（模式识别与智能系统专业论文）城市交通信号模糊控制技术研究及系统设计.pdf

摘要 随着经济的发展和城市化进程的加快，道路通行能力与使用者需求之间的矛 盾日益突出。在现有道路条件下，采用先进的交通信号控制技术，是缓解交通拥 堵、提高交通效益的有效途径。本文针对目前城市交通问题的现状，在研制和设 计一种交通信号智能控制系统的基础上，对交通信号的自适应优化控制技术进行 了深入的研究，本文的主要工作包括： 1 ) 相位自适应方案的研究。提出了一种以主相位划分为基础，主相位之闯 相序不变，主相位内部按一定规律调整相位组合的相位自适应方案。 2 ) 单交叉口模糊控制方法的研究。设计了一个具有双系统结构的模糊控制 器，分别对相位序列和相位配时进行动态优化；通过对交叉口交通特性的分析， 合理选择了模糊控制器的输入参数。 3 ) 多交叉口协调模糊控制方法的研究。针对集中协调式控制的不足，设计 了一种以各本地交叉口为主体的分散协调控制方法，在线动态调整相位差，并根 据下游路段实时流量来调整当前交叉口的相位、配时。 4 ) 针对模糊控制器输入输出交量隶属度函数多，人工设置难以保证其合理 性，而且固定的隶属度函数难以满足复杂时变的交通流状况，讨论了运用遗传算 法优化模糊控制器隶属度函数的方法。为避免隶属度函数不合理的重叠或者论域 空间上出现某段区间没有规则被激活的问题，设计了一种具有动态特性的惩罚函 数。为了提高搜索效率和解的质量，设计了一种自适应的交叉概率和变异概率， 并对算法进行了详细阐述。 5 ) 参与研制了一种交通信号智能控制系统。在v i s u a lc _ 阡n e t 平台下设计 开发了区域监控系统软件，实现了以t c p i p 作为底层协议的数据通信、基于 o r a c l e 数据库的交通流信息管理，以及区域路口的在线监视、控制等功能，提供 了友好的人规接口界面，该系统已在合肥部分交叉口得到了成功应用。 最后，总结了全文的工作，并指出理论和应用上有待进一步研究的问题。 关键词；交通信号；模糊控制；遗传算法；双模糊系统；主相位；协调控制 本论文的完成基于安徽省十一五科技攻关重点项目城市交通一体化集成管 控平台，项目编号：0 7 0 1 0 2 0 2 0 4 9 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n du r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nr o a dc a p a c i t ya n dd e m a n d sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t u n d e rt h ep r e s e n t 蛐cc o n d i t i o n s t h ea d v a n c e dt i r 位cs i g n a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi s a ne f f e c t i v ew a yt oa l l e v i a t et r a f f i cj a m sa n di m p r o v et h et r a m ce f f i c i e n c y t h e a d a p t i v eo p t i m i z a t i o nc o n t r o lo ft r a f f i cs i g n a li ss t u d i e di n - d e p t hi nt h i sd i s s e r t a t i o n o i l t h e b a s i s o f t h e p l a t f o r m o f i n t e l l i g e n t 仃a 赶i cs i g n a l c o n t r o ls y s t e m d e v e l o p e d b y u s t h em a i nw o r ko f t h i sd i s s e r t a f i o ni n c l u d e s ： 1 a na d a p t i v em u l t i - p h a s em e t h o di sp r e s e n t e d t h ep h a s es c h e m ei sd i v i d e d i n t ot w om a i np h a s e sf o ra ni n t e r s e c t i o n t h em a i np h a s e sa r ee x c u t e di nt e r mo ft h e p r e d e f m e ds e q u e n c e , a n dt h ec o m b i n a t i o no fs u b - p h a s e sf r o me a c hm a i np h a s ei s a d j u s t e db ya d a p t i v ep r i n c i p l e 2 af u z z yl o g i cc o n t r o l l e r ( f l c ) i sd e s i g n e dt oo p t i m i z et h et r a l 五cs i g n a lf o r s i n g l ei n t e r s e c t i o n w i t hat w o - s y s t e ms t r u c t u r e ，t h ef l co p t i m i z et h ep h a s e - o r d e r a n ds i g n a l - t i m i n gr e s p e c t i v e l y b ya n a l y z i n gt h ef r a n cc h a r a c t e r i s t i c so f i n t e r s e c t i o n s ， t h ep r o p e ri n p u tp a r a m e t e r so f t h ef u z z yc o n t r o l l e ra r ec h o s e n 。 3 ad i s t r i b u t e dc o n t r o lm e t h o di sp u tf o r w a r dt 0o v e r c o m et h el i m i t a t i o no f t h e c e n t r a lc o o p e r a t i v ec o n t r 0 1 e a c hi n t e r s e c t i o nc a no n - l i n ea d j u s to f f s e td y n a m i c l y , a n d s i m u l t a n e i t ya d j u s tt h ec u r r e n tp h a s ea n d 也n j 【n gs i m u l t a n e o u s l ya c c o r d i n gt ot h e r e a l - t i m ew a f f l eo f d o w n s t r e a ms e c t i o n s 4 i ti sd i f f i c u l tt om t i o n a l yd e t e r m i n et h em e m b e r s h i pf u n c t i o nb ym a n u a lw a y , i na d d i t i o n , i ti sn o ta d a p a t i v ef o rf i x e dm e m b e r s h i pf u n c t i o nt or e s p o n s ef o r t i m e - v a r y i n gt r a f f i cf l o w t h e r e f o r e ，g ai si n t r o d u c e dt oo p t i m i z et h em e m b e r s h i p f u n c t i o n so ft h ef u z z yc o n t r o l l e r s t oa v o i dt h eu n r e a s o n a b l eo v e r l a po ft h e m e m b e r s h i pf u n c t i o n s a n dn oa v a i l a b l er u l e sf o r s o m eu n i v e r s e ，ad y n a m i c s e l f - a d a p t i v ep e n a l t yf u n c t i o nh a sb e e ni n v e s t i g a t e d i no r d e rt oi m p r o v es e a r c h e f f i c i e n c ya n dt h er e l i a b i l i t y , am o d i f i e da d a p t i v ec r o s s o v e rp r o b a b i l i t ya n dm u t a t i o n p r o b a b i l i t ya l es t u d i e d t h ea l g o r i t h mi sd e s c r i b e di nd e t a i l 5 a ni n t e l l i g e n tt r a l 壬i cs i 鲫a lc o n t r o ls y s t e mi s d e v e l o p e d t h er e g i o n a l m o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r ei sp r o g r a m m e du s i n gv i s u a l ( + + n 武t h es y s t e mi s i m p l e m e n t e du s i n gt c p i p 嬲b o t t o ml e v e lc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a n dt h eo r a c l e d a t a b a s ei su s e dt om a n a g et r a 伍cf l o wi n f o r m a t i o n t h ea r e ao n l i n em o n i t o r i n ga n d c o n t r o la n du s e ri n t e r f a c ea 托i m p l e m e n t e da sw e l l t h es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l y n a p p l i e di nh e f e i i nf m a l ，t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sm a n m a f i z e d ，a n dt h ef u t 山e ts t u d yi s i n d i c a t e d k e y w o r d s ：t r a f f i cs i g m i ；f u z z yl o g i cc o n t r o l ； s y s t e ms t r u c t u r e ；m a i np h a 舱；c o o p e r m i v ec o n t r o l i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所量交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 俘和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 护0 年3 - 月弓f f t 1 1 背景和意义 第一章绪论 交通是城市经济活动的命脉，对城市经济的发展、人民生活水平的提高起着 十分重要的作用。然而，随着机动车辆的迅速增加，城市道路通行能力与使用者 需求之间的矛盾日益突出，城市交通问题严重地困扰着世界各国的大中城市 在国外，每年交通问题给各国造成巨大经济损失【1 1 。美国德州运输研究所对 美国3 9 个主要城市进行研究，估计美国每年因交通阻塞造成的经济损失约为4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年的损失均超过l o 亿美元；由于交通阻塞，日本东京的 专业运输成本1 9 8 5 年与1 9 8 0 年相比，年度成本增加约8 4 2 亿日元，每年因交通拥 挤造成交通参与者时间损失的价值相当于1 2 3 0 0 0 亿日元；而欧渊每年因交通事 故、交通拥挤造成的经济损失分别达到5 0 0 亿欧元和5 0 0 0 亿欧元。 在我国，交通拥挤也同样造成了相当严重的影响。以北京市为例【l 刃，交通 问题己成为影响城市正常功能发挥和城市可持续发展的一个全局性阅题。1 9 9 6 年，全市共发生交通拥挤堵塞1 6 7 9 8 起，市区严重堵塞的路口、路段从1 9 9 4 年的 3 6 处猛增至9 9 处，城区主要道路的平均负荷度高达9 5 以上，由此造成市区主要 千道的车速降至1 2 k m h ，个别路段时速仅有7 8 k m h 。 我国在今后的几十年内，将是城市化发展的最快时期，城市无论是在总体数 量上还是在个体规模上都将成倍增长，致使城市交通运输系统面临着更加严峻 的问题。这主要表现在两个方面。一是交通需求与供给的矛盾更加突出：二是 由于城市的郊区化发展和 日城区城市用地结构剧烈变动( 旧城区改造造成的) 使 得路网交通状态更加复杂和不稳定。这些问题都是交通运输系统规划和交通管理 及控制所要解决的难题。并且，随着城市的不断发展还会有许多新的问题出现。 解决城市交通问题的途径可概括为两类，一类是从城市土地利用规划和交 通规划入手，运用现代城市交通规划理论和方法，一方面减少交通需求，另一方 面根据交通需求，规划交通设施，改善交通条件，排除交通瓶颈。另一类是从交通 管理入手，用现代化的管理手段和交通法规对交通流进行有效地控制、诱导、调 度和指挥。在长期的实践中，人们逐渐认识到，仅仅依靠单纯地修建、扩建道路， 无法满足日益增长的交通压力。特别是在交通问题严重的市区，由于建筑格局比 较固定，不可能进行大的道路扩容建设。因此，以现代计算机技术、通信技术、 电子技术、优化控制技术为核心的智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，简称i t s ) 的研究和应用己成为人们寻求解决城市交通问题的必然选择。 而交通信号控制作为智能交通系统的核心研究内容之一，是最基本的最需要普遍 应用的技术，它通过对城市道路交叉口时间和空间资源的合理配置，充分利用现 有资源，达到交通最大程度的畅通，使得道路资源得到充分的利用，以大幅度减 少空载行程，提高里程利用率和运输效率，减少能源消耗和环境污染，降低交通 安全事故发生率等等。这将产生巨大的社会效益和经济效益。 1 9 8 6 年- - 1 9 9 5 年的1 0 年期间，北京等城市引进了世界先进的交通控制系统， 其中有英国的( s c o o t s ) ，有澳大利亚的( s c a t s ) ，还有日本、美国、前南斯拉 夫、西班牙、荷兰、法国等国家研制的，可以说，世界上最先进的交通控制系统 都被引进到了中国p 】，但这些系统及其体系结构均未考虑如何实现控制方式和控 制模式多元化以及传统控制方法与人工智能技术集成的问题，同时这些系统是按 照发达国家的交通情况设计的，并不符合我国的交通实际状况。与发达国家的交 通状况相比，他们的城市交通流以机动车为主体，平交路口的交通冲突点较少， 路段彳亍驶阻力较小，信号协调控铝4 容易实现；而我国的城市交通流以混合交通为 主体，平交路口的交通冲突点比国外多十几倍甚至几十倍，即使采用多相位信号 控制也很难实现路网的协调控制。另外，我国的城市交通路网一般为双向行驶， 中心隔离但机、非隔离不完善，路口和路段缺乏必要的行人过街设施，非机动车 交通流占路现象严重，路段行驶阻力大，从而造成城市路网内车流离散，路口之 间的协调效果较差。加之路网中机动车性能相差较大。在同一路段行驶易造成交 通流离散。因此，我们必须开发适应我国城市路网结构及交通流特点的交通信号 控制系统，以适应我国现代化交通管理和控制的需要。 1 2 城市交通信号控制系统发展概述 城市交通信号控制是改善城市交通运行状况的重要途径，它作为智能交通系 统( i t s ) 中的重要部分，国际上对其的研究开发和应用非常重视。1 9 6 3 年，世界 上第一个中心式的交通信号控制系统在加拿大的多伦多建成，该系统将检测器的 应用与交通信号控制系统结合起来。与此同时，在欧溯、美国和日本也逐渐开始 了城市道路中心式交通控制系统( c e n t r a l i z e dt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m s 。 c t s c s ) 欧洲的城市交通控制系统( u r b a nt r a f f i cc o n t r o l ，u t c ) 在世界上比较先 进。 目前，专门用于道路车辆安全系统检测与控制的u t c 系统表现在减少时间延 误和提高路网效率上。欧洲的交通控制系统主要有英国的u t c 系统被称s p l i t c y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o nt e e l m i q u e ( s c o o t ) 即绿信比相位差优化技术，意大利 的u t o p i a 系统，法国的p r u d y n 系统以及德国的m o t i o n 系统。美国的城市交 通控制系统主要以t r a n s y t 为主。调查数据表明采用这些控制系统后道路车流 平均速度至少提高了1 0 2 9 ，旅行时问减少1 0 2 0 。 从1 9 1 4 年出现交通信号控制以来，城市交通控制技术已由开始的“点控”、 “线控”向“面控”过渡。而交通控制系统则从固定协调配时向自适应协调配时 发展。“点控”就是对单个交叉路口的信号实施单点控制；“线控”就是对交通 主干道的交通信号进行协调控制，从而在一条或多条街道形成“绿波带”，保证 大多数汽车在行驶到各路口都会遇到绿灯；“面控”是一种通过采用计算机( 路 口计算机、区域主计算机和控制中心中央计算机) 联网控制，根据交叉路口的交 通流状况，通过研制的交通模型和软件确定交叉路口红绿灯配时方案，实现整个 交通路网配时优化的交通控制系统。目前的“面控”系统以英国的s c o o t s 和澳 大利亚的s c a t s ( 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 cs y s t e m ) 为代表，它们属于自 适应式的区域实时交通控制系统，而美国的t r a n s y t 系统属于固定信号配时的 区域协调信号控制系统。美国运输部联邦公路局近年来在从事自适应式交通信号 控制系统的研究后得到结论：当城市交叉路口采用了先进的交通信号控制系统 后，减少了行车延误时间，提高了路口的通行能力。降低了车辆的停车次数，减 少了燃料消耗和汽车排放的有害物质等。 我国在交通控制系统方面的工作起步较晚，在七十年代后期北京市开始采用 d i s 一1 3 0 型计算机进行了干道协调控制的研究。八十年代以来，城市道路交通问 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 m s 技术研 究，如；在国家计委、国家科委的批准下，交通部、公安部、南京市完成了“七 五”攻关项目，建成了南京城市交通控制系统；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 s 系统，深圳市引进了日本的京三系统。其他的如沈阳、大连、 广州、长春等十几个大城市先后采用了这类先进的交通信号控制系统后的，在一 定程度上起到了缓解交通拥挤的作用。但是从交通控制系统的实际运行而言，这 些交通信号控制系统的模型和软件因没有考虑到我国城市交通的具体现状( 混合 交通、道路服务水平较低、车辆性能参差不齐等) ，使用效果不佳，无法有效地 解决城市交通拥挤。 1 3 交通信号模糊控制技术的研究概况 因为交通控制系统的非线性、模糊性和不确定性使得传统的建模和控制方法 难以奏效。计算机的出现和广泛应用促成了人工智能研究热潮的掀起。近十多年 来，专家系统、模糊控制、人工神经元网络、遗传算法等实用技术相继推出并应 用到工程领域。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 能中的专家系统、模糊控制、人工神经网络、遗传算法等实用技术相继推出并应 用到工程领域【s 叼。 在众多的人工智能技术中，基于模糊逻辑的城市交通控制占有特别重要的地 位。模糊控制能够模拟人的思维，能够很好地应用人们在长期交通信号控制中积 累的丰富经验，而且控制方式直观简单，实施费用节省。因此成为了控制工程师 和交通工程师关注的重点。 希腊学者p a p p i s t 引于1 9 7 7 年首先将模糊逻辑概念应用到城市单交叉路1 2 1 信 号控制，在他的模型中，将单路口理想化为由两条交叉的单向道路组成，四个入 口均为单车道，且只考虑直行车流，控制系统设计为三输入一输出的基于绿灯时 间调整次数的模糊决策系统。输入为假定的绿灯延长时间、绿灯方向到达的排队 长度和红灯方向等待通行的排队长度，输出是实际绿灯延长时间。仿真结果表明， 采用此模糊控制器比传统控制方法平均延误减少了7 左右。 p a p p i s 模糊控制方法为交通信号智能控制翻开了崭新的一页，然而，p a p p i s 法中仅考虑孤立、单向、无转向的交叉口，具有很大的局限性，因此，很多研究 者在其工作基础上做了进一步拓展，并且在与定时控制或感应控制进行系统性能 比较时，在平均车辆延误性能指标上都得出了更为乐观的结果。他们对p a p p i s 提出的模糊控制系统的改进主要在以下方面；考虑多车流方向、多相位情况下的 控制；将单个路口的孤立控制扩展到多个路口的协调控制；修改模糊控制器的结 构；改进系统输入输出参数，采用不同的方式来描述系统的交通状况；采用不同 的控制策略。 【9 ，l o 】在p a p p i s 提出的模糊控制系统基础上，设计了一个具有两级结构盼模糊 控制系统，考虑了直行、左转、右转的情况。其基本思想是：将路口分东西、南 北两个相位，每个相位的两个方向上具有最大车流的方向定义为关键车流，另一 个方向定义为非关键车流。非关键车流的直行和左转对关键车流的运行会产生影 响。因此，第一级模糊控制器依据通行相位关键车流和非通行相位关键车流的排 队长度来确定基本绿灯延时时间，第二级模糊控制器根据通行相位非关键车流的 排队长度来确定附加延时时间，最后将基本延时时间和附加延时时间按照一定控 制策略来确定最终的绿灯延时时问。该控制系统弥幸1 t p a p p i s 模糊控制系统中仅 考虑关键车流的不足，同时改进了控制器结构，修改了描述路口交通状况的参数， 控制效果有所提高。但该系统仍然是基于两相位控制，模糊控制的隶属度函数固 定，无法适应交通流的动态变化。 【l1 1 针对两相位控制的不足，提出了一种变相位控制的方法，其思想是根据 路口宏观交通流量来决定相位个数，如果路口流量大，则选择四相位控制，以提 高路口的通过率，否则选择两相位控制，以降低路口的车辆延误。该方法虽然对 路口相位个数实现了动态调整，但无法实现交通流不平衡情况下的相位优化，而 且对相位的调整也仅限于车流量大与小两种情况，因此优化效果受到一定影响。 【1 2 ，1 4 】提出了另一种多相位优化的方法，每次进行选择的时候都是从非通行 相位中选择出交通需求最高的相位作为下一个通行相位，这种方式虽然理论上可 以实现路口车辆延误最小，但是由于相位顺序在路口的变化是随机的，容易造成 驾驶员无法适应而产生交通隐患，并且这种相位优化方法仅对相位顺序进行调 整，无法实现相位个数的自适应调整，这样在路口流量小时，相位个数过多就会 导致相位切换时引起的损失时间的增加。 【1 3 】对两个相邻的单向交叉路口组进行模糊逻辑控制，对下游的交叉路口的 控制考虑了上游路口的交通状况，从而取得一个使整体通行延误时间降低的控制 方案 【1 4 】提出一种三层结构的交叉口模糊控制器。最上一层决定当前的大致的交 通流状况，分为正常、饱和和稀少；第二层决定下一个绿信相位；第三层决定绿 信的延长时间，是一个基于绿信延长次数的模糊决策系统。每一层的决策都与上 一层的输出相关，例如在饱和的交通状况下，控制策略为最大化交通流量。 【3 9 】提出了一种分布式策略来解决交通信号控制问题。每个路口有三个控制 器，分别优化路口周期时长、绿信比和相位差。周期时长的调整由东西、南北两 个方向的饱和度决定，绿信比的调整以两个方向的饱和度差值和最大饱和度决 定，相位差的调整以两个方向的流量差值和下一相位的请求调整时间决定。信号 配时参数随本地路口交通状况实时动态调整，同时考虑与上游路口的时间同步。 对于交通状况复杂多交的交叉路口，采用结构参数固定的模糊控制难以达到 优化控制效果。随着智能交通系统体系的提出，交通控制的对象和内容将会更为 复杂，不确定因素和子系统间的相互耦合作用会越来越多。近年来，许多交通控 制研究者为了解决以上问题，纷纷提出不同的解决方法，对模糊控制系统的应用 有了促进作用。这些方法与传统的简单模糊交通控制系统相比，采用了更为合理 的模糊控制结构，而且与其它智能技术结合起来以提高控制系统的性能。 【1 5 】研究了在交通状况变化时采用统计和模糊的方法调节模糊隶属度函数 的情况。模糊调节方法是对模糊控制器的输入参数进行另外的模糊决策，从而调 整模糊推理规则的后件范围大小。这种调节方法不改变模糊隶属度各函数的相对 位置，因此调节范围比较有限。 【1 6 】采用神经网络实现单交叉口的模糊控制，响应速度快，实时性高，但它 仅仅采用了排队等待车辆数作为输入，对交叉口的状态描述还不完善。 1 7 ，3 6 在经典模糊控制的基础上引入遗传算法，对隶属度函数和模糊规则 进行优化。其中【1 7 提出跟踪路口交通流的动态变化来动态调整模糊控制器的隶 属度和模糊规则。二者对变量的约束都只做了简单的处理，优化的结果可能会出 现不合理的解，而且模糊控制系统采用的是p a p p i s 模糊系统，考虑的是最简单 的理想路口，不具有实用性。 虽然当前基于模糊逻辑的交通控制系统还不能与主流商品化的交通控制系 统如s c o o t 和s c a t 竞争，但是如果能够进一步加强对模糊控制器结构的探索， 特别是与其它人工智能技术相结合的自适应模糊控制器结构的探索，不断改进交 通模糊控制的使用方式，模糊交通控锈q 系统的发展前景还是非常广阔的。本文研 究的就是将模糊控制器和遗传算法结合，利用遗传算法对目标函数要求不高，无 需知道目标函数显式数学表达式，适合于多参数、多变量但联通性较差的优化问 题求解的特点对隶属度函数进行调整和优化，可以较好地将人工设置不合理的隶 属度函数自动调整到合理的设置，并且可以根据交通情况的变化自适应地调整隶 属度函数。 1 4 主要研究内容和章节安排 1 4 1 主要研究内容 综上所述，交通信号优化控制技术的研究虽然取得了一定的成果，但由于交 通问题的复杂性，以及我国交通信号控制实践的特殊需求，交通信号优化控制技 术还有待继续完善和提高。本文在设计和研制一种交通信号智能控制系统的基础 上，对交通信号优化控制技术进行了研究和分析，主要内容包括： 1 ) 相位自适应方案的研究。针对固定相位控制和随机选择相位控制的不足， 提出了一种以主相位划分为基础，主相位之间相序不变，主相位内部按一定规律 调整相位组合的相位自适应方案。 2 ) 单交叉口模糊控制方法的研究。设计了一个具有双系统结构的模糊控制 器，分别对相位序列和相位长度进行优化控制，对反映路口交通状态的输入参数 进行了改进，在v i s u a lc 抖n e t 环境下进行了仿真实验。 3 ) 多交叉口协调模糊控制方法的研究。针对集中协调式控制的不足，设计 了一种以各本地路口为主体的分散协调控制方法，在线动态调整相位差，并根据 下游路段实时流量来调整当前路口的相位及配时。在v i s u a lc + + n e t 环境下进行 了仿真实验。 4 ) 针对模糊控制器输入输出变量的隶属度函数多，人工设置难以保证其合 理性，而且固定的模糊控制器参数难以满足复杂的交通流条件，讨论了运用遗传 算法优化模糊控制器隶属度函数的方法。为避免隶属度函数不合理的重叠或者论 域空间上出现某段区间没有规则被激活的问题，设计了一种具有动态惩罚特性的 惩罚函数，对空间中的每一个解，根据其满足约束条件的信任度进行动态惩罚， 如果解脱离约束越大，则其惩罚越大。为了提高搜索效率和解的质量，设计了一 种自适应的交叉概率和变异概率。 5 ) 为满足城市交通信号控制的实际需要，以及为交通信号控制方法的研究 提供平台支持，参与研制了一种交通信号智能控制系统。在v i s u a lc 卜+ n 毗平台 下设计开发了区域监控系统软件，实现了以t c p i p 作为底层协议的数据通信、 基于o r a c l e 数据库的交通流信息管理，以及区域路口的在线监视、控制等功能， 提供了友好的人机接口界面，并对本文设计的自适应优化算法在系统中的实现进 行了探讨。 1 4 2 章节安排 第一章论述选题的背景和意义，介绍国内外智能交通系统发展概况；对交通 信号模糊控制技术的发展和研究概况进行介绍和分析。指出交通信号模糊优化控 制技术的优越性以及需要进一步完善的必要性。最后介绍本文研究的主要内容和 各章节的安捧。 第二章介绍与本文研究相关的一些相关理论知识。包括交通信号控制的基本 概念，控制类型和性能评价指标，同时给出了本文需要用到的模糊理论和遗传算 法的基础理论知识。 第三章对单交叉口的模糊控制方法进行讨论。设计了一种具有双系统结构的 模糊控制方法，对反映路口交通状态的控制器输入参数进行了分析。提出了一种 相位自适应选择方法。在模糊控制器的基础上，讨论了利用g a 优化模糊隶属度 函数的算法，详细阐述了约束条件的处理方法。设计了动态自适应的交叉、变异 概率，以及编码、选择操作等细节问题。最后，通过仿真实验来比较分析定时控 制、模糊控制和采用g a 优化隶属度函数的模糊控制三者的控制效果。 第四章对区域多交叉日协调控制方法进行了讨论。首先分析了传统的集中协 调控制的不足，在此基础上提出了一种分散控制的思想，设计了一个具有多级分 块结构的多路口协调模糊控制器，介绍了利用g a 优化模糊隶属度函数的方法。 最后将单点模糊控制与协调模糊控制进行了对比仿真实验，证明了本文方法的有 效性。 第五章介绍了笔者参与设计开发的城市交通信号智能控制系统。给出系统的 总体设计思路，重点介绍了系统的总体结构、数据管理、通信方式、控制策略， 描述了各个模块的功能，并就本文设计的信号优化方法在该系统中的实现作了讨 论。最后，介绍了本系统中可扩展通信协议的设计以及通信模块的具体实现。 第二章相关理论介绍 2 1 交通信号控制基础知识 城市交通信号控制【4 5 , 1 8 - , 1 9 1 就是通过对交叉路口各方向车流放行的组合方 式、放行顺序以及放行的持续时间进行有效控制，使得车辆能够高效地驶离路口。 达到疏导交通、改善交通拥塞程度的目的。我国的交通信号控制理论研究还刚刚 起步，尚未形成完整的体系，有关交通控制的许多理论正在研究之中。下面先对 交通信号控制中涉及到的一些的相关内容做简单介绍。 2 1 i 基本概念 相位；相位是指交叉路1 2 1 在某个方向上的交通流( 或几个方向上的交通流的 组合) 同时得到的通行权或被分配得到这些通行权的时间带。对于一个交叉路1 2 1 ， 根据实际情况可以设计为两相、三相、四相，六相甚至八相。图2 1 显示了一个 四相位车流分布图。一个信号周期中，有几个信号相位，则称该信号系统为几相 位信号系统。显然，相位越多，交通的安全性越好，但交叉口的利用率越低。 jljlj jl j ll = = = = 一 厂 r r 厂 第1 相位第2 相位第3 相位第4 相位 图2 1 相位示意图 周期：周期是指信号灯绿、黄、红显示一次所需的时间，即各种灯色显示时 间之总和t 或是从某主要相位的绿灯启亮开始到下次该绿灯再次启亮之间的一段 时间，以秒为单位。 绿灯时间：绿灯相位所持续的时间，以秒为单位。 有效绿灯时间：在给定相位中，获得通行权的车辆能够有效利用的时间。它 等于绿灯时间加上转换间隔( 黄灯时间) 再减去损失时间。以秒为单位。 绿信比：有效绿灯时间与周期时长之比。 有效红灯时问；有效地禁止车辆行驶所持续的时间。以秒为单位，它等于周 期时长减去规定相位的有效绿灯时间。 相位差：也称时差或起步时距。相位差是针对两个信号交叉1 ：3 而言，是指两 个相邻交叉1 3 它们同一相位绿灯( 或红灯) 开始时间之差。分绝对时差和相对时 差。绝对时差是指各个信号的绿( 红) 灯起点对于某一个标准信号绿( 红) 灯起点的 时间之差；相对时差是指相邻两信号的绿( 红) 灯起点之间的时间之差。相对时差 等于两个信号绝对时差之差。相位差是系统联动控制中的一个重要参数，当对二- 条干线上的交通流或一个网络内的交通流进行控制时，通过调节各个路口的相位 差，可以使一串路口的信号灯形成绿波带，车辆通过这些交叉口时畅通无阻。 延误：车辆的实际行驶时间与期望行驶时间之差。 进口道饱和流量；进口道饱和流量指在一次连续的绿灯时间内，交叉口进口 道上车队能够连续通过停车线折算为当量小车的最多车辆数。饱和流量的影响因 素较多，在实际信号设计中取定值。 通行能力：在信号控制交叉口，车辆只能在有效绿灯时间内通过停车线，因 此，信号控制交叉口一侧进口道上的通行能力q 为： q = j g c ( 2 一1 ) 式中：q 一通行能力( v e h h ) ； g _ - 有效绿灯时间； r 周期时间； r 饱和流量。 饱和度：是指进口道实际到达交通量同该进口道通行能力之比，即： x = q q ( 2 2 ) 每一个相位包含的所有进口道饱和度最大值称为该相位的饱和度，而交叉口 饱和度最大的相位所达到的饱和度值为该交叉口的饱和度。 平均车头时距；平均车头时距是指同一车道、同一方向的一列车队连续行驶 时前后两相邻车的车头通过某一断面的平均时间间隔。如果平均车头时距用h 表示( 秒辆) ，车道饱和流量用兄表示，则车队通过交叉路1 3 停车线时的平均车头 时距可表示为饱和流量的倒数，即； h = 1 兄( 2 3 ) 2 1 2 信号控制类型 城市交通信号控制有多种方式，其分类也有很多种。在此考虑到选择控制方 式的方便性，将其按控制范围分为以下几种： ( 1 ) 单点控制( 点控) ：点控方式是指道路交叉口的信号灯各自互相不相关 的独立运行的方式。点控方式适用于相邻路口间距离较远，线控无多大效果或者 因各相位交通需求变动显著，其交叉1 3 的周期长和绿号比的独立控制比线控更有 效的情况。单点控制情况下可以使用多种控制方式，包括定时控制、感应控制、 自适应优化控制等。 ( 2 ) 干线协调控制( 线控) ：线控也称绿波控制。我们知道交通流具有连续 运动的特点，若交通干线上几个距离较近的交叉口其控制信号不相关时，从上游 驶出的车辆又可能在下游又遇红灯这种交叉口之间各自为政的孤立控制方式难 免造成频繁停车，控制效果不佳。这时若把这些交叉口的信号机在时间上联接起 来进行协调控制，则可以形成一条绿波带，减少了干线上车辆的停车次数和行车 延误。线控的主要特点是对几个信号设定共同的周期长和相对的相位差。线控适 用于交叉口间距离较小，交通干线流量较大的情况，因为这时车流不会离散，控 制效果好。 线控按控制的时间基准分为同时式线控、优先式线控和交互式线控；按有无 连接电缆分为有缆线控和无缆线控；按控制策略分为固定周期控制、方案选择式 感应控制、方案生成式感应控制。 线控根据控制目标的不同而有相应的信号配时算法，比较有代表性的有最大 绿波算法m d w b ，最小化总延误和停车次数算法m i n d s 。 ( 3 ) 区域协调控制( 面控) ；区域交通信号控制的对象是城市或某个区域中 所有交叉口的交通信号。随着计算机、计算方法、自动控制、车辆检测技术的发 展，人们研究把个城市区域内所有交叉口的交通信号联起来综合加以协调控制， 以使得区域内的各个车辆在通过某些交叉口时所产生的总损失( 包括延误、停车 次数、油耗等) 最小或使区域内交通网络的通行能力最大。在这种控制方式下。 交通信号机将交通量数据实时地通过通信网传至上位机，上位机根据路网上交通 量的实时变化情况，按一定时段间隔不断调整正在执行的配时方案。通过这种控 制方式，容易实现路网交叉口的统一调度与管理，上位计算机同时控制一个城市 区域中的数十个交叉路口。实现区域中交叉口之间的统一协调管理，提高路网运 行效率。 2 1 3 交通效益评价指标 评价交叉口效益的指标一般有延误时间、平均排队长度、通行能力或饱和度、 平均停车次数及油耗等。 延误时间包括平均延误和总延误两个评价尺度。对与一个交叉口，假定车辆 到达服从均匀分布。如果我们着眼于一条停车线，在非饱和情况下，交叉口一个 周期内的总延误d 的表达式为： d ：蜓：堡壁一( 2 4 ) 2 ( s g ) 2 0 - a ) 每辆驶入车辆的平均延误是； 孑；旦：壁：尘逆c( 2 5 ) q c2 c ( 1 - 2 ( 1 一d 式中个参数分别表示： s ：饱和流量，v e h s ： a ：流量比，名= q s ； r 红灯时间( 包括损失时间) ； c ：周期长度； u ：绿信比，g = c c = ( c - - r ) c 。 如果车辆到达服从泊松分布，则平均车辆延误还需要考虑车辆随机到达延 误： 孑：( 1 - u ) 2c + !( 2 6 ) 2 ( 1 一五)2 q ( 1 一r ) 其中，x = q a u = l l u 。 平均排队长度是指在信号一个周期内各条车道排队的最长长度平均值。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。平均排队长度以周 期为单位计算。某个周期平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。 平均停车次数是指车辆在交叉口区域由于交通信号的约束停车、再起动的次 数。起停次数不仅与控制参数密切相关( 尤其在线控系统，起停次数对相位差极 为敏感) ，也是衡量饱和程度的指标之一。 通行能力是指在一定时问内通过某交叉口所有进口道停车线车辆数之和。交 叉口的通行能力不仅与控制策略有关，还与实际道路条件( 包括引道宽度、车道 数、转弯半径、转弯长度、引道坡度) 和交通条件( 车流量、车辆种类、拐弯车比 例、车速、非机动车和行人干扰、车道功能划分等) 密切相关。通行能力是交叉 口饱和程度的重要评价指标。 需要指出的是，在一个控制系统中，这些评价指标并不能同时到达最好。例 如要提高通行能力和减少起停次数，就必须加大信号周期，但是信号周期超过最 优周期，车辆延误就必然会增加。所以进行信号控制时，可以根据车流检测装置 检测到的实际交通流状况合理选择其中一个或几个综合考虑。 2 2 模糊控制概述 1 9 6 5 年美国的l a z a d e h 教授首先提出了模糊集合理论 2 0 - 篮l ，即对于每一 个元素石j ，存在一个值( 石) e f o ，1 】，表示在给定论域上z 属于集合z 的程度， 称为隶属度。而模糊控制是模糊集合理论应用的一个重要方面。2 0 世纪7 0 年代， 英国学者m a m d a n i 和a s s i l i a a 创立了模糊控制器的基本框架，并将模糊控制器 用于控制蒸汽机。这一开拓性的工作标志着模糊控制理论和技术的诞生。1 9 8 5 年在贝尔实验室首先开发出实现模糊推理功能的芯片，从而促进了用硬件实现的 模糊控制器的发展，给模糊控制带来了新的生气。从此，模糊理论及其技术应用 取得了很大的发展，并且在自然科学和社会科学的各个领域得到了广泛的应用。 模糊控制的基础是模糊逻辑，而模糊逻辑是通过模仿人的思维方式表示和分 析不确定、不精确信息的方法和工具。其控制中的每一个特性的输入都对应一个 实际的输出，并且这个输出值是完全可以预测的。因此，模糊逻辑本身并不模糊， 模糊逻辑并不是“模糊的”逻辑，而是对“模糊”进行处理，以达到控制目的。实际 上，模糊逻辑是一种精确解决不精确、不完全信息的一种方法，其最大特点是用 它可以比较自然的处理人的概念。如果进行经典控制与模糊逻辑控制两种方法的 对比，就可以发现，经典控制为了建模简化了实际情况，被简化的部分在控制中 未加考虑或者另加补偿，所以经典控制表面上看是精确控制，而实际上是简化控 制，只有在数学模型与实际情况比较相符时才比较精确，模糊控制则把经典控制 中被简化的部分也结合起来考虑，由于控制过程是非线性的，而且复杂渐变，看 似模糊，对实际控制过程面言却可能比经典控制更精确。 模糊控制有一些明显特点： 1 模糊控制器不依赖于被控对象的精确数学模型，易于对不确定性系统进 行控制。 2 模糊控制器适宜于控制较为理想的非线性控制器，是一种语言控制器。 3 模糊控制器鲁棒性能好。模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线 性的，都能进行有效的控制，具有良好的鲁棒性和适应性。 2 2 1 模糊控制系统的组成 所谓