（交通信息工程及控制专业论文）基于PLC的智能交通控制系统的设计与实现.pdf

摘要 城市道路交通智能控制技术是当前控制领域和交通工程领域的研究热点之一，由 于交通控制具有较强的非线性、不确定性，用传统的理论与方法很难对其进行有效控制。 模糊控制是一种不依赖模型的智能控制方法，通过模拟人的思维和经验进行控制，是一 种前景广阔的城市智能交通控制方式。 本文以标准的单交叉路口作为研究对象，提出了定时控制和模糊控制相结合的智 能交通控制方法。在菲高峰状态下对交叉路口进行模糊控制，高峰时期采用定时控制。 通过研究和设计相应的控制规则库以及推理单元完成了模糊算法的设计，运用 m a t a l b 软件的s i m u l i n k 工具箱和模糊逻辑工具箱完成了对模糊控制的仿真，并在 v b 环境下完成了模糊控制算法的程序开发。这种模糊控制和定时控制相结合的控制方 法，发挥了传统定时控制的优势，克服了模糊控制在高峰时期控制效果不佳的状念。 本文的后半部分选择用o m r o n 公司的p l c 作为单交叉路口交通控制的控制主 体，采用m i c r o s o f t 公司推出的可视化编程工具v i s u a lb a s i c6 0 开发了上位机监控软件， 并用微软公司的m s c o m m 通信控件通过串口发送控制系统的控制信息到p l c ，达到 对单交叉路口的交通控制，实现了本文设计思想，完成了基于单交叉路口的整套智能交 通控制系统的设计。 关键词：单交叉口，模糊控制，智能控制，可编程控制器，串口通讯 a b s t r a c t u r b a nr o a dt r a f f i ci n t e l l i g e n c ec o n t r o lt e c h n o l o g yi so n eo ft h er e s e a r c hf o c u s e si nb o t h p r e s e n tc o n t r o lf i e l da n dt r a f f i ce n g i n e e r i n gf i e l d f o rt r a f f i cc o n t r o lh a sr e l a t i v e l yo b v i o u s c h a r a c t e r so fn o n l i n e a r i t ya n du n c e r t a i n t y ，i ti sd i f f i c u l tt oc o n d u c tt r a f f i cb yt r a d i t i o n a l t h e o r i e sa n dm e t h o d s f u z z yc o n t r o li sam o d e l e s si n t e l l i g e n c ec o n t r o lm e t h o d i tm e e t st h e r e a l t i m et r a f f i cc o n t r o lr e q u i r e m e n tb yc o m b i n i n gh u m a nt h i n k i n ga n de x p e r i e n c e s i ti sa p r o s p e r o u su r b a nt r a f f i cc o n t r o lm e t h o d i nt h i sp a p e r ，s t a n d a r ds i n g l ei n t e r s e c t i o ni ss e ta st h es t u d yo b j e c to fc o n t r o ls y s t e m t h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o lm e t h o dc o m b i n i n gt i m i n gc o n t r o la n df u z z yc o n t r o li sp u tf o r w a r d f u z z yc o n t r o la n dt i m i n gc o n t r o li su s e dt oc o n t r o lt h ei n t e r s e c t i o nu n d e rn o n r u s ha n dr u s h c o n d i t i o nr e s p e c t i v e l y f u z z ya r i t h m e t i ci sc o n s t r u c t e db ys t u d ya n dd e s i g no ft h er e s p o n d i n g c o n t r o lr u l eb a s ea n dr e a s o n i n gu n i t t h es i m u l a t i o no ff u z z yc o n t r o li sa c c o m p l i s h e db yt h e u s eo fs i m u l i n ka n df u z z yl o g i ct o o lb o x e so fm a t a l bs o f t w a r e ，f u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mp r o g r a mi sc o m p l e t e du n d e r v bc o n d i t i o n t h i sc o m b i n a t i o no ft i m i n gc o n t r o la n d f u z z yc o n t r o lm a k e sf u l l u s eo ft h ea d v a n t a g eo ft i m i n gc o n t r o lw h i l ea v o i d i n gt h e u n s a t i s f y i n ge f f e c to ff u z z y c o n t r o ld u r i n gr u s hh o u r i nt h el a t t e rp a r to ft h i sp a p e r ，o m r o nc o m p a n y sp l ci sm a d et h em a i nt r a f f i c c o n t r o ls u b j e c to fs i n g l ei n t e r s e c t i o n u p - c o m p u t e rs u p e r v i s i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e db y a d o p t i o no fm i c r o s o f tc o m p a n y sv i s i b l ep r o g r a m m i n gt o o lv i s u a lb a s i c6 0 t h et r a f f i c c o n t r o lo fs i n g l ei n t e r s e c t i o ni sr e a l i z e db ym i c r o s o f tc o m p a n y sm s c o m mt h r o u g h s e n d i n g c o n t r o ls y s t e m si n f o r m a t i o nt op l c t h u st h ep a p e r sd e s i g ni d e ai sr e a l i z e da n dt h ed e s i g n o faw h o l ei n t e l l i g e n c et r a f f i cc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns i n g l ei n t e r s e c t i o ni sc o m p l e t e d k e yw o r d s ：s i n g l ei n t e r s e c t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，p l c ，s e r i a c o m m u n i c a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：屈砒 u 一一一 1 论文知识产权权属声明 年6 月箩日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 扣司年月f 日 五哆年么月乡e l i j = = 安人学硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 城市交通系统是社会经济的“血液循环系统”，是衡量一个城市文明进步的 标志，随着社会经济的不断发展和城市规模不断膨胀，城市的经济贸易和社会活 动日益繁忙，交通量持续增长，使得交通拥挤和阻塞现象越来越突出，城市交通 问题越来越严重，城市交通问题成为我国严重的城市病之一，影响着城市功能的 正常发挥和城市的持续化发展，如果我们不及早采取综合措施加以治理，则城市 交通必将成为影响我国经济发展和城市功能发挥的瓶颈。 解决城市交通问题的根本途径有两条，一是加快道路设施规划建设，健全城 市道路网络体系，这种方法是一种外延型的发展途径。诚然道路设旌是发展城市 交通、满足各种交通需求的物质载体，但受到道路建设资金和城市土地空间的限 制，因此，我们除了要保证每年有一定资金用于道路建设外，更重要的是采取其 他投资少见效快的方法，第二种解决城市交通问题的途径是采用先进的科学技 术，对城市交通进行现代化的管理与控制，提高现有道路的通行能力，这种方法 是一种内涵的方法，加强交通管理与控制是目前公认的效益显著、投资少的方法。 从英、美、澳等国所走过的道路及所采用的方法可以看出，传统的预测控制 方法似乎不是今后的研究方向。智能控制可能是解决城市交通控制问题的有效途 径，应是今后重点研究的对象。 目前，城市交通控制系统的研究热点主要有三个方面： ( 1 ) 在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； ( 3 ) 在智能交通系统的总体框架下，围绕城市道路交通智能控制系统与其它 城市交通管理系统之间的全方位集成。 上述三方面的热点从某种程度上反映了现代城市交通控制系统试图走出困 境的三条途径。 智能化和集成化是城市道路交通控制系统的发展趋势和研究前沿，因此，研 究基于智能集成的城市道路交通控制系统具有相当的学术价值和实用价值。 第一章绪论 本论文通过采用模糊控制技术和传统的定时控制相结合的方法，来研究城市 交通控制，从而试图解决目前城市交通控制中存在的一些问题。 1 1 1 国外典型城市交通信号控制系统介绍 随着计算机和自动控制技术的发展、以及交通流理论的不断完善，交通运输 组织与优化理论技术水平的不断提高，交通管制的功能得到增强，控制手段越来 越先进，形成了一批高水平有实效的城市道路交通控制系统 当前世界各国广泛使用的最有代表性且有成效的交通控制系统有t r a n s y t 系统、s c a t s 系统和s c o o t 系统。下面一一进行介绍。 英国的t r a n s y t 系统 t r a n s y t ( t r a f f i cn e t w o r ks t u d yt 0 0 1 ) 系统是当今世界上最负盛名的信号 配时优化设计程序。其最初版本是由英国道路运输研究所于1 9 6 8 年研制成功的， t r a n s y t 系统是一种脱机操作的定时控制系统，系统主要由仿真模型和优化模型 两部分组成，自从1 9 6 8 年问世以来，随着交通工程的实践，得到了不断的改进 和完善，已经发展为先进的t r a n s y t - 8 。 t r a n s y t 系统主要的技术特征有： ( 1 ) 控制模式：静态模式，即脱机时预测确定控制参数，再上机调试。 ( 2 ) 系统目标：平均延误时间、停车次数、排队长度最小。常将“车辆延误时 间”和“停车次数”折合成运行费用( p i ) ，以运行费用最小为优化目标。 ( 3 ) 参数优化特征：绿信比与相位差是通过建立数学模型计算的，即是优化确 定的，周期不参加优化，只是从给定的数值中通过试探法找到性能指标最优的目 标周期，也就是选择确定。 ( 4 ) 优化方法：瞎子爬山法 t r a n s y t 系统的不足在于： ( 1 ) t r a n s y t 系统的计算量太大，当路网太大时，这一问题更加突出。 ( 2 ) t r a n s y t 系统的优化问题本质上是一个非凸的数学规划问题，如何找出 全局最优解理论上还没彻底解决，现在仍在不断探索中。 ( 3 ) 作为离线优化方法，t r a n s y t 系统需要大量的网络几何尺寸和交通流信 息，而这些数据的采集，需要花大量的人力及时间。随着城市的发展，这些交通 2 k 安人学硕+ 学位论文 数据往往会过时，此时会降低t r a n s y t 系统的使用效果。数据更新问题极大地限 制了t r a n s y t 系统的实际应用。 澳大利亚的s c a t s 系统 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 iv et r a f f i cs y s t e m ) 是由澳大利亚新南 威尔士道路和交通局( r t a ) 于2 0 世纪7 0 年代末研制成功的，从1 9 8 0 年起陆续在 悉尼等城市安装使用。s c a t s 是一种分层递阶控制方式，主要的技术特征有： ( 1 ) 控制模式：地区级、联机、中央级、联机与脱机同时进行。 ( 2 ) 系统目标：类饱和度最大( 车辆有效利用绿灯时间与绿灯显示时间之比) 和通过带最宽。 ( 3 ) 参数优化特征：根据最大周期类饱和度值确定下一周期的参数，从事先准 备好的4 种绿信比方案中以“投票”方式选出下一周期的绿信比，选中依据是类 饱和度最小：相位差是根据通过带的宽度比较选择得出。 s c a t s 系统的特点。 检测器安装在停车线处，不需要建立交通模型，因此，其控制不是基于模型 的；周期、绿信比和相位差的优化是在预先确定的多个方案中，根据实测类饱和 度挑选一个；具有局部车辆感应控制的功能；每个周期都可以改变周期时间；可 以自动划分控制子区。s c a t s 系统的不足是：s c a t s 系统的未使用交通模型，本 质上是一种实时方案选择系统，因而限制了配时方案的优化程度；由于检测器安 装在停车线附近，难以检测车队的行进，故相位差的优选可靠性较差。 英国的s c o o t 系统 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 ) 系统是2 0 世纪7 0 年代 初，英国运输和道路研究所与3 家公司在t r a n s y t 基础上研制出的一种自适 应控制系统，其主要技术特征有： ( 1 ) 控制模式：联机实时控制，即动态控制。 ( 2 ) 系统目标：车辆延误时间和停车次数最小。 ( 3 ) 参数优化特征：周期、绿信比和相位差均通过建立优化模型计算得到。 ( 4 ) 优化方法：小步长渐进寻优法。 s c o o t 系统的特点： 第一章绪论 ( 1 ) 具有一个灵活的、比较准确的实时交通模型，不仅可以制定信号配时方 案，还可以提供各种信息，诸如延误、停车和阻塞数据，为交通管理和交通规划 服务 ( 2 ) 只对下一周期的交通条件作出预测，并对预测的结果进行控制，大大提 高了预测的准确性和控制的有效性。 ( 3 ) 在信号参数优化调整方面，它采用频繁的小增量形式一方面避免了信号 参数的突变给受控路网内的运行车辆带来的延误损失；另一方面由于频繁调整产 生的配时参数的累加增大，又可以与交通条件的较大变化相匹配。 ( 4 ) 它的车辆检测器埋在上游交叉口处，为下游交叉口信号配时的优化调 整提供了充足的时间，同时，又可以预防车队阻塞到上游交叉口一在这种危险出 现之前采取措施予以防范。 ( 5 ) 具有鉴别检测器运行状况的能力，一旦检测器出现故障，能及时作出 相应的决定，以减少检测器故障对系统的影响。 s c o o t 系统的不足是：交通模型的建立需要大量的路网几何尺寸和交通流 数据，因而费时费力；绿信比的优化依赖于对饱和度的估算，并且以小步长变化 对其进行调整，因此有可能不足以及时响应每个周期的交通需求；信号相位不能 自动增减，相序不能自动改变；控制子区的自动化分问题尚未解决；饱和流率的 校准需自动化。 1 1 2 国内城市交通信号控制系统的现状 我国在交通信号控制系统开发与应用方面起步较晚，1 9 7 3 年开始进行单点 信号机的研制，1 9 8 5 年在北京“前三门大街”实现城市交通线控系统控制。作 为“七五”国家重大攻关项口，南京市在同济大学的协助下开发了一套国产智能 化交通信号控制系统，由于种种原因，一些重要功能如实时自适应配时等没有使 用。天津大学1 9 8 9 1 9 9 1 年研究开发的城市交通控制系统t i c s ( t r a f f i c i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m ) 首次成功地把自学习智能原理应用于交通信号控制系 统中。吉林大学于2 0 0 0 2 0 0 2 年在杨兆升教授主持下研究开发了适合我国城市混 合交通特点的自适应信号控制系统及其软件一混合交通自适应信号控制系统，该 系统纳入了对自行车交通流量的检测，在进行信号配时优化时考虑自行车流量对 4 k 安人学硕十学位论文 配时方案的影响，并在实际工程应用，取得了良好的应用效果。 1 2 基于模糊逻辑的城市交通控制研究 z a d e h 提出的模糊集理论对解决复杂过程中不确定性的问题提供了一个很好 的概念框架，它对那些人们只能进行粗糙近似的过程的建模和分析提供了强大的 概念基础，因而能在一定范围内利用人工经验进行决策。城市交通控制具有十分 复杂的特性，同时又在长期的实践中积累了大量的人工控制经验，因而十分适合 模糊控制方法的应用。 自p a p p i s 于1 9 7 7 年首先将模糊逻辑概念应用到城域交叉路口控制领域以 来，城域交叉路口的交通控制就一直是模糊控制研究与应用的对象。经过二十多 年的研究，基于模糊逻辑的城域交通控制己经取得了很大的发展，在内容和手段 上也出现了许多新的变化。 基于模糊逻辑的城域交通控制最基本的研究对象是单交叉口或简单的交叉 口组，模糊规则和隶属度函数一般采用试探的方式确定，试图以较简单的模糊控 制模型来解决复杂的城域交通控制问题。其研究思路基本上可以概括为如下的表 达式： e = f ( s ，c ，p )( 1 1 ) 其中，f 为模糊系统的映射关系，e 为系统输出矢量，可以是绿信延长时间，相 位差，信号周期长等控制信号。s ，c 均为系统输入矢量，s 为交通状况判断参 数，如排队长，交叉路口总的车流量，平均车速等等，c 则为系统设计中的其它 控制参数，例如在多控制器中与其它控制器的接口参数。p 为模糊系统的结构参 数，例如模糊规则和模糊隶属度函数等。 p a p p i s 的研究对象是一个孤立、单向、无转弯车流的交叉路口模型，控制系 统设计为基于绿信调整次数的模糊决策系统。模糊控制系统的输入是交叉路口假 定的绿信延长时间e ( e x t e n t i o n ) ，绿信延长时间e 内的通行车辆数a ( a r r i v a l s ) 和排队等待通行的车辆数q ( q u e u e ) ，输出是交叉路口绿信延长时间e 的信任度。 模糊决策系统比较这些绿信延长时间的“信任度”，并且采用那个有最大“信任 度”的绿信延长时间，但是如果没有一个延时的“信任度”大于0 5 ，则马上 第一章绪论 结束现在的绿信。这个过程一直重复，直到最后的允许最大绿信时间。整个模糊 决策过程可用下式描述： max = f ( e ，a ，q ，n ) ( 1 2 ) f 其中，f 表示模糊决策系统的映射关系，e = i s ，2 s ，1 0 s ， n = 7 s ，1 7 s ， 2 7 s ，3 7 s ，4 7 s 。 在p a p p i s 之后，很多研究者在其工作基础上做了迸一步拓展，并且在与定 时控制或感应式控制进行系统性能比较时，在平均等待时间性能指标上都得出了 更为优越的乐观结果。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：增加研究对象的复杂度，如加入转向交通流，扩展到多个交叉路口构成的交 叉口组等；改进系统的输入输出参数，采用不同的方式描述系统的交通状况和不 同的控制策略。 n a k a t s u y a m a 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。c h i u 将模糊控制应用于一般的无转向运动的双向多交叉口的交通 网络。系统采用高度分布式的结构，每个交叉路口利用本地采集来的交通数据自 行调节其模糊控制器周期长，绿信比和相位差。每个交叉口采用相同的模糊规则 来进行对周期长，绿信比和相位差进行调整，其中相位差参数的调节要和上游交 叉路口的交通状况配合起来最小化主交通流方向上的停车次数。后来又进一步将 调节周期时间和绿信比参数的模糊规则联合在一起避免参数冲突，实际是设计了 一个双输入双输出的模糊决策系统。徐东玲等采用神经网络实现单交叉路口的模 糊控制，这种控制方法利用了神经网络响应快的特点，适合对实时要求高，系统 状态变化快的场合应用。但它仅仅采用了排队等待车辆数作为输入，对实际交叉 路口的状态描述还不完善。陈洪等提出，对于一个两相位的孤立交叉口，模糊控 制系统不仅仅考虑关键车流的交通参数，还考虑非关键车流的交通参数，并将非 关键车流建立单独的模糊控制器，慧英构造的模糊控制系统的输入为某一相位的 红信时间长和红信相位方向上的等待车辆数。刘智勇将模糊控制应用到多相位系 统，以当前相位的排队车辆数和下一相位的排队车辆数作为系统输入，输出为当 前绿信方向绿延时。q i n g h u il i n 利用模糊系统去近似模拟一个孤立交叉口的最 6 k 交人! 学硕十学位论文 优配时方案，这样可以克服传统优化配时方案的时耗过大的缺点，又可以让模糊 控制系统达到近似优化的效果。 目前，模糊控制己成为智能自动化控制研究中最为活跃而又富有成果的领 域之一，并为世界科学家所瞩目。大量的模糊技术产品已经在工业及民用方面中 得到应用。例如1 9 8 6 年，模糊控制器在日本就己经成为商品。1 9 8 7 年，基于模 糊控制的仙台地铁歼通，而后，各种家电的模糊产品相继研制成功并投入市场。 1 3 课题研究的意义 1 、理论意义 深入研究了交通信号控制理论，探讨模糊控制和和定时控制相结合的控制方 法，并通过应用在工业上应用成熟的可编程控制器，实现了本文的设计思想，对 实现区域控制有一定的借鉴意义。 2 、实际应用价值 城市交通管理在交通运输系统有着举足轻重的作用。高速发展的经济，落后 的交通设施和管理手段，使得我国城市交通管理工作面临严峻的挑战。根据我国 城市中机动车数量逐年增加、交通秩序r 趋恶化、出行时间延长、交通事故呈逐 年上升趋势的实际情况，充分发挥现有路网的效率，缓解城市交通拥挤堵塞，依 靠科技进步开发智能交通控制系统是一种投入少、见效快的有效途径。该系统的 实施能最大限度地利用城市己有的交通设施，提高路网的利用率，有效的控制城 市交通状况，减少交通拥挤，减少环境污染，提高经济效益具有重要的意义；同 时对我国智能运输系统i t s 的研究和发展也具有重要的意义 1 4 本文研究的内容 第一章为综述部分。首先概要地阐述了城市道路交通控制的重要性，接着对 国内外传统的城市交通信号控制系统进行阐述，总结了国外典型交通信号控制系 统的特点，国内交通控制系统研究的现状，详细讲述了模糊控制在交通控制方面 发展的状况。 第二章和第三章为理论部分。本文的智能交通控制系统的理论基础是城市交 通信号控制的基本理论、模糊控制理论和定时控制理论，在第二章介绍了城市交 7 第一章绪论 通信号控制的基本理论，第三章根据人对多相位交叉口交通指挥的决策过程，提 出了定时控制和模糊控制相结合智能交通控制方法，设计了一个两输入单输出的 绿延时模糊控制器，模糊控制器以当前相位的延误车辆排队长度d 及下一相位 等待车辆排队长度w 为输入，根据模糊控制算法，得出当前通行相位的绿延时 t ，绿延时t 作为模糊模糊控制器的输出。 第四章和第五章为实现篇。首先介绍了可编程控制器的基础知识，接着介绍 了基于可编程控制器技术的智能控制系统的整体硬件结构，描述了系统中各个相 关设备模块的功能，第五章分上位机和下位机两部分介绍了智能交通控制系统具 体实现，详细介绍了定时控制部分和模糊控制部分的实现流程，下位机和上位机 的通讯方式选择，上位机监控软件的实现方式，主要界面和各个界面的功能， 第六章为结束语部分。对全文进行了总结，并指出了城市道路交通智能控制 技术下一步的研究方向和内容。 8 k 安人学坝i j 学位论文 第二章城市交通信号控制的基本理论 由于论文中所涉及的城市道路交通控制主要是指道路交叉口的信号灯控制， 本章将主要介绍道路交通控制方面的一些理论知识。 2 1 交通信号控制的基本参数 为便于论文的叙述，本节简单介绍交通信号控制的基本术语。 信号周期：用于指挥交通的信号总是一步一步循环变化的，一个循环由有限 个步构成。一个循环内各步的步长之和称为信号周期，以c 表示。若一个循环 有n 步，各步步长分别为t 1 ，t 2 ，t n ，则 c = t 1 + t 2 + + t n ( 2 1 ) 相位：交通控制中，为了避免平面交叉口上各个方向交通流之间的冲突， 通常采用分时通行的方法，即在一个周期的某一个时间段，交叉口上某一支或几 支交通流具有通行权( 即该方向上的信号灯为绿色或绿箭头) ，而与之冲突的其它 交通流不能通行( 即该方向上的信号灯为红色) 。在一个周期内，平面交叉口上某 一支或几支交通流所获得的通行权称为信号相位。一个周期内有几个信号相位， 则称该信号系统为几相位系统。 绿信比：在一个信号周期中，各相位的有效绿灯时间与周期长度的比称为绿 信比。若设t g ；为第i 相信号的有效绿灯时间，c 为周期长度，则该相信号的绿 信比a ：为 a = t g i c ( 2 2 ) 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 比能够恰当地把绿时分配给各相位的交通流，从而使总延误或停车次数最小。 相位差：相位差是交通干线协调控制系统中的一个重要概念，分为绝对相位 差和相对相位差。交通干线协调控制系统中，干线上所有路口的信号周期相同， 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间的最小时 9 第一二章城市交通信l j 控制的堆奉理论 间差，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 小时问差，称为相对相位差。 标准车辆单位 车流中车辆的种类繁多，一般有大型的的、轻型的、重型的等等，不同类型 的车辆所占的道路面积、运行灵活性都不一样，通过停车线所用的时间也会不一 样。为了计算信号的方便，可选择一种类型的车辆作为标准车辆单位，而把其它 各种类型车辆按规定的系数折算成标准车辆单位。韦伯斯特根据英国的交通状 况，提出了采用“折算标准小客车单位“作为计算车道饱和流量的标准单位，其 建议的不同车辆的折算系数如表1 1 所示。 表1 1 不同车辆的折算系数 国内采用的折算系数略有不同。按照国内车辆的分类方法，小客车和微卡车 称成为小型车，而大卡车和拖挂车折算为标准小型车的方法如下： 1 辆大型车= 1 4 8p c u ，1 辆托挂车= 2 3 4p c u 在混合型车道上，当大型车和拖挂车比重小于或等于3 5 时，小型车基本不 受阻滞影响，则小型车就视为一辆标准小客车；若大型车和拖挂车比重大于3 5 且不大于8 5 时，则每辆小型车折算为1 1 5 辆标准小客车；若大型车和拖挂车 比重大于8 5 则每辆小型车折算1 3 5 辆标准小客车。 2 2 平面交叉口信号控制的评价指标 2 2 1 信号控制下的车辆运动过程及车辆延误 一般来讲，车辆通过交叉路口的延误时间主要受车辆到达率和交叉路口的通 行能力的影响。在交叉路口的通行能力不变的情况下，延误时间主要取决于车辆 到达率。为了分析信号控制下交叉口某一进口道的延误，不妨设车辆的到达率为 q ( p c u h ) ，同时设绿灯期间车辆的驶出率为s ( p c u h ) 。进口道周期时间可分为 1 0 k 安人学颀 ：学位论义 绿灯时f n jt 。和红灯时f e lt ，( 可理解为包括黄灯时间和损失时间) 。显然周期 c 2 f 。+ f _ 如图1 1 所示，描述了车辆到达交叉路口和驶离交叉路1 2 1 的过程( 图 中假设到达率和驶离率均为常数) 。在红灯期间，车辆的驶离率为o ，车辆排队 等待；当信号转换为绿灯时，排队车辆以s ( p c u h ) 驶出率离开交叉1 2 1 。绿灯开 启后g 。( s ) 内，队长消失。此时到达车辆以到达率q ( p c u h ) 离丌交叉路口，直 到信号灯变为红灯为i 匕。 撩 时问 图1 1车辆到达和驶离交叉路e l 的过程 在不饱和交通流的情况下，排队长度为红灯期间所到达的车辆数q t ，；而绿 灯时净驶出率为s q ，显然，队长消散所需要的时间g 。由下式计算： 9 0 r q s q t ， ( 2 3 ) s q 、。u ， 为了保证每个周期时间内排队车辆能消散，必须有g 。st ，即 = a ( 2 4 ) s乙 、。17 式中，a 为通行相位的绿信比。在满足? 的情况下，每周期内车辆的总延误 t 。等于图1 1 中阴影部分的面积，即 第一二章城市交通信l ，拎制的牡奉理论 t a - 挚+ t r ，= 焘等 每周期到达的车辆总数为c 。，因此，每辆车的平均延误为 ( 2 5 ) i t ，s 。2 丁r 了万 ( 2 6 ) 上式是由于车辆均匀到达交叉口而引起的延误，一般称为均匀延误。因为它 没有考虑车辆到达的随机性，按上式计算的平均误差偏低。有时发生的车辆密集 到达也可能使一些车辆等待整个周期。这可以理解为除了红灯期间车辆排队引起 的延误外称为随机延误，这种随机延误可以用排队理论来描述。把交通信号作为 服务台，到达的车辆作为顾客。设该排队系统的到达率服从均值为q ( p c u h ) 的 泊松分布，该排队系统的驶出率为常数s ( p c u h ) ( 即平均每辆车需1 s 小时离开 队列) ，这样，该排队系统可用m d 1 排队模型来表示。该模型中每个顾客平均 延误为 x 2 a 。丁再面 ( 2 7 ) 式中x ：0 一 九s 称为饱和度，该式被称为随机延误。将? 和? 相加得到每辆车的平均延误为 订看2q 1 + 茜2c 矗sq = 揣1+ 哥2q1 高 弦8 ， (一x )()2 ( 一ax ) (一x ) l 乙石 用上式估计的延误比实际延误的误差高5 一1 5 。韦伯斯特( w e b s t e r ) 用 蒙特卡罗模拟法进行了标定 礼器焉+志一065(qc-与-)1 2q1 x 2 ( 2 9 ) 2 (一ax 1( x 、)q k 么了， 该公式称为韦伯斯特公式，它与实际延误的误差在5 以内。实际应用表明；对 于到达率不完全服从泊松分布的情况，韦伯斯特公式也能保证足够的精度【。 2 2 2 平均排队长度 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 k 安人学硕i j 学位论文 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即 2 荟“订 ( 2 10 ) 其中：n 为车道数。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。 2 2 3 通行能力 交叉路口的通行能力是以某一进口道规定的。它是在现行的交通状况、车行 道和信号设计条件下，某一指定进口道所能通过的最大流率。观察流率的间隔时 间一般为1 5 m i n 。信号交叉口的通行能力是以饱和流率的概念为基础的。饱和流 率是指在现行道路和交通条件下，指定的进1 ：3 道或车道组能通过交叉路口最大流 率。指定的车道组或进道口的通行能力可表示为： c i2s ；( g c ( 2 1 1 ) 式中：c i 车道组或进口道i 的通行能力( 辆小时) s 一车道组或进1 2 道i 的饱和流率( 辆d , 时绿灯) ( g c i - - 车道组或进口道i 的绿信比 除了上述几个评价指标外，还有诸如旅行时间、拥挤时间、耗油量、废气 排放等其它指标。因为这些指标对评价孤立的平面交叉口来说不常用，故不一一 叙述。 1 3 第三章 ，面单交叉u 的模糊控制器设计 第三章平面单交叉口的模糊控制器设计 城市交通控制系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统。传统控制方法 ( 如最优控制、自适应控制) 都要首先建立交通流的数学模型，在此基础上推导出 某种控制算法。基于城市交通系统的复杂性和随机性，建立的数学模型一般难以 准确地描述城市交通的实际状况，而且算法复杂，在线估算量大，控制实时性差， 控制精度也不高。尤其是中国城市的交通，车辆种类繁多，兼有自行车干扰，更 是如此。因此近年来，国内外专家学者致力于开发新的交通信号灯的控制方法， 模糊控制就是新的研究方向之一。 模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，适合处理复杂系统的定性模 型，而且直接用路口车辆的实时信息进行推理、决策，从而实现信号灯的控制， 其实时性好，精度高、原理简单易掌握，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思 路，达到很好的控制效果。这是s c a t 系统和s c o o t 系统所无法达到的，因而是 一种具有广阔应用前景的方法，正在各行各业得到广泛的应用。 3 1 模糊控制基本理论 从广义上讲，模糊控制属于智能控制的范畴，是以模糊集合论、模糊语言变 量及模糊逻辑推理为基础的非线性计算机数字控制模糊控制系统与通常的计算 机数字控制系统的主要区别是采用了模糊控制器，模糊控制器是模糊控制系统的 核心，一个模糊控制系统的性能主要取决于模糊控制器的结构，所采用的模糊规 则、合成推理算法，以及模糊决策的方法等因素。模糊控制器的基本结构如图 3 1 所示： 模糊控制器主要由五部分组成： 1 、模糊化接口 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能适用于模糊控制器的求解，因此模糊 化接口，它的主要作用是将确定的输入量转换成一个模糊矢量，并用相应的模糊 集合来表示。实际系统中，观测量要做到精确是十分困难的，用模糊量表示要比 精确量表示更为确切，它能表示的信息量更大，而且随着模糊化等级总数增多和 1 4 k 安人学硕f j 学位论文 隶属度函数的确切描述，模糊量同样能反映相应的精确量与其特征。 广“一一一一一一一一一一一+ 一一一一一 i 模糊控制器 i ；一一。，一一一，j 图3 1 模糊控制器的基本结构 2 、数据库 数据库存放的是所有输入、输出的全部模糊子集的隶属度矢量值( 即在其论 域上按相应等级数离散化以后对应集合的矢量表示值) ，若论域为连续域，则为 隶属度函数，在规则推理的模糊关系方程中，向推理机提供数据。 3 、规则库 模糊控制器的规则是基于专家经验或者人工操作熟练人员长期积累的经 验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列关系词连 接而成。如i f t h e n 、e l s e 、a l s o 、a n d 、o r 等。关系词必须经过“翻译“才能将 模糊规则数值化，规则库用来存放全部模糊控制规则，在推理时为“推理机“提 供控制规则。控制规则的条数和语言变量的模糊子集划分有关。这种划分越细， 规则条数就越多，但这并不意味着规则库的知识准确度越高，还与专家知识的准 确度有关。 4 、推理机 模糊逻辑推理是不确定性推理方法之一，其基础是模糊逻辑。它是一种以模 糊判断为前提，运行模糊语言规则，推理出一个新的、近似的模糊判断结论的方 法。目前模糊推理的方法很多，但是在模糊控制器中考虑到推理时间和实时性， 通常采用推理运算较简单的方法。其中最基本的就是z a d e h 的近似推理，分正向 推理和逆向推理，正向推理常被用于模糊控制中，相当于控制器的输入已知，根 据模糊关系r 求其输出控制量；而返向推理一般用于知识工程学领域的专家系统 中。 1 5 第三章f 面单交叉u 的模糊控制器设计 5 、解模糊接口 模糊推理的结果一般都是模糊值，不能直接用来作为被控对象的控制量，需 要将其转化成一个可以被执行机构所实现的精确量。此过程称为解模糊过程，它 可以看作是模糊空间到清晰空间的一种映射。目前解模糊化较常用的方法有最大 隶属度法、中位数法、加权平均法等，最大隶属度法是在推理结论的模糊集合中， 取隶属度最大的那个元素作为输出量。最大隶属度法的优点是能够突出主要信 息，而且计算简单，可以用于性能要求较一般的模糊控制器中。本文的解模糊化 采用的就是最大隶属度法。 3 2 模糊控制系统的优点 与传统的控制方法相比，模糊控制系统由以下优点： ( 1 ) 糊控制系统不依赖于系统精确的数学模型，特别适宜于复杂系统( 或 过程) 与模糊性对象等采用，因为它们的精确数学模型很难建立或根本无法找到。 ( 2 ) 模糊控制中的知识表示、模糊规则和合成推理是基于专家知识或熟练 操作者的成熟经验，并通过学习可不断更新，因此它具有智能性和学习性。 ( 3 ) 模糊控制系统的核心是模糊控制器。而模糊控制器均以计算机( 微机、 单片机) 为主体，因此它兼有计算机控制系统的特点，如具有数字控制的精确性 与软件编程的柔软性等。 ( 4 ) 模糊控制系统的人一机界面具有一定成度的友好性，它对于有一定操作 经验的而对控制理论并不熟悉工作人员来说，很容易掌握和学会，并易于使用“语 言 进行人机对话，更好的为操作者提供控制信息。 3 3 定时控制与模糊控制相结合的智能控制方案 本文的控制对象为一个标准的十字路口，四个方向均有车辆通过，而且各个 方向的车辆有专用车道，采用四相位控制，这种四相位控制方式消除了直行车和 对面左转车的冲突，既减少了绿灯方向上左转车和直行车在冲突点附近由于避车 而损失的绿灯时间，也提高了行车安全。四相位信号控制示意图见图3 2 所示 k 立人学硕i j 学位论文 j ll 相位： i 卜厂 1 厂 相位3 相位4 图3 2四相位信号控制示意图 在刘智勇工作的基础上继续采用队长作为通行相位绿灯延时的衡量标准，在 左转和直行两个车道上设置检测器，根据检测算法可以得到某车道的排队长度。 在交通控制中，一般来说，当队长较短时，信号周期则应短一些，但一般不能小 于nx 1 5 s ( n 为相位数) ，以免某一方向的绿灯时间小于1 5 s 使车辆来不及通过 路口而影响交通安全；当车队较长时，信号周期则应长一些，但一般不能超过 2 0 0 s ，否则某一相位的红灯时l 日j 太长，驾驶员心理上不能忍受，容易发生闯红灯 现象。当队长很短时，一般按最小周期运行；当队长很长时，只能按最大周期控 制，此时车辆堵塞现象已不可避免。另外，李江指出：在各个相位交通量都比较 大( 如每天的高峰期) ，采用定时控制是一种比较经济的选择，本文据此提出定时 控制和模糊控制相结合的信号控制方案：开始进行模糊控制，同时检测各迸道口 车队长度，若相邻三个周期内各相位八个进口道的车队长度语言值有五个以下进 口道的车队长度语言值小于或等于8 ，则继续进行模糊控制，否则转为定时控制， 在定时控制的同时还要监测各进口道的车队长度的语言值；若连续三个周期 之内不满足定时控制的条件，证明已经过了交通高峰期，就可以恢复到模糊控制。 3 3 1 单交叉路口智能控制器的控制算法 单个交叉路口信号的控制采用定时控制和模糊控制相结合的方法，具体控制 算法如下： 步骤1 1 ：从相位i 开始，进行模糊控制，分别制定各相位的最短绿灯时间 1 7 l e 厂l - 气 卜 i彩彩辂露彩竹阻 相 i 第三章r 面单交叉u 的模糊控制器设汁 0 。；。= 所和最大绿灯时间t g 。= m ； 步骤1 2 ：先给i 相位以最短的绿灯i 对i n j t 鲥= f 。；。= 肌； 步骤1 3 ：在州。内测得放行相位滞留的车队长度及下相位的等待车辆 的车队长度，分别为d 和w ； 步骤1 4 ：若相邻三个周期内各相位八个进口道的车队长度的语言值有五个 以下进e 1 道的车队长度的语言值小于或等于8 ，则继续进行模糊 控制，否则转到步2 ： 步骤1 5 ： 根据d 和w 值的大小来确定绿灯延长时间a t 。，若 t 州。+ a t lm g 。= m ，则a t l = m - t 胛i n ，转入下一相位，转到步 1 2 ；否则a t i ；第一次延时结束： 步骤1 6 ：第二次延时a t ：，若鲤+ 毡乜晌 名晾则延时丝= 乞。响一毡，转入 下一相位，转到步1 2 ；否则延时f ，转入下一相位。转到步 1 2 ； 步骤2 ：实行定时控制，若相邻三个周期内各相位八个进口道的车队长度的 语言值有五个或五个以上进口道的车队长度的语言值大于或等于 8 ，则继续定时控制，否则转到步1 。1 。 3 3 2 模