1 3 信号的绿信比不一定相同，通常要根据每一交叉口各方向的交通 量的流量比确定。一般将周期最长的那个路口沿干道方向的绿灯时间定为干道各交叉口 的最小绿灯时间，各交叉口沿干道方向的最大绿灯时间则根据相交道路交通流所需要的 最小绿灯时间来确定。 通常采用时距图的方式来描述线控系统中信号配时和交叉口间距的关系。如图所 示，在此例中，干线各交叉口的绿灯时间等于周期长度的一半，各交叉口间距相等。 6 中国民航大学硕士学位论文 l 时阍 i 通过带 l 宽度 l l淤! 速度线 红 l i 0 ) 起终点为( e ，矿) + ( ，w ) 时：对于第，个节点，存在p ，h ：起终点为( 形，e ) + ( s ，e ) 时： 存在仉) ，；鉴于二者为同相，保持网络最历s 大流的通行时间须同时考虑二者通行情况。 故取e ( ( f ，) 。， f ， ： 为节点东西向最大通行时间。 对于区域网络一般为较为拥挤的双向双车道，在流量模型下，确定i 临界流量下畅行 速度为6 m s 啪】f 。在该速度下安全制动所需保证的距离根据相关理论可进行求解，参 见2 3 节内容，在区域网络内为3 m 。道路内车辆按4 到5 座的小客车作为标准车1 计 算，车长取为3 5 m ，则对于简化后所得单车道的车辆密度为1 标准车，6 5 m ，约合1 8 1 标准车公里。按照城市道路规划设计规范啪1 ，城市区域道路路口间距约为2 5 0 - - 3 0 0 m ， 但许多道路由于历史条件造成长度走向不规范，需根据具体情况具体确定弧段最大容 量。同时设定在s 、t 点上容量均为无穷大。 道路网络弧根据长度确定最大容量如表2 1 ( 单位：标准车) 。 表2 1 道路网络容量 s l ，2 3 9 i 一4 2 53 44 8 d 一5 4 ，45 95 6 6 05 02 04 81 84 23 0 8 ，1 4 1 5 1 6 一t 5 57 88 98 一s 8 一l l 9 99 一l o9 一1 2 2 42 0 5 62 45 0 在最大流状态下路段优化容量求解结果见表2 2 。 表2 2 优化结果求解 s i 2 ，3 9 l 42 53 44 84 54 45 95 6 5 25 01 44 8 1 83 44 02 8 8 1 4 1 5 1 6 一t5 5 7 88 98 8 8 一l l 9 9 9 一l o9 一1 2 2 2 085 65 62 61 43 4 通行时间见表2 3 。 表2 3 对应通行时间 l 节点 l2 4 58 9l l1 2 l 时间( s ) 5 6 3 5 4 25 4 25 4 25 24 3 36 0 63 6 8 同理可确定相应节点南北向最大通行时间。 由数据可看出，在不同路口所需通过时间不一。在个别路段流量甚至为零。故在综 合其它方向计算结果考虑后，对相应路口采取禁止左转或右转的措施，从而使之更为符 合实际需要。 由计算过程可知，在该时间常数t 控制下，区域交通网络处于最大流量状态，当控 制时间，趋于无穷大时，对流量积分可得最大流量函数，易知仍为最大流量状态。 2 2 在基准时间基础上进行的模糊处理 1 7 中国民航大学硕士学位论文 2 2 1 问题的提出 在确定了基础等待时间之后，对于单个路口仍然面临着实际车流量与理论最大流量 时间的不匹配问题。对于单个路口而言，不确定的车流量和确定的等待时间之间存在着 矛盾，因而有必要在确定等待时间的基础上采用对其赋予一定的弹性，使之更能贴合实 际的需要。由于精确的将车流量变化与时间联系起来既无必要也不现实，因而采用模糊 算法是较为实际的一种选择。 2 2 2 模糊算法的基本原理和概念 模糊算法就是将不确定的测量信息通过确定的逻辑进行控制。 ( 1 ) 模糊算法的几个基本概念： 测量信息的模糊化将实测的物理量转化为语言变量域内模糊子集； 推理机制建立数据库和规则库，决定模糊控制的输出子集； 输出模糊集的精确化将模糊控制量转化为清晰的、确定的输出控制量。 ( 2 ) 设计一个模糊控制器需要解决的问题： 精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某个适当论域上的模糊子集： 模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控 制规则决定的模糊关系； 输出信息的模糊判决，完成由模糊量到精确量的转化。 ( 3 ) 涉及到的模糊数学基础： 隶属函数： 模糊概念不能用经典集合加以描述，这是因为不能绝对地区别“属于”或不属于， 就是说论域上的元素符合概念的程度不是绝对的0 或l ，而是介于0 和1 之间的一个实 数。z a d e h 以精确数学集合论为基础，他提出用“模糊集合”作为表现模糊事物的数学 模型。并在“模糊集合”上逐步建立运算、变换规律，开展有关的理论研究。z a d e h 认 为，指明各个元素的隶属集合，就等于指定了一个集合。当隶属于0 和1 之间值时，就 是模糊集合。 模糊子集的定义及表示： 设给定论域u ，u 到【0 ，1 】的任意映射儿 u 月：u 专t o ，1 j “- - - ) t ) 都确定u 的一个模糊子集a ，u 。成为模糊子集的隶属函数，心 ) 称为“对于4 的隶属 度。隶属度也可记为a ( “) 。在不混淆的情况下，模糊子集也称模糊集合。论域u 上的 模糊子集4 有隶属函数儿 ) 来表征，a 。 ) 取值范围为闭区间 o ，1 】，儿 ) 的大小反映 1 8 中国民航大学硕士学位论文 旯= ：耋：i ：，则称毛为r 的截矩阵。 。圃壁斓野 e , e 系统偏差与偏差变化率，均是精确量； e ，固c 经模糊量化处理后，偏差与偏差变化率的模糊量； u 模糊量的偏差与偏差变化率经模糊控制规则，近似推理处理后得到模糊量的 控制作用； i f 对模糊量的控制作用u ，经模糊判决，得到模糊控制器输出的精确量的控制 作用“，去控制被控对象。 ( 5 ) 模糊控制算法概述： 综上可知，模糊逻辑控制的核心是模糊控制算法或模糊控制规则。规则的形式为 i f t h e n ”型，如：“t 为中等且a 为m r ( 中等1 ，t h e ne 为中等”。所有这样的规则 组成了控制规则集。对于单输出情形( 设y 为输出变量) ，任何形式的规则均可组成如下 的形式，设总共有k 个输入变量墨( f = l ，2 ，k ) 和n 条规则置，( ，= l ，2 ，以) ，则有： 1 9 中国民航大学硕士学位论文 弓：腰( 毛 ) ，a n d ( x 2 2 a a n d ，一a n d ( x k 岛) ，t h e n 哆) 其中4 是论域而上的模糊子集，b ，是论域y 上的模糊子集。每条规则的形式均为 i fc o n d i t i o nt h e na c t i o n 。这里c o n d i t i o n 是关于被控过程状态的模糊命题，a c t i o n 是关 于当前状态下应采取的控制量的模糊命题。每一条这样的规则规定了一条模糊关系，即： r i = a i n b | 其中4 ，= 4 ，n 4 ，n n 厶。 采用最大一最小推理合成算法，因而模糊关系r 的隶属函数为： u r , ( z ，力= m 坝，占，( 力) 式中x = ( 毛，x 2 ，_ ) ，岛= m i n ( a 1 j ( ) ，4 ( 屯) ，岛( 以) ) ，4 ) 为x s 属 于模糊子集以的隶属函数，b ，( y ) 为y 属于口，的隶属函数。规则集中所有不同的规则 所规定的不同的关系之间是一种或的关系，因而总的模糊关系为： r = 墨u 是u u 兄 而该关系r 的隶属函数为： r ( x ，) = m a x ( r l ( x ，y ) ，雹( x ，) ，r ( 肖，y ) ) 2 2 3 模糊算法在本文中应用 对单个交叉口而言，当交通需求较小时，信号周期则应较短，但一般不能少于px1 5 秒( p 为相位数) ，以保证某一方向车辆及时安全通过路口：当交通需求较大时，信号周期 则应较长，但一般不能超过1 2 0 秒，否则某一方向的红灯时间将超过6 0 秒，驾驶员心理上 不能忍受。当交通需求很小时，一般按最小周期运行：当交通需求很大时，只能按最大周 期控制。因而对于各路口各相位指定最大绿灯时间q 。和最短绿灯时间q 一。 为增强调控灵敏度，对于在网络最大流状态下求得的各路口通过时间，见表2 3 与 2 4 ，均采用双周期控制信号策略，取绿灯时间为计算时问的一半作为控制时间。 ( 1 ) 求解过程： 从分布式控制设计角度出发，为了简化单片机的工作量，从而提高程序和硬件的可 靠性，对于具有采集不同数量信号输入的路口规则采用了不同的语言控制策略。 确定测量信息采用的方法： 检测器在指定的时间内测得的计数值( 方波数) 为交通量，这里包括两个相位的车辆 信息。 确定推理规则： 根据测得的车辆信息出发来确定绿灯变化时间a g ，对于交通网络中的某单个路口， 按照两相位确定最小绿灯时间为1 5 秒，按照双周期控制策略各个路口最大绿灯时问可 分别确定，在此处模糊控制算法过程中设定最大绿灯时间为3 0 秒。 首先建立模糊控制规则。 将测得的队长，看作模糊变量，对于区域网络一般为较为拥挤的双向双车道，在流 中国民航大学硕士学位论文 量模型下啪1 ，确定临界流量下畅行速度为6 m s 。根据在网络最大流量情况下计算通 行车辆数，同时确定最小绿灯时间下通行车辆数；在该速度下安全制动所需保证的距离 根据相关理论可进行求解，在区域网络内为3 m 。道路内车辆按4 到5 座的小客车作为 标准车计算，车长取为3 5r ，则对于简化后所得单车道的车辆密度为1 标准车6 5 m ， 约合1 8 1 标准车公里。 则在最小绿灯时间1 5 秒内，通过路口车辆数 ，m m 。z ( 15 + 6 6 5 产l5 a = 1 2 在最大绿灯时间通过路口车辆数为； k = a ( 3 0 + 6 6 5 产3 0 2 = 2 4 其中旯为标准车辆数到实际车辆数的转换系数，鉴于标准车是采用小型车为计算单 位，故取旯= 0 8 对车辆数进行修正【。 对于仅能检测排队长度或单位时间内通过车辆数的路口( 如图2 - 5 ) 而言，可采取较 简单的模糊控制策略。如对于采集的车辆数，取其论域为：l = 0 1 2 ，1 2 z ，1 6 ， 1 6 r a n d ( 1 ，2 0 ) a n s i =c o l u m n s1t h r o u g h2 0 0 50 20 70 40 90 90 60 50 90 8 a r t s 2 ； o 6 o 9o 2 a r t s 3 = 0 2 o 30 4 c o l u m n sit h r o u g h2 0 o 4o 70 5 1 oo 3o 30 9 c o l u m n s1t h r o u g h2 0 o 30 70 3 o 2o 60 8o 5 0 40 70 60 81 0 0 5 0 70 10 o0 9 0 50 11 00 60 40 5 o 60 20 40 8 中国民航大学硕士学位论文 a n s 42c o l u m n slt h r o u g h2 0 0 70 5o 60 80 1o 6o 10 40 30 9 0 oo 81 o1 00 80 40 50 20 60 3 以东西方向为初始绿灯时间，分别计算以3 0 秒固定周期与和以1 5 秒为基准时间的 模糊控制周期下的车辆延误时间。在3 0 秒固定周期下，分配给每个相位1 5 秒工作时间， 对于生成的数据每5 秒为一个分布，则三个为一个周期车辆采样数据。对于绿灯状态下 已定义l 辆s 的速率离开等候的车队。将数据导入( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 计算延误时间。在模 糊控制下，以1 5 秒为基准时间，对等待的车辆按照模糊规则确定延长时间，将数据导 入( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 。仿真计算结果如图2 1 1 。 晷 o o1 5 3 0 牾 b o 运行时间( 5 ) 图2 - 1 t 模糊控制的效果图 2 3 路口等待时间模糊化后的黄灯时间处理 2 3 1 问题的提出 在交通管理中，定期地亮一段时间黄灯是为了提供一定的预警时间，让那些正行驶 在交叉路口上或距交叉路口太近以致无法停下的车辆通过路口。这样，交通灯显示装置 应保持足够长时间的黄灯，使那些无法停车的驾驶员有机会在黄灯亮的时候通过路口， 并使得无法及时通过路口的驾驶员可以有足够的停车距离。 2 2 2 采用的算法