（计算机应用技术专业论文）交通路口可变相位控制的专家系统实现及其算法改进.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着我国经济建设的快速发展和城市化水平的提高，城市交通量迅速增长， 城市交通阿题日益突出。交通出现了日趋紧张的局面，拥堵经常发生，整个城市 的经济发展受到制约，缓解交通拥堵问题已迫在眉睫。对于城市道路而言，交通 路口是城市交通的关键。在交通路口，相交道路上运行的不同交通流在此选择和 变换运行方向，是交通流的集散点。因此，如何利用现有道路资源，通过科学合 理的交通控制手段，最大限度地提高交通路口的通过能力，减少拥挤一直是交通 工程领域重要的研究课题。 论文介绍了路口交通控制的发展历史，指出城市交通系统由于其本身是一个 具有严重非线性、随机性、时变性、不确定性的复杂系统，导致建立数学模型的 困难。专家系统是人工智能的分支之一，它具有许多优点，能利用专家的知识进 行启发式推理，解释其推理过程，并能够不断地、灵活地增加新的知识。利用专 家系统的优势，本文用专家系统工具c l i p s ( cl a n g u a g ei n t e g r a t e d p r o d u c t i o n s y s t e m ) 对可变相位信号控制进行了实现。 本文根据可变相位信号控制方法的不足，提出了可变相位信号控制改进算 法，并进行了仿真。仿真结果表明：在突发性车流的情况下，与改进前的算法比 较，改进后的算法在一定程度上减少了车辆的平均延误，是进行路口信号控制的 一种实用和有效的算法。 关键词：专家系统；交通路口；可变相位；模糊控制 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dr i s ei nl e v e lo fu r b m f i z a t i o n ，t h ev e h i c l e v o l u m eo f c i t yi n c r e a s e dr a p i d l ya n dt h el a f 雨cj a mb e c o m em o r es e r i o u s w em u s t t a k es o m em e a s u f e st od e a lw i t ht h es e r i o u st r a f f i cj f l i r tt h a tw i l lc o t m t e r w o r ko l , f f e c o n o m yd e v e l o p m e n t t ou r b a nr o a d ，t h ek e yi si n t e r s e c t i o n sw h e r ea l lt i a f k cs t r e a m s c o n v e r g ea n d t u r n 。i nc h i n ac i t y , t h em i x e d 虹趣co fi n t e r s e c t i o n sm a k e so r d e rb e c o m e m u g ha n dt u m b l e t h i s s i t u a t i o nb e c o m e sm o r es e r i o u st h a nb e f o r e i nt r a f f i c e n g i n e e r i n gf i e l d ，m o r ei m p o r t a n c eh a sb e e na t t a c h e dt oh o wt om a k et h eu s eo f e x i s t i n gr o a d ，i n c r e a s et r a f h cc a p a c i t ya sw e l la sr e l i e v ec o n g e s t i o ni ni n t e r s e c t i o n sa s m u c ha sp a s s i b l eb ym e a l l so f s c i e n t i f i cr e a s o n a b l em e a s i t r e s t h i sp a p e rm a k e sa no v e r v i e wo nt h eu r b a nw a f f i cc o n t r o l s y s t e m ，i n c l u d i n g g e n e r a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n d t h el a s ta c h i e v e m e n t i ti sd i f f i c u l tt om o d e lu r b a nt r a f f i c s y s t e mw h i c h i sah e a v i l yn o n l i n e a r , s t o c h a s t i c ，t i m e v a r i a n ta n du n c e r t a i ns y s t e m e s ( e x p e r ts y s t e m ) i sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o nf i e l do fa i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) i th a s t h ea b i l i t yo fh e u r i s t i ci l l a t i o n a n dc a n e x p l a i nf o ri l l a t i o na n da p p e n dn e wk n o w l e d g e i nt h ek n o w l e d g ed a t a b a s e t a k i n ga d v a n t a g eo fe s ，t h i sp a p e ri m p l e m e n t st h e c h a n g e a b l ep h a s e ss i g n a lu s i n gc l i p s ( cl a n g u a g ei n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) l a n g u a g ew h i c h i so n eo f e st o o l s a c c o r d i n gt ot h ed e f i c i e n c i e so f c h a n g e a b l ep h a s e ss i g n a lc o n t r o la n dm s e a r e ho f f i j z z yc o n t r o l ，a ni m p m v e dc h a n g e a b l ep h a s e ss i g n a lc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e n p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w t h a ti m p r o v e da l g o r i t h mh a s r e d u c e dt h ea v e r a g ed e l a yo fv e h i c l e si ns o m ee x t e n ti nt h e p a r o x y s m a lf l o w o ft r a f f i c i ti sb e t t e rt h a nc h a n g e a b l ep h a g e ss i g n a lc o n t r o la l g o r i t h m ，a n di sa ne f f i c i e n ta n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 p r a c t i c a b l ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：e x p e r ts y s t e m ；t r a f t i ci n t e r s e c t i o n ；c h a n g e a b l ep h a s e s ；f u z z y c o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 交通拥挤以及由之导致的时间损失、能源消耗、交通事故和环境问题所造 成的巨大损失已成为世界各国政府和人民所面临和必须解决的问题。近年来， 理论和实践证明采用先进的信息技术、通信技术和控制技术等高新技术开发的 智能交通系统可以大幅度提高交通网络的运行效率，是解决交通拥挤问题的最 经济最有效的办法。据统计，智能交通运输系统( i t s ) 技术的应用可以减少1 0 的废气排量，2 0 的交通延时，3 0 的停车次数。美国l o s a n g e l e s 地区和t e x a s 州在i t s 技术方面投资的效益成本比率分别是1 6 ：l 和2 2 ：l ，收益非常显著。 而这一切，都是在基本上没有进行道路建设和引入新的高速车道的情况下取得 的。 交通系统控制的难点在于系统的复杂性和随机性，这样的系统难以用精确 的数学模型来描述。国内外学者通过建立其简化模型提出了各种控制算法。1 ， 但这些算法用于实时控制一般至少要5 一l o 分钟才能调整一次信号配时方案”1 ， 因此必须对5 一l o 分钟后的交通流做出预测，这又需要研制和运行预测算法， 同时得出的最优控制也只是统计意义上的最优。 本文针对交通问题的现状，利用专家系统工具c l i p s ( cl a n g u a g e i n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) 对可变相位信号控制算法进行了实现。并在此基础 上，对可变相位信号控制算法进行了一些改进。对单路口的交通控制阅题进行 了探讨与研究，以期为交通问题的实际解决提供有益的探索。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 研究的背景、进展及意义 目前国内已有的一些自主开发的城市交通控制与管理系统，但在整体性能 比国外同类系统仍有较大差距，只在一些中小城市得到一些应用。国内城市尤 其是大城市引进的交通控制系统大部分为进口的s c o o t “1 ( s p l i tc y c l e a n d o f f s e to i p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 和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 e t r a f f i c s y s t e m ) 系统。由于我国交通流是混合交通流。和国外的交通流大不相同，国外 的交通控制系统在国内的使用效果不尽人意。交通系统是一个非线性随机性都 很强的开放的复杂系统，系统维数太高，加上人的参与，对其进行有效的控制 是一个非常复杂的问题。这也是现有不管是基于方案选择式的s c a t s 和基于 方案生成式的s c o o t 系统不易取得很好效果的原因。 从2 0 世纪6 0 年代开始，一些学者开始对城市交通信号控制进行研究，如 g a r t n e r ”1 ，l i n ”1 等，并提出了一些信号控制，例如定时控制9 1 、感应控制等。由 于交通流具有时变性和随机性，很难建立精确的数学模型，传统的方法f 定时 控制和感应控制) 难以取得良好的效果。随着智能控制技术的发展，学者们提 出一些智能控制的方法，如模糊控制“。“1 、神经网络控制“3 1 和a g e n t 技术应 用“”等。这些技术的应用都不同程度的提高了道路的通行能力、缩减车辆延误 损失、改善了交通安全。 1 3 本文的研究工作 本文在交通路口可变相位信号控制的基础上，用专家系统工具c l i p s 对其 核心算法予以实现，并对绿灯延长时间的控制算法进行了改进，仿真结果表明 该算法在突发性车流的情况下，平均延误时间和各车道排队长度平衡在一定程 度上要好于原来的算法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 论文的主要内容由以下几部分组成：第1 章绪论概述交通控制的发展历史 以及广泛应用，指出交通系统由于其特殊性导致建立数学模型的困难，而人工 智能的方法在交通控制中应用发展将日趋完善。第2 章具体阐述单交通路口的 各种控制方法，如定时控制，感应控制( 全感应控制、半感应控制) 。第3 章对 专家系统进行了介绍，包括专家系统定义、特点和优点、一般结构和开发工具。 第4 章首先介绍了单路口的可变相位信号控制，并提出交通控制器的基础上， 把交通专家的经验输入进知识库，利用专家系统在推理方面的优势，当发生交 通拥挤、交通事故的时候，专家系统可以进行些相应的处理。而且，专家系 统也可以实现正常情况下的相位组合，进一步增加和完善交通控制器的功能。 然后，使用专家系统工具c l i p s 对可变相位信号控制算法进行了实现。第5 章是在第4 章的基础上进行的，对可变相位信号控制算法进行了一些改进。主 要是针对突发性车流的情况下，提出了一种改进的模糊算法。并和定时控制、 普通模糊控制、改进前的算法进行了比较。仿真结果表明，改进后的算法在一 定程度上减少了平均延误。在本文最后的结论中，对全文进行了总结，并对今 后的交通路口控制的研究方向进行了讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章单交通路口控制概述 交通控制是指对运行在道路上的，特别是在平面交叉路口范围内的车辆和 行人进行的指挥和疏导，或者说对交通流的流量、流向和流速进行调整。以达 到减少车辆延误，提高通行能力，降低交通事故等目的。 表2 - 1 交通信号系统的发展状况 形时问国别城市名称 控制信号检测器控制 式路口数周期方式 1 8 5 8 年英国伦敦燃气色灯 萱 点1 9 1 3 年美国克利夫兰电力色灯 盟 1 9 2 6 生 英国各城市单点定周期 盥 定自动 控 自动信号机 1 9 2 8 链美国各城市 感应式自动信号机 盟 定气压式自动 1 9 1 7 年 美国盐湖城手控干道怫调系统 6 个定人工 线1 9 2 2 美国休斯敦电子计时千道 1 2 个定电动 协调系统 控1 9 2 8 矩 美国各城市步进式定时多个( 线)变电动 干道协调系统 1 9 5 2 笠 美国丹佛市模拟计算帆多个( 周)变气压式计算桃 交通信号控制系统 1 9 6 3 妊加拿大多伦多 数字计算机集中协调多个( 嘲)变电磁式计算机 面 感应控制信号系统 1 9 6 8 英国各城市t r a n s y t 系统路网变计算机 控 2 0 世纪 澳大利亚悉尼s c a t 系统路厕变电磁式计算机 7 0 年代末 1 9 8 0 英国各城市s c 0 0 t 系统路网电磁式计算机 1 8 6 8 年，英国伦敦首次使用燃汽色灯，到2 0 世纪6 0 年代，由定时信号控 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 制发展到感应自适应信号控制，由路口信号的独立控制发展到于道和区域的 协调系统控制，从城市道路交通控制发展到高速公路交通控制。直至2 0 世纪 9 0 年代初，随着交通需求进一步的增长和日新月异的科技进步，终于完美地解 决了汽车定位等难题，交通运输现代化进入了新的境界。通过对交通信号的控 制，从而缩减车辆延误损失、改善交通安全、减轻环境污染、降低能量消耗、 提高道路通行能力、改善交通服务。交通控制按控制范围分类：独立路口控制 和系统控制( 城市干道、城市区域) 。按控制方式分类：定时控制和响应控制 ( 感应、自适应) 。下面简要介绍信号控制的基本参数和主要的单路日控制有 定时控制和感应两种方式，下面分别做一下简单介绍。 2 1 交通信号控制的基本参数 现代交通信号在配时上具有多种方法，从简单的两相位定周期式到复杂的 多相位控制。下面介绍一下交通信号的一些专用术语。 周期一信号完成一个显示的完整过程所需的总时间，以秒表示，符号用r 。 绿信比一绿灯时间与周期之比。 相位( 或称信号相) 一交通信号机在一个周期内存若干个控制状态，每一种 控制状态即称为相，也就是在一个周期时间内，对一条或几条车流按顺序发出 同步同色信号显示时序，并按此顺序循环开放信号灯，每一种不同的组合信号 称为相。相位是信号给某一种交通流的通行权。 如图2 一l 所示的单交通路口，可根据路口几何形状和各时段、各方向交通 流的强度以及其它因素设计为二相位、三相位、四相位以及更多的相位。相位 可用有向线表示。当不画出右转车流时，几种相位安排可表示如图( 2 2 2 4 ) 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ：一 么 k y 图2 一l 单交通路口 7 一一 + 图2 2 二相位示意图图2 3 三相位示意图 ：7 一 二： y 夕 图2 4 四相位示意图 k y 相位数及其组合方法对交通的安全和效率有着很重要的影响。一般地说 相位数越多，分离交通冲突越好，越安全，可是另一方面，由于相位数的增加， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 将降低交叉口的通行能力。当左转车流达到一定数量时，应设置独立的左转相 位。 2 ，2 单独路口的定时信号控制 单独路口的信号控制，即点控方式，被控交叉口信号与相邻的其它交叉口 信号不发生联系。定时控制所使用的设备是定周期信号机。定时控制任何一个 时段内的信号周期和绿信眈是固定不变的， 交叉路口的交通状况当时是随机变化的，但通过交通调查和统计，可寻找 到交通流量与流向及其变化的基本规律，这也就是交叉口信号定时控制的基本 依据。定时控制系统简单，投资少，便于维护而被广泛采用。目前，仍为城市 交通信号基本的控常4 方式。 目前单独路口的定时信号控制信号配时方法采用的是英国t r r l ( 道路与 运输研究所) 推出的t r r l 信号配时方法。 根据交通流比较有规律的变化，可将全天划分为若干时段，分别进行信号 配时，将设定参数，存贮于信号控制机内，依时段次序更替控制。 2 3 单独路口的感应信号控制 感应控制是根据实时的交通状况来变换交通信号灯色的，因此事实上没有 西定的周期和绿信比。适用于交通流不大、但变化无规律的交叉路口。感应控 制是使用车辆检测器获取到达交叉口交通信息，通过感应信号控制机，变换灯 色显示，实现控制交通的目的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 5 感应信号控制绿灯开放时间圈 如图2 5 所示，假设自动信号机对某一方向开放绿灯，允许车辆通行， 这最初一段叫初始绿灯时间g m 该段绿灯时间结束时，若无车辆继续到达， 则绿灯将变为黄灯、红灯，若在该段绿灯时间结束前有车辆继续到达，信息被 检测器获取，则绿灯信号不马上结束而延长- - + 段时间g o ( 单位绿灯延长时 间) 。同样，在该段g n 时间内若无车辆到达，绿灯结束，若又有车辆继续到达， 则再延长一个单位绿灯时间e ，如此类推，直至在延长时间内，检测器检测 不到车辆连续到达信息时，绿灯结束，该方向实际绿灯时间为g 。若在绿灯延 长时间内，不断地检测到车辆到达信息，则延长到一定时间，信号机将自动关 闭该相的绿灯信号而变为黄灯、红灯，相交方向由红灯变为绿灯，这段时间即 为绿灯极限延长时间g 。 2 3 1 全感应信号控制 全感应信号控制适应于交通流量变化大且难以预测的交叉路口，它是由车 辆检测器和垒感应信号控制机组成。主干道和次要道路的各进口道上均布设检 测器，采用两相位时，各相根据自己的交通流特点，来确定各相位的g 。g 0 、 g 一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 6 两相位仝感应信号控制绿灯开放时间 全感应控制。般设计为将绿信弓停留存最后服务相，如主干道上碌示绿 灯，首先保持初始绿g ，当有车辆继续到达时，信号机延长若干个单位绿( j 。， 一l 上主干道交通中断，而次要道路也无车到达，绿灯就停留在土1 二道卜。当才h 交的次要道路车辆先行到达路f 被榆测厉，则次要道路获有通行权显示绿灯， tf 二道转变为红灯，如图2 7 所示。当相交两条道路的交通流精均很人时， 各项绿灯均延& 到极限长度，此时实际上已成为按两个相位的极限绿灯时间 q 。、g ：。之和为周期的定时控制； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 图2 7 两相位全癌应信号控制绿灯时间g l 和g 2 开放逻辑 2 3 2 半感应信号控制 由主干道和次要道路相交叉的十字路1 ：3 ，仅在其中一条道路的进口道上实 施感应控制，另外一条道路迸1 3 道则不作感应控制，即是半感应信号控制。当 采用两相位时，前者称为感应相，后者称为非感应相。半感应信号控制适用于 主次道路相交且车流变化无规律的路口，又可以分为次要道路优先和主干道优 先两种。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 1 ) 次要道路优先半感应控制 次要道路为感应相，布设检测器，主干道为非感应相，不设检测器，有关 绿信号的控制参数有g ：。护g 2 。、g 2 。、g 。 为保持主干道畅通，绿信号平时应停留在主干道上( 非感应相) 。当次要 道路有车辆到达并被检测时，不论主干道有无车辆来到，次要道路就把绿信号 “要”过来，以实现其优先通行权。 为避免次要道路“要”绿信号过于频繁，影响主干道交通，必须使主干道 每次开放的绿信号维持一段足够长的时间，即主干道应有一个初始绿灯时间 g i 。确保在g 。中，主干道信号不被“要”走。 图2 8 两相位次要道路优先半感应控制绿灯时间g l 和g z 开放逻辑 当次要道路显示绿灯，并经过初始绿灯g ：。后，若无车继续到达，则绿 信号自动返回给主干道，当次要道路经过g ：。后，继续有车到达，则不断按 g ：。( 单位绿灯延长时间) ，直至极限绿g ：一时结束，绿信号才返回主干道。可 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 见，在某一时刻次要道路车流很大时，路口信号按t = g 。+ g ：作定时控制。 次要道路的实际绿灯时间g ：g ：。g ：g ：。 这种半感应控制，特别适用于消防、急救、公安、工程抢险以及其它警急 出行车辆的出入口所在的次要道路上。当次要道路的机动车辆不多时，非常不 便于非机动车和行人通过交叉路口。 ( 2 ) 主干道优先半感应控制 主干道为感应相，布设检测器，次要道路为非感应相，不设检测器，有关 绿灯信号的控制参数有g 。扩g 。、g m 。、g ：。 主干道采用感应控制方式：主干道有车开放绿灯，经过初始绿灯时间g 。， 若仍有车到达，延续若干个单位绿灯时间g 。，直到检测不到有车继续到达时， 绿灯信号中断，转移到次要道路：若主干道车流不断，绿灯时间不断延续，直 至极限绿灯时间g 。时，才被强制中断。 图2 9 两相位主干道优先半感应控制绿灯时间g i 和g 2 开放逻辑 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 主干道绿灯信号中断，转移到次要道路上，此时不论次要道路有无车辆到 达。次要道路绿灯时间长度为g ：。i n ，在该段固定时间内车辆和行人可方便通 过路口，在g ：。结束后，绿信号又返回到主干道上。 主干道实际绿灯时间为g i g 。g f g 。 当主、次道路均无车辆到达时，绿信号并不停留在那一相，路口信号是以 t = g 。+ g ：。作定时控制。当主干道流量很大时，不论次干道有无车辆，路 口信号以7 1 = g ，一+ g ：。作定时控制。 这种半感应控制对于主干道来说，能主动掌握其大量交通流的优先通行 权，又照顾了次要道路车辆和行人的通行，缺点是路口控制成本较高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章专家系统介绍 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能( a n i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 的一个分 支。人工智能有许多备受关注的领域，专家系统就是对传统人工智能问题中智 能程序设计的一个非常成功的近似解决方法。 3 ，1 专家系统的定义 专家系统早期先导者之一、斯坦福大学的e d w a r df e i g e n b a u m 教授把专家 系统定义“”为“一种智能的计算机程序，它运用知识和推理来解决只有专家才 能解决的复杂问题”。也就是说，专家系统可视为一类具有大量专门知识的计 算机智能程序系统，它能运用特定领域一位或多位专家提供的专门知识和经 验，采用人工智能中的推理技术来求解和模拟通常由专家才能解决的各种复杂 问题，达到与专家具有同等解决问题的能力，它可使专家的特长不受时间和空 间限制。模拟一词表明专家系统要在所有方面都做得象专家一样。模拟比模仿 更进一步。模仿只要求在某方面做得像真正的事物一样。虽然目前仍未找到一 种通用的解决问题的方法，然而专家系统在其应用的领域里做得很成功。 3 2 专家系统的特点和优点 专家系统的设计具有以下一些特点”“： 高性能系统能以此领域里专家的同等或更高水平，也就是说系统所给 建议的质量必须很高。 适当的响应时间系统必须能在合理的时间内工作，此时间与专家得出 一个结论所需的时间相当或更短。与专家一个小时的时间相比，需要一年才得 出一个结论专家系统是没有价值的。特别是必须在一特定时间间隔内作出响应 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 的实时系统中，时间5 艮9 1 ( t i m ec o n s t r a i n t ) 就更为苛刻。 好的可靠性专家系统必须可靠，且不易崩溃，否则就不能使用。 可理解性在执行过程中。系统能解释推理步骤，使之易于理解。专家 系统不是一个推出不可思议答案的黑盒子，而是应该具有解释能力，其解释的 方式应与专家解释他们推理的方式一样。 灵活性专家系统可能有大量的知识因此具有一个增加、修改和删除 知识的高效机制是十分重要的。基于规则的系统得以普及的一个原因就是规则 的高效和模块化存储能力。 专家系统有许多吸引人的特征： 适应性强专家知识在任何计算机硬件上都是可利用的，实际上，专家 系统是专家知识的集成体。 成本低提供给用户的专家知识成本非常低。 危险性低专家系统可用于那些可能对人有害的环境。 持久性专家知识是持久的，不像专家那样会退休，或者死亡，专家系 统的知识会无限地持续。 复合专家知识复合专家知识可以做到在白天和晚上的任何时候同时 和持续地解决某一问题。由几个专家复合起来的知识。其水平可能会超过一个 单独的专家。 可靠性强专家系统可增强正确决策的信心，这是通过向专家提供一个 辅助观点而得到的；此外，专家系统还可协调多个专家的不同意见。不过，如 果专家系统是由某一个专家编程设计的，那这个方法就不能奏效。如果专家没 有犯错误的话，专家系统应该始终与专家意见一致。但是，如果专家很累或有 压力就可能会犯错误。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 解释、说明专家系统能明确、详细地解释导出结论的推理过程。一个 人可能会太厌烦、不愿意或是没有能力去这样做，但明确、详细的解释有利于 得出正确的决策。 响应快迅速或实时的响应对某些应用来讲是必要的。依靠所使用的软 件和硬件，专家系统可以比专家反应得更迅速或更有效。 智能家教专家系统可以作为一个智能家教，让学生运作实例程序，解 释系统的推理。 智能数据库专家系统能以智能的方式来存取一个数据库。 3 3 专家系统的一般结构 一个基本的专家系统由知识库、数据库、推理机、解释机制、知识获取和 用户界面六个部分组成，如图3 1 所示。 一般用户、领域专家、a l 专家 图3 一l 专家系统的基本结构 知识库是专家系统的核心，它由事实性知识和启发性知识构成，前者指广 泛共有的事实，后者指专业领域经验和启发性的知识。专家系统的知识库是关 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 于一个领域或特定问题的若干专家知识的集合体，它可以向用户提供超过一个 专家的经验和知识。 数据库用于存储有关领域问题的事实、数据、初始状态、推理过程的各种 中间状态及目标等。实际上，它相当于专家系统的工作存储区，存放用户回答 的事实、已知的事实和由推理得到的事实。 推理机是一组用来控制、协调整个专家系统的方法、策略的程序，它根据 用户的输入数据( o n 现象、症状) 、利用知识库中的知识，按一定推理策略( 如正 向推理、逆向推理、混合推理) ，求解当前问题，解释用户的请求，最终推出 结论。在设计推理机时，应使其符合专家的推理过程。一般来说，专家系统的 推理机与知识库是分离的，这不仅有利于知识的管理，而且可以实现系统的通 用性和伸缩性。 解释机主要作用是解释专家系统是如何推断结论、回答用户提问的，并使 用户了解推理过程及推理过程所运用的知识和数据。 知识获取是专家系统的学习功能，它修改知识库中原有的知识，增加新的 知识。一个专家系统是否有学习能力是衡量其适应性的重要标志。 用户界面实现系统与用户的信息交换，为用户使用专家系统提供一个界面 友好的交互环境。 3 4 专家系统的开发工具 专家系统的开发工具大致分为4 类：通用程序设计语言、知识表示与处理 语言、骨架系统e s 开发环境和专家系统开发环境。 1 、通用程序设计语言e s开发常用的编程语言既可用l i s p 、p r o l o g 、 c l i p s 等人工智能语言，同时也可使用通用高级语言，如c 、p a s c a l 、f o r t r a n 和b a s i c 等语言。特别近年来，v c + + 、d e l p h i 、v b 等面向对象的开发工具 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 结合数据库等先进的技术来开发e s 愈来愈得到重视。 2 、知识表示与处理语言这类工具是根据专家系统的不同应用领域和 人类智能活动的特征研制的适合多领域专家系统开发的语言系统。它们并不严 格地倾向于特定的领域和范例系统，所以比骨架系统的限制要少些。 3 、骨架系统专家系统外壳又称为骨架系统，它是由一些己经开发成 功，并且在实际使用中被证明行之有效的专家系统演变而来的，即抽去这些专 家系统中具体的知识，保留它的体系结构和功能，在把领域专用的界面改为通 用的界面，就得到了相应的专家系统外壳。显然，在专家系统外壳中，知识表 示模式、推理机制等都是确定的。当使用这些外壳建造专家系统时，只需把相 应的知识外壳规定的模式表示出来装入到知识库中就行了。代表性的专家系统 外壳有：e m y c i n 、k a s 、e x p e r t 等。 4 、专家系统开发环境随着专家系统应用范围不断扩大，人们对专家 系统建造工具的要求也越来越高。人们不仅要求建造工具能够提供高效的推理 机，而且还希望它能够提供多种形式的知识表示模式、多种不确定性推理模式、 多种知识获取的手段、多种辅助工具( 如数据库访问、作图等) 以及多种友好的 辅助界面( 如调试功能、解释功能、自然语言接口等) 等等，这样，单一的建造 工具就不能适合人们的要求了，在这一背景下，专家系统开发环境就应运而生 了。专家系统开发环境又称专家系统开发工具包，它为专家系统的开发提供多 种方便的构件，例如获取知识的辅助工具、适应各种不同知识结构的知识表示 模式。各种不同的不确定性推理机制、知识库管理系统以及各种不同的辅助工 具、调试工具等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第4 章可变相位信号控制及专家系统的实现 前面介绍的单交通路口信号控制，其相位数和相位的组合以及相位的顺序 都是固定的，变动的只是每一个相位时间。这样如果某一个相位等待的车辆比 较多。而它前面相位等待车辆较少时，也必须按照固定相位顺序。先放行前面 车辆少的相位，然后再放行车辆多的相位，这样可能因该相位等待车辆过多， 不能及时放行而造成路口的交通阻塞。文献 1 5 提出了交通路口可变相位信号 控制。可变相位指的是；不仅相位的时间及相位的顺序是可以改变的，而且相 位个数和相位的组合也是可以改变的。根据路口实际的情况，随各方向等待车 辆数的多少来改变相位，等待车辆多的车道先放行，等待车辆少的方向后放行。 这样能更加灵活地对路口进行信号控制，提高路口各方向车辆通行能力，减少 车辆总的延误时间。 c l i p s ( cl a n g u a g ei n t e g r a t e dp r o d u c t i o ns y s t e m ) 是由美国航空航天局约 翰逊空间中心( n a s a j o h n s o ns p a c ec e n t e r ) 开发的一种专家系统工具，由c 语 言编写而成。利用该专家系统工具来实现可变相位的单路口控制算法。 4 1 单交通路口的可变相位信号控制 4 1 1 可变相位的单路口控制算法 文献 1 5 研究的交通路口如图4 一l 所示，路口有四个方向，每个方向有 直行、左转、右转车道，每个车道都有两个感应线圈：上游线圈和停车线线圈。 上游感应线圈用来测量( ，一a t ，t ) 时间内进入该方向的车的数量，停车线线圈 用来检测( f 一f ，) 时间内驶出该方向车的数量。f 时刻路口各车道等待车辆 数为：q ( f ) ，f ( 左转，直行，右转) ，j ( 东，南，西，北) 。路口每一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 个方向在时刻f 有三个队列：左转方向、直行方向和右转方向，每一个方向队 列的车辆数是随时间变化的。某一个方向队列的车辆数是三个变量的函数：( 1 ) 上一个，时刻进入该方向队列的车辆数；( 2 ) 时刻t a t 的该方向队列车辆数； ( 3 ) 该方向信号的长短。 记每条车道上游线圈和停车线线圈之间的距离为d ，平均车辆的长度为 ，那么每车道最大可检测的车辆数为： q 。= d i l ( 4 一1 ) 所以上述的所有等待车辆数必须满足条件： 0 蔓q , js q l 。， h 一煳麟圈 图4 一l 交通路口 在交通控制过程中，一般来说，当等待车辆队长较短时，相位时间应该短 一些，但是不能小于1 5 秒，以免某一方向的绿灯时n d , 于1 5 秒，使得车辆来 不及通过路口而影响交通安全：当等待车辆队长较长时，相位时间应该长一点， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 但一般不能超过1 5 0 秒，否则，某一相位太长而影响驾驶员的心里承受能力。 基于上述的基本原则，文献 1 5 提出了交通路口可变相位模糊控制算法，具体 步骤描述如下。 步骤l 把路口各车道归入一个集合。 步骤2 指定最短绿灯时间瓦。和最长绿灯时间。，计算集合n 中各个 车道等待车辆的长度，把等待车辆长度最大的车道归入绿灯相位集一。 步骤3 把与集合。中车道方向相冲突的车道归入红灯相位集v 。，然 后在集合剩余车道中把等待车辆长度最长的车道归入绿灯相位集。直 到集合为空。 步骤4 把集合。中的各车道归为一个相位，给此相位最短绿灯时间 在瓦；。即将结束时计算集合| 一中各车道两感应线圈间车辆数，然后求 出最大值，并记为q 。( f ) 。同时计算集合。中各车道等待车辆数，求出最大 值，并记为q r ( f ) 。 步骤5 根据q ( f ) 、敛( r ) 的值，利用模糊推理规则来决定上面相位的绿 灯延长时问r 延长结束后，把已经放行的车道作上标记。 步骤6 把没有作上标记( 没有放行) 的车道重新归入集合，返回步骤2 。 步骤7 重复步骤2 - - 6 ，直至所有的车道都被作上标记，即都被放行一次 ( 这里把放行完所有车道称为一个周期) 。清除所有车道的标记，把所有车道重 新归入集合，返回步骤2 ( 开始另一个周期) 。 以上算法的主要思想就是：先放行车辆最多的车道，然后放行车辆较多的 车道，最后放行车辆最少的车道，这样可以使车辆多的车道先通过交叉口，避 免某一方向车辆过多而造成局部的拥挤。由于该算法是根据路口的实际情况来 改变相位，因此，路口的信号控制更加灵活，可减少路口车辆的停车时间。 4 1 2 模糊控制器的设计 输入变量：集合。中各车道中车辆数的最大值绞( r ) ；集合n 。中各车 道等待车辆数的最大值q ，( f ) 。输出变量：绿灯延长时间t 。输入变量绞( ，) 、 q ，( ，) 的隶属函数如图4 - 2 所示，输出变量t 的隶属函数如图4 - 3 所示，模 糊规则如表4 - 3 所示。 q 。( t ) ，q 。( t ) v e h 图4 2 输入变量的隶属函数图4 3 输出变量的隶属函数 表4 一l 输入变量的语言变量值表 隶属度 q 。( f ) 和q ，( ，) 的论域元素 o24681 0 1 21 41 61 82 02 22 42 62 8 很短i 008060 40 2 0 0o00 0 o o0 0o 00 00 00 000 短o 60b 1 0o806o 4020 oo oo o0 00 00 00 o0 0 模糊量 较短 0 o0 20 40608 l0080 60 40 2000 00 0o 00 0 较长 0 00 00 00 20 40 6o 81 00 - 80 60 4 0 20 00 00 0 长0 00 00 o0 00 00 2 0 406o 8l0o 8060 4 02 00 很长0 ，0000 o000 00 0 000 ，o0 ，20 4060 8 l01 01 0 1 0 0 0 0 o ， 表4 2 输出变量的语言变量值表 隶属度 的论域元素 02468i o1 21 41 61 82 02 22 42 62 8 零1 o080 6040 20 0 0 00 0 0 00 0 0 0000 0 0 0 0 0 短0608i 008060 40 20 00 00 00 0000 0 0 00 0 摸期量鞍短o o020 40 60 81 0o 8o 60 40 20 oo o0 oo 00 0 中等0 0000 00 2 0 40 6081 00 80 60 4o 20 00 0o 0 较长0 0 00 0 00 0000 2040 6081 00 80 60 40 20 0 长00000 00 00 00 00 00 0020 406081 01 01 0 表4 3 交通路口模糊控制规则 q 。( r ) q ，( ，) 很短短较短较长长很长 报短零零 霉零零零 短短零零零 霉霉 较短较短短 零零零零 较长中等较短短零 零零 长较长中等较短短 零霉 报长长较长中等较短 短零 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 4 2 拥塞控制在交通路口信号的应用 文献 1 9 】提出交叉1 3 设计一种相应的控制装置，它们是交通网络“路由器” 的“中枢”，称它们为变通控制器。这种交通控制器应该是智能化的，应具备 拥塞监测、分析、控制和汽车行进路线计算及信息发布等功能。 使用交通控制器的交叉口在每条路上应设置左转、直行和右转3 个汽车排 队队列。在一定时间内队列长度的增加量可以作为判定拥塞程度的标准。因此， 采用某种手段如雷达监测队列长度随时问的变化就可以实现拥塞监测。队列长 度是随时变化的，在红灯持续期问，在确定的时间间隔内的队列长度，或单位 时间内队列长度的增量都是能定量反映拥塞程度的数据，监测结果就是获取的 这些数据。 对监测到的数据迸行处理和分析，以判定各个方向是否拥塞和拥塞的程 度，并将判定结果发布给所有相邻的交通控制器。为了取得稳定的控制结果， 避免控制结果的振荡，要以若干次监测数据的平均值作为判定拥塞程度的依 掘。从简化分析和控制的目的出发，可以将拥塞程度分为轻、中、重，并确定 不同掬塞程度对应的红绿灯时间。拥塞程度划分和相应的红绿灯时间是拥塞分 析和控制的依据，要根据长期可靠的交通流量统计数据分析结果进行确定。 如果未出现拥塞，应提高该处交叉口不同方向红绿灯的切换频率，减少队 列中汽车的平均等待时间增大交叉口车流通过量。当拥塞现象出现时，一方 面交通控制器将拥塞信息通知上游的交通控制器，上游控制器通过缩短绿灯时 间，减少通往下游交叉口的车流量：另一方面。根据下游控制器是否拥塞的信 息，上游控制器可以延长绿灯时间，加大通往未出现拥塞的交叉i ；3 的车流量， 以尽快解除拥塞。图4 - - 4 是交叉口、交通控制器及汽车队列示意图，图中的 方框表示安装在交叉口的交通控制器，a 与b 、c 、d 、e 相邻，它们互为上下 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 一j i l l 一。 f 1 r l j i ll 暑 j 厂 - 1 i f i r 厂厂 一j i ll d lf w 厂 1 广厂 图4 4 交叉口、交通控制器及汽车队列示意图 游关系。交通控制器a 的控制算法如下： ( 1 ) 检查本路口各个方向的拥塞情况，并告知相应上游交通控制器b 、c 、d 、 e ( 2 ) 检查下游各交通控制器的拥塞情况，确定本路口各方向往下游各路口的 红绿灯时间( 无拥塞，轻、中、重拥塞对应不同的绿灯时间) 。 ( 3 ) 若本路口和下游各路口均无拥塞，执行( 4 ) ；若下游有拥塞，且无重拥 塞，执行( 5 ) ；若下游有拥塞，且有重拥塞，执行( 6 ) ；若下游路口全部重拥塞， 执行( 7 ) 。 ( 4 ) 按常规方法控制各方向红绿灯。 ( 5 ) 以较短绿灯时间限制本路e l3 个方向往拥塞路口的车流量，以较长绿灯 l j l l r l 1 小。 1 j f 刁l 李厂 广 u 。w lj il j 1 f r 厂 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 时阃控制通往无拥塞路口的车流量。 ( 6 ) 关闭本路口3 个方向往重拥塞路口的绿灯，以较短绿灯时间限制本路口 3 个方向往捐j 塞路口的车流量，以较长绿灯时间控制通往无拥塞路口的车流量。 ( 7 ) 关闭本路口3 个方向通往所有下游路l 二l 的绿灯。 以上控制算法是定期执行的，如果拥塞没有迅速解除，这种算法会使拥塞 不断向上游移动，最终上移到车流“起始源处”，如果“起始源处”的车流量 被限制，交通网内的拥塞将会逐渐解除。 对文献 1 9 】提出的设想，笔者认为交通控制器可以在可变相位信号控制的 基础上实现对绿灯时间