（机械设计及理论专业论文）基于arm9的交通信号控制机的设计与研究.pdf

北京工商大学硕：i 二学位论文 摘要 i i i i i ii ii ii i i iii i i iiil y 181914 9 交通信号控制系统是现代城市交通控制和疏导的主要手段，在国内外现存的 诸多交通信号控制系统的基础之上进行更加深入的研究，以期得到性能提高和功 能完善的交通信号控制系统是目前我国城市交通问题研究中的一个重要课题。 嵌入式系统是目前信息产业中最具有活力的部分之一，而a r m 处理器以其高 性能低功耗的特性成为目前应用最为广泛的3 2 位嵌入式处理器之一。嵌入式 l i n u x 也凭借其功能强大、免费以及开发资源丰富等优势占据了嵌入式操作系统 的主导地位。本论文实现了一个基于a r m 9 处理器( $ 3 c 2 4 1 0 ) 的嵌入式l i n u x 系 统平台，并采用$ 3 c 2 4 1 0 处理器为主控制器进行了交通信号机控制板的硬件设 计，完成了主要功能模块的电路设计，并在电路原理图的基础上进行了主控制板 的p c b 设计制作；在分析嵌入式系统的引导加载过程的基础上，完成了u - b o o t 、 l i n u x 的移植，进行了信号机控制软件的设计研究。 自适应模糊控制改进了模糊控制存在的控制精度低和动态品质差等缺点，同 时较之神经网络等控制方法又有稳定性强、模型训练简单等优点。本论文根据交 通信号控制系统的特点，提出了一种带有自调整因子的自适应模糊控制器应用方 案，并通过s i m u li n k 工具进行仿真测试，在控制效果上与传统模糊控制器进行 了比较。 在论文的最后总结了研究状况，并对下一步的工作进行了展望。 关键词：交通信号机；2 4 10 ；自适应模糊控制；s im u lin k 基于a r m 9 的交通信号控制机的设计与研究 a b s t r a c t t r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mi st h ep r i m a r ym e t h o dt od i s p o s a lt h eu r b a nt r a f f i c a tp r e s e n t ，i ti sa ni m p o r t a n tp r o b l e mi nt h er e s e a r c hi n t ot h et r a f f i ci s s u et h a tw ec a n m a k em o r ei n - d e p t hr e s e a r c hb a s e do nm i s c e l l a n e o u st r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m si n o r d e rt oa d v a n c i n gt h e i rc a p a b i l i t ya n df u n c t i o n e m b e d d e ds y s t e mi sa na c t i v er e s e a r c hf i e l do fi n f o r m a t i o ni n d u s t r yn o w a d a y s a r mw i t h3 2 - b i t se m b e d d e dp r o c e s s o rb e c o m e st h em o s tw i d e l ya p p l i e df o ri t s e x t r a o r d i n a r yp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n e m b e d d e dl i n u xa l s ow i l l t a k et h ed o m i n a n tp l a c eo fe m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mb e c a u s eo fi t ss t r o n gf e a t u r e ， f r e eu s i n ga n da b u n d a n tr e s o u r c e i nt h i sp a p e rw er e a l i z e da ne m b e d d e dl i n u x p l a t f o r mw h i c hi sb a s e do nt h ea r m 9p r o c e s s o r ( $ 3 c 2 4 1 0 ) ，f i n i s h e dt h eh a r d w a r e d e s i g no ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do n3 c 2 4 1 0p r o c e s s o r w ed e s i g n e dt h e c i r c u i to fm o s t l yi m p o r t a n tf u n c t i o nm o d u l e ，a n dm a d et h ep c bd e s i g nc o m p l e t e l y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb o o t i n ga n dl o a d i n g p r o c e s so ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，w e i m p l e m e n t e dt h et r a n s p l a n t a t i o no fu - b o o ta n dl i n u xo n o u rp l a t f o r m w er e s e a r c h e d t h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e ma sf o l l o w e d u n l i k ef u z z yc o n t r o l ，a d a p t i v ef u z z yc o n t r o ld i d n th a v et h ed e f e c to fl o wc o n t r o l p r e c i s i o na n db a dd y n a m i cq u a l i t y , a n di tw a sm o r es t a b i l e a n de a s i e ri n t r a i n i n g m o d e lt h a nn e u r a lc o n t r 0 1 w ed e s i g n e da na d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e rw i t ha s e l f - r e g u l a t i o np a r a m e t e rb a s e do nt h en e e do ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m w e c o m p a r e da d a p t i v ef u z z yc o n t r o l l e rw i t ht r a d i t i o nf u z z yc o n t r o l l e ro ni t sc o n t r o le f f e c t b yt h es i m u l a t i o nt o o ls i m u l i n ki nt h ee n d i nt h ee n do ft h i sp a p e rw es u m m a r i z e dt h er e s e a r c ha n df u t u r ew o r k k e yw o r d s ：t r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ； 2 4 1 0 ； s i m u l i n k i i a d a p t i v ef u z z yc o n t r o l ： 北京工商大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 弓l 言1 1 2 国内外交通信号机的相关研究状况1 1 3 我国交通信号控制系统目前存在的问题2 1 4 交通信号控制系统的发展方向3 1 5 本论文所研究的主要内容5 第二章相关理论与应用6 2 1 交通流的基本理论6 2 1 1 交通流的基本参数6 2 1 2 参数间的基本关系7 2 1 3 交通流的统计分布7 2 2 城市交通信号控制系统的基本理论9 2 2 1 交通信号控制的基本参数9 2 2 2 交通信号控制系统的常用性能指标1 1 2 3 模糊控制理论基础1 3 2 3 1 模糊集合和隶属函数1 3 2 3 2 模糊关系和模糊矩阵1 4 2 3 3 模糊控制的基本原理1 5 2 3 4 模糊控制的优缺点一1 7 2 4 自适应模糊控制1 8 2 4 1 自适应控制1 8 2 4 2 自适应模糊控制2 0 2 4 3 白适应模糊控制器的设计2 3 第三章交通信号机的整体设计2 7 3 1 嵌入式系统和嵌入式处理器2 7 3 2 交通信号机的功能分析2 8 3 3 交通信号机方案设定3 0 第四章硬件系统主控制板设计。3 2 4 1 系统硬件总体结构3 2 4 2a r m 9 处理器介绍3 3 4 2 1s 3 c 2 4 1 0 处理器3 3 4 3 1 $ 3 c 2 4 1 0 核心板3 4 4 3 基丁a r m 9 的控制板设计3 5 4 3 1 电源模块3 5 4 3 2 串行接口模块3 6 4 3 3j a t g 调试接口模块3 7 4 3 4 复位接口模块3 8 4 3 5 以太网接口模块3 8 4 3 6u s b 接口模块3 9 i i i 基于a r m 9 的交通信号控制机的设计与研究 4 3 7l c d 接口模块3 9 4 4 其它电路部分4 0 4 4 1 异常诊断与定位电路4 0 4 4 2 感应接口( 线圈信号收集) 电路4 0 4 4 3 保安控制电路4 0 4 5 主控制板的p c b 设计制作4 1 第五章软件系统设计一4 3 5 1 嵌入式l i n u x 软件开发平台一4 3 5 2u - b o o t 4 3 5 2 1b o o tl o a d e r 介绍4 3 5 2 2u b o o t 的修改和移植4 5 5 3 嵌入式l in u x 内核移植实现一4 5 5 4 设备驱动程序4 7 5 5 交通信号机应用软件设计4 8 5 5 1 系统主控程序4 9 5 5 2 交通流数据采集程序5 0 5 5 3 手动控制程序51 5 5 4 绿冲突检测程序5 2 5 6 自适应模糊控制器的设计与仿真5 2 5 6 1 自适应模糊控制器的没计5 3 5 6 2 自适应模糊控制器的m a t l a b 仿真5 5 5 6 3 自适应模糊控制程序5 9 第六章总结与展望一6 1 参考文献6 2 附录1 扩展板原理图6 4 附录28 3 c 2 4 10 芯片原理图6 5 附录3 部分程序源码6 6 硕士期间发表的论文和主要参加的工作7 1 致谢7 2 北京工商大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在现代的社会生活中，交通的地位越来越显著。汽车工业的发展、城市道路 的建设、高速公路的铺设以及路网的形成，使城市交通不断繁荣。与此同时，由 于汽车数量的增多，城市道路交通也变得越来越拥挤。许多城市采取了加宽路面、 建高架桥等措施，收效虽明显，但毕竟不能从根本上解决交通问题。因此，在加 强基础设施建设的同时，更需要充分利用高科技手段加强城市交通的智能管理与 优化控制，从而最大限度地提高现有道路的利用率。 交通信号控制系统是城市交通控制和疏导的主要手段。平面交叉路口是道路 的基本组成部分，其通行能力的优劣是解决城市交通问题的关键，而交通信号灯 又是交叉路口必不可少的交通控制手段。早期的交通信号控制系统，其控制周期 固定，不能根据实际的交通流状况随时调整各方向上信号灯的时间，从而经常造 成很多不必要的等待时间。随着科学技术的进步，可根据各方向上检测到的车流 量信息进行实时的控制周期调整，对交通流实行引导控制的智能交通信号控制系 统相继出现，极大的达到了缓解交通拥挤、减少尾气排放和噪声污染及能源消耗、 缩短出行延时的目的。 1 2 国内外交通信号机的相关研究状况 由于应用环境的不同要求，现代计算机技术形成了两大不同的技术分支，即 通用计算机系统与嵌入式系统。这两个分支沿着不同技术路线快速发展。通用计 算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，其技术发展方向是追求速度的无 限提升、存储容量的无限扩大。而嵌入式系统的技术要求是对环境对象的智能化 控制能力，其技术发展方向是追求与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与 控制的可靠性。而信号机在硬件的设计选用上也依次分为了两个方向：一类采用 嵌入式处理器作为处理器，另一类则是按通用计算机系统标准来进行设计开发。 由于西方国家的经济发达，故他们的交通信号控制系统多是按照功能完善的 基于a r m 9 的交通信号控制机的设计与研究 思路来进行设计的，在他们的系统中普遍采用了通用计算机标准来进行设计开 发。在此标准下研制的信号机功能强大、结构复杂、价格昂贵。我国自产的交通 信号机多是采用8 1 6 位单片机作为处理器的，其控制功能相对简单。虽然目前 也有少量采用了3 2 位微处理器的产品出现，但其结构功能还不是很完善，距离 满足实现区域交通协调控制、从而达到完全智能控制的要求还相差很远。 1 3 我国交通信号控制系统目前存在的问题 这些信号系统虽然取得了较好的效果，但我国实际情况决定了需要对这些系 统进行改进，其存在的主要问题是： ( 1 ) 需要完善信号控制 现有的单点信号控制系统一般只能实现两相位控制，存在一定的局限性。而 实际中，如果根据交叉路口的情况，适当采用多相位控制、变相序控制，可减少 交叉路口的交通冲突，提高交通的安全性。 ( 2 ) 需要合理解决混合交通流问题 现有信号控制系统对自行车流的控制大多都是与机动车同时开始，容易造成 交通流冲突。因此，需要设计出一种信号系统能对各个相位包括对自行车流单独 进行控制。 ( 3 ) 实现区域网络协调控制 目前，虽然在我国的几个大城市，引进或研制了具有区域控制功能的集中式 计算机控制系统，但对于中小城市来说，建立这样庞大的系统一方面代价高昂， 另一方面实际利用效率不高。为了解决这一情况，在国内的中小城市应大量推广 小型区域网络协调控制信号系统。 ( 4 ) 国产化率低 目前国内采用的信号控制系统，国产化率整体较低，而进口费用十分昂贵。 随着我国城市化水平不断提高，进一步完善城市交通控制系统是大势所趋。因此， 研制并设计出符合我国实际情况交通信号控制系统，意义十分重大，效益也将十 分明显。 2 北京工商大学硕士学位论文 1 4 交通信号控制系统的发展方向 ( 1 ) 信息采集方式 目前采用的方式很多，如环形线圈检测、激光红外线检测、视频检测等。 环形线圈感应式检测技术是目前在我国应用最为广泛的方式。它是由环形线 圈作为检测探头的一套能检测到车辆通过或存在于检测区的技术。这种检测方式 的缺陷和限制主要体现在环形线圈的检测参数比较少、对混合交通流难以进行较 准确的检测，车辆及道路路面变化对检测线圈损毁严重，导致维护成本上升、安 装和维护时必须关闭车道等。虽然目前应用很广，但对于城市交通而言环形线圈 检测技术并不适宜，目前国内多是采用在环形线圈检测的基础上增加可视的监视 设备作为辅助的方式。考虑其应用简单、成本低、检测准确度高，且不受环境影 响的特点，故对于高速公路、桥梁、隧道等场合，环形线圈检测还是有着广阔的 前景的。 视频检测技术是目前发展的主要方向，也必然是将来最主要的应用方式。计 算机处理器和存储器功能愈来愈强大，其价格却逐渐走低，这使得最初制约视频 检测技术发展的瓶颈不复存在，它的优点从而也得到了进一步的放大。功能强大、 图像直观、软件控制、便于升级，易于增添检测项目、使用方便、安装维修不破 坏路面，不封闭车道等诸多优点使得国内外的众多研究机构都将精力投入其中。 激光红外线检测技术主要应用于一些特殊的场合，本文不做详细介绍。 ( 2 ) 软硬件设施 随着摩尔定律的发展，嵌入式处理器的功能越来越强，而软件则由无操作系 统的直接程序控制时期，到专用的简单操作系统时期，再发展到了嵌入式操作系 统时期。 嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好。此后，嵌入 式商业操作系统开始得到蓬勃发展。目前国内外已有几十种商业化的嵌入式操作 系统可供选择，如v x w o r k s 、p s o s 、p a l m o s 、n e c u l e u s 、w i n d o w s c e 、u c l i n u x 等。 在一个成熟的嵌入式操作系统上进行应用开发是目前交通信号控制系统的主要 发展方向，目前我国的多数关于交通信号控制系统的研究都处于这个阶段。 近年来，互联网得到了飞速发展，这大大扩展了嵌入式系统的应用服务领域。 相应地，嵌入式软件涉及的面也愈发扩大。它不仅包括嵌入式操作系统等系统软 基于a r m 9 的交通信号控制机的设计与研究 件，还包括一系列支撑软件，如数据库、调试软件、网络通信协议、用户界面系 统等，当然也包括各种应用软件。即将进入基于i n t e r n e t 的嵌入式软件时期， 这是交通信号控制系统面向未来的发展方向。 ( 3 ) 控制方法 目前，我国大多数城市中的大多数交叉路口采用的控制方式是定时控制或者 是车辆感应式控制，其控制策略基于简单的数学模型，对于交通系统这样具有随 机性、模糊性和不确定性的复杂系统而言其效果往往不尽如人意。 随着计算机技术和自动控制技术的发展，模糊控制被引入到了交通信号控制 系统当中。模糊控制不需要建立精确的数学模型，减少了大规模的数学计算；能 吸收人工控制经验，模仿人脑的逻辑推理和决策过程，从而有效且便捷地实现人 的控制策略和经验；不仅控制过程简化，而且能满足实时性的要求。模糊控制也 有其缺陷，主要表现在精度不太高、自适应能力有限、易产生振荡现象。 作为智能控制的进一步发展，模糊控制与其它智能控制的复合产生了多种控 制方式。 自适应模糊控制器就是借鉴自适应控制理论的一些理念来设计模糊控制器， 也称作语言白组织模糊控制器，它的思想就在于在线或离线调节模糊控制规则的 结构或参数，使之趋于最优状态。目前对模糊控制规则的修正主要有：直接修改、 通过采用一种带有修正因子的控制算法来改变控制规则、对控制规则进行分级管 理提出自适应分层模糊控制器、提出规则自组织自学习算法对规则的参数以及数 目进行自动修正、更进一步的是采用神经网络对模糊控制规则及参数进行调整等 方法。 神经模糊控制是神经网络技术与模糊逻辑控制技术相结合的产物，是指基于 神经网络的模糊控制方法。人工神经网络是模拟人直观性思维的一种方式，它是 将分布式存储的信息并行协同处理，是一个非线性动力学系统，每个神经元结构 简单，但大量神经元构成网络系统能实现很强的功能，因此人工神经网络具有自 适应的学习能力、容错性和鲁棒性，并且神经网络对环境的变化具有较强的自适 应能力，所以可结合神经网络的学习能力来训练模糊规则，提高整个系统的学习 能力和表达能力。现有人工神经网络代表性的模型有感知器、多映射、b p 网络、 r b f 神经网络等。 4 到 通 与 论 制 能 进 器 的 了 的 基于a r m 9 的交通信号控制机的设计与研究 第二章相关理论与应用 2 1 交通流的基本理论 交通流理论的发展从二十世纪三十年代开始，在五十年代得到了迅速的发 展，相继出现了跟车理论、波动理论、排队理论等成果。1 9 5 9 年1 2 月在美国底 特律举行了首届交通流理论学术研讨会，使交通流理论进入了国际化研究阶段。 1 9 7 5 年d a n i e i g 和m a r t h o w j h 综合各方面的研究成果，出版了交通流理 论一书，加强了交通流理论研究的全面性和系统性，为交通流理论的研究内容、 方向和发展做出了重要贡献。 2 1 1 交通流的基本参数 表征交通特性的三个基本参数分别是：交通量q 、行车速度 ，、车流密度k 。 ( 1 ) 交通量q指在特定的时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一 条车道的交通实体数。交通量随时间和空间变化，通常取某一时间段内平均值作 为该时间段内的交通量，如式( 2 1 ) 所示。 1 q - i 刍吼 式中： ( 2 1 ) q ；一规定时间段内的交通量； ( 2 ) 行车速度v指区间平均速度，即在某一特定瞬间，行驶于道路某一特 定长度内的全部车辆的车速分布的平均值。 1 ，：_ b ：粤 ( 2 2 ) 丢砉毒骞r 。 一 北京工商大学硕士学位论文 t i 一第i 辆车的行驶时间； n 一行驶于长度为l 路段上的车辆数； v i 一第f 辆车的行驶速度； v 一区间平均速度。 ( 3 ) 车流密度k是指某瞬间单位道路长度上的车辆数目。 k：了n(2-3) 式中： k 一车流密度( v e h i k m l ； 一路段内的车辆数c e e h ) ； l 一路段长度( k m ) 。 车流密度大小反映一条道路上的交通密集程度。为使车流密度具有可比性， 车流密度也可按单车道来定义，同式( 2 2 ) ，而单位为：v e h k m 车道。 2 1 2 参数间的基本关系 交通流三个参数之间的基本关系式为： q = v k 式中： q 一平均流量( 辆i h ) ； v 一区间平均车速( k m l h l ； k 一平均密度( 辆ik m ) 。 2 1 3 交通流的统计分布 ( 2 4 ) 交通到达有某种程度的随机性，但也有规律可循：交通流中一定的时间内到 达某一断面处的车辆数属于一种离散分布；在交通流中车辆到达的时间间隔的规 律则是一种连续分布。在交通信号配时设计中，就是要利用交通流的这种随机分 布来预测一个信号周期内到达的车辆数。在描述交通流随机性的统计规律时，可 7 基于a r m 9 的交通信号控制机的设计与研究 用概率论中的离散型分布和连续型分布；当描述车速和穿越空档等之类的交通流 现象时，也可用连续型分布。下面对车流到达的离散型分布作简单介绍。 ( 1 ) 泊松分布 适用于完全随机现象，如车流密度不大，车流间互相影响情况少，其它外界 干扰因素也不多的情况。此时车流中的车辆不是连续不断的到达某断面，而是数 量不等的随机到达，驾驶员调节车速的余地大。泊松分布表达式见( 2 5 ) 。 e ( k ) - - 丁m - m = 鼍 ( 2 5 ) 式中： 最。) 一在计数间隔( 观测周期) t 时间内到达某观测断面处有七辆车 的概率； m 一泊松分布参数，由平均到达率求得的观测周期t 内的平均到 达车辆数( 辆5 ) ，m = a t ； a 一车辆平均到达率( 辆s ) ； t 一观测周期，即每个计数间隔持续的时间( s ) ； e 一自然对数底，取值为2 7 1 8 2 8 ( 2 ) 二项分布 适用于车辆比较拥挤，自由行驶机会不多的车流。表达式见( 2 6 ) 。 最：q ( 丝) t ( 1 一丝) 柑；k ：o ，1 , 2 ，以 ( 2 6 ) 式中： 鼻。) 一在计数间隔f 时间内到达某观测断面处有j i ：辆车的概率； a 一车辆平均到达率( 辆s ) ； t 一观测周期，即每个计数间隔持续的时间( s ) ； ，l 一正整数。 北京工商大学硕士学位论文 2 2 城市交通信号控制系统的基本理论 2 2 1 交通信号控制的基本参数 信号控制的参数主要有：周期长度( c y c l e ) 、绿信比( s p l i t ) 和相位差 ( o f f s e t ) 。控制系统就是通过调整和确定各路口在各车流方向上的这些参数值， 从而达到对交通流最佳的疏导与控制。 ( 1 ) 周期长度 即信号灯表示绿、黄、红一个循环所需的时间，单位为秒。 从疏散的角度来讲，当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周期内到达 的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉路口，就会发生堵塞现象。从减少车 辆等待时间的角度来计划，太长或太短的周期都是不利的。若周期太短，则发生 上述堵车现象；若周期太长，则某一方向的绿灯时间可能大于实际需要长度，而 另外方向的红灯时间不合理的延长，必然导致该方向车流等待时间的延长。正确 的周期长度应该是一个方向的绿灯时间刚好使该方向入口处等待车队放行完毕。 以一个十字路口为例，设两方向的到达率为d 。、d ：，通行能力为s 。、s ：， 绿灯时间g 1 、g 2 ，考虑司机反应和车辆起步的时间损耗为厶、l ：，周期时间长 度为f ，则有： t e d 。= ( g 1 一厶) s 。 ( 2 - 7 ) t e d 2 = ( g 2 - l 2 ) s 2 ( 2 8 ) 令s t 2 s ：2s ，又有g 1 + g ：= t 。( 忽略黄灯时间) ，由上两式可得周期长度： 厶+ l 2 t 2 荨专1一：! ：； ( 2 9 ) 上式中得到的f 。即为保证路口不堵塞的最小周期值，在实际应用中信号周期 长度常取最大允许值。 ( 2 ) 绿信比 为一个周期内绿灯时间g 与周期长度t 之比，即为： 9 通过 时间 交通 信号 称为 到八 东西 交通 个相 始时 流或 北京工商大学硕士学位论文 各路口间相位差，可以使一串路口的信号灯形成一条绿波带( 如图2 2 ) ，车队 通过这些路口时畅通无阻。 时问 干 周期 l ! c = 度 圭 口绿灯囝红灯 躐离 图2 2 相位差时距图 2 2 2 交通信号控制系统的常用性能指标 交通信号控制的目的是要使单个交叉口或交通网络获得良好的交通效益。常 用的交通效益指标有延误时间、排队长度以及通行量等。交通信号控制的评价函 数可以由设计者根据需要进行选择。 ( 1 ) 延误时间 延误时间是指车辆在没有交通信号和等待队列的阻碍下行走所需的时间和 实际的行程时间之差。交叉口进道口所有车辆的延误总计称作总延误；交叉口进 道口每辆车的平均延误称作平均延误。在信号化交叉路口，交通流的延误由两部 分构成：随机与过饱和延误、一致延误。前者是由交通流到达的随机性以及交通 流饱和度大于1 时出现超载所引起的。一致延误是交通流均匀到达但由于红、绿 信号灯交替变化而引起的额外延误。 ( 2 ) 排队长度 排队长度是衡量交叉路口信号控制的一个重要指标。目前，车辆在交叉路口 停车线后的排队长度计算分为三种情况： 非饱和条件下 在交通量还没有达到饱和状态时，可以采用下面的公式计算车辆在停车线后 的排队长度： 基于a r m 9 的交通信号控制机的设计与研究 l = l o + 厶 ( 2 - 1 2 ) 式中： 一绿灯开始前车辆排队长度； 厶一红灯开始前车辆排队长度； k 一红灯期间车辆排队长度，有 l o = e x p - ( 4 3 ) x ( ux t x q ，) 0 。5x ( 1 一x ) x 2 ( 1 一x ) 】 ( 2 1 3 ) l r = q vx 疋= q vx 仃- - t e g ) 吆t ( 1 一等) 咆t ( 1 训 ( 2 - 1 4 ) 上两式中： 吼一每单位路宽的饱和流量； q 。一每单位路宽的到达流量； 丁一信号周期： 毛g 一有效绿灯时间。 饱和条件下 假设t 一。表示第f 一1 个周期的车辆排队长度，l i 表示第f 个周期的车辆排队长 度，则有下面的递推公式： l i = 厶一1 + ( g 。一a ) g + q 。x t r ( 2 - 1 5 ) 式中： g 一绿灯时间； t 尺一红灯时间。 过饱和条件下 在过饱和条件下的车辆排队长度可根据下述公式确定： 三= 乞 o 一1 + 、| 1 2 囵( x - x ) ) ( 2 - 1 6 ) 式中： q 。一交叉路口入1 ：3 的通行能力； 北京工商大学硕士学位论文 x ，：0 6 7 + 鱼兰鱼。 6 0 0 ( 3 ) 通行能力 通行能力是指在实际的道路条件、交通条件和控制条件下，在一定时间内通 过进道口停车线的最大车辆数；饱和度是指实际到达的交通量与通行能力之比。 在一定的道路条件下，信号控制路口的通行能力受信号周期的影响。在正常 的范围内，周期时长越长，通行能力越大，但车辆延误和油耗等也随之越大；而 且在饱和度相当小时，片面的追求通行能力的提高，只会无谓的增加油耗和车辆 延误，对交叉口的交通效益无多大意义。 2 3 模糊控制理论基础 2 3 1 模糊集合和隶属函数 一般地，给定一个论域，把具有某种确定性质且彼此可以区别的对象组成的 一个整体称为集合。若用a 代表论域x 中的一个集合，x 表示论域中一个元素， 则把x 属于a 记为x e a ；否则x 不属于a ，记为x 岱彳。即论域中的任一元素， 要么属于某个集合，要么不属于该集合，决不会出现含混不清的情况。然而现实 生活中时刻存在着模糊概念，如“状况良好”、“温度有点高”等，它们的边界都 是不明确的。模糊集合的概念和普通集合的概念主要区别是不能绝对的用属于或 不属于来描述，也即论域上的元素符合概念的程度不是绝对的o 或1 ，而是介于 0 和1 之间的一个实数。 模糊集合定义为：给定论域x 中的一个模糊集4 ，是指对任意x x ，都为 其指定一个数心o ) 【0 ，1 】与之对应，这个数称为x 对a 。的隶属度。这意味着作 出一个映射： 心：x 呻【o ，1 】，x _ 心0 ) 称心为4 的隶属函数，以 ) 为x 对于4 的隶属度。 由模糊集合的定义可知，论域x 上的模糊子集4 完全由隶属函数心 ) 来刻 画。心( x ) 的取值范围为闭区间【o ，1 】，u 的大小反映x 对于模糊子集4 的从属程 基于a r m 9 的交通信号控制机的设计与研究 度。h ) 的值越接近l ，表示x 从属于4 的程度很高；心 ) 的值越接近0 ，则 表示x 从属于a 的程度很低。 当值域为 0 ，1 】时，隶属函数线已蜕化成一个普通集合的特征函数，模糊集 合也就蜕变成为一个普通集合。由此不难看出，普通集合是模糊集合的一种特殊 形式，即模糊集合是普通集合概念上的推广，隶属函数则是特征函数的扩展，特 征函数是隶属函数的一个特例。 2 3 2 模糊关系和模糊矩阵 模糊关系是普通关系的推广，在模糊集合论中，模糊关系占有重要地位，普 通关系只是描述元素问是否有关联，而模糊关系则是描述元素之间关联程度的多 少。模糊关系可以这样定义：设x 、y 是两个非空集合，则直积 x x y = ，y ) l x x ，y e y 中的一个模糊子集尺称为从集合x 到集合】，的一个模糊关系，也称二元模糊关 系。尺由其隶属函数心：x y 呻【0 , 1 】来刻画，心( x ，y ) 表明了( x ，y ) 具有关系尽的 程度。 当x ：】，时，称尺为x 上的模糊集合，当论域为n 个集合的直积 x 。xx ：x n ，则称尽为n 元模糊关系。 模糊关系通常可以用模糊矩阵来表示。 当x = 托l f = 1 ，2 ，所) ，y = y l 歹= 1 ，2 ，1 ) 是有限集合时，则xx y 的模糊 关系尺可以用下列m 咒阶矩阵来表示 尺= 1_ 2 r 1 。 厂2 1，2 2吃，厂2 。 i l2 勺 。 1 2 一 式中元素= ( ，y ) 。此表示模糊关系的矩阵，称为模糊矩阵，由于t r 的取 1 4 北京工商火学硕士学位论文 值区间为【0 ，1 】，因此模糊元素的值也都在【0 ，1 】区间。显然，模糊矩阵是普通矩 阵的特例，当聊= 咒时称尺为，l 阶模糊方阵，当勺全为0 时，y 0 冢r 为零矩阵。当 全为1 时，称为全矩阵。当，只在 0 ，1 中取值时，称尺为布尔矩阵，它对应一个 普通关系。 2 3 3 模糊控制的基本原理 模糊控制通过模糊逻辑的近似推理方法，把人的经验形式化、模型化，变成 计算机可以接收的控制模型，让计算机代替人来进行有效的实时控制。模糊控制 的基本原理可由图2 3 表示，其核心部分为模糊控制器，如图中虚线线框部分所 示。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现，实现一步模糊控制算法的过程 是这样的：采样设备经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比 较得到误差量e ，将误差量e 作为模糊控制器的输入量，通过模糊量化处理将精 确值变成模糊量，误差e 的模糊量可用相应的模糊语言表示。至此得到了误差e 的模糊语言集合的一个子集e 。再由e 和模糊控制规则尺根据推理的合成规则进 行模糊决策，得到模糊控制量“为“= 捌0 式中“是一个模糊量。 c ￥一 r 一。一+ 一+ 一一一一一一一+ 一+ 一一+ 一一+ 一一一一+ 一一一一。一+ 一一一一一+ 一一一+ 一二 ! 模糊控制器 给 图2 3 模糊控制原理图 为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量u 转换为精确量，这个过 程成为反模糊化处理( 亦称清晰化) ，得到了精确的控制量之后，通过执行机构作 用于被控对象，从而完成了一次的模糊控制过程。通过再次采样，进行第二次， 第三次的模糊控制，最终实现了被控对象的模糊控制。具体来说，实现模糊 控制主要有以下三个过程： 基于a r m 9 的交通信号控n , e j l 的设计与研究 ( 1 ) 模糊化 由于实际中输入值通常是连续变化的，所以必须将输入量变化范围由相关专 家评定来分成有限个级别，以便使输入量对应有限个模糊集。再根据隶属函数的 定义可以求出输入变量对各模糊集合的隶属度，这样就把普通变量的值变成了模 糊变量的值，完成了模糊化的工作。输入变量的值在内部论域时是普通数值，经 过模糊化以后变为【0 , 1 】区间内的隶属度。定义模糊集隶属函数通常采用三角形模 糊数与梯形模糊数。 ( 2 ) 模糊规则建立与模糊推理 仿照人脑的模糊推理过程，在模糊自动控制中也有一个推理法则，以便于在 有实时输入时做出模糊决策。常用的模糊推理方法有两种即广义前向推理和广义 反向推理。模糊控制规则采用“i f t h e n ”形式，i f 部分是规则的前提，t h e n 部分是规则的结论。若己知规则的前提求结论，是广义前向推理。若己知规则的 结论求前提，则是广义反向推理。模糊推理一般采用广义前向推理方法。 模糊控制规则是在控制过程中将操作人的经验去粗取精、去伪存真，总结成 若干条用自然语言描述的控制规则，模糊控制规则是以“i f t h e n ”形式表 示的模糊条件语句。所有规则都是并列的。 ( 3 ) 解模糊 解模糊的过程是模糊化的反过程，它是在模糊推理结果的基础上产生输出控 制量的数值。被控对象只能接受一个精确的控制量，因此必须从决策值模糊集中 判决出一个确切的清晰量。解模糊的过程就是将模糊推理得到的模糊集合映像到 输出量的普通集合的过程，即是从一个模糊量变为清晰量的过程。解模糊的方法 有最大隶属度法、取中位数法、加权平均法。 最大隶属度法 它是在输出模糊集合中选取隶属度最大的论域元素为判决结果。即 i f 。) = m a x 。( u 1 ) ，心( “f ) ，) t h e n u = 比。 这种方法的优点是简单易行，缺点是它概括的信息量较少，降低了一定的精 确性，而且这种方法在很大程度上忽略了心的形状所包含的信息。 1 6 北京工商大学硕：i 二学位论文 如果在多个论域元素上同时出现隶属度最大值，不能唯一确定，这时就应用 平均最大隶属度法。 平均最大隶属度法 该办法取所有达到控制作用隶属函数最大值的点的平均值作为判决结果。设 有q 个点比。，u 。：u 。的隶属函数值都达到最大值，则判决结果为 “= ( u m a x i ) g 或者比= u 。，+ “。哪) 2 ( 2 _ 1 7 ) 加权平均法 此法又称重心法，就是取输出模糊集合隶属度函数曲线与横坐标轴围成面积 的重心相应的输出当作精确值的输出。有两种形式 1 ) 普通加权平均法 “：翌竺。2 - 1 8 ， “= 生一 () t ) 2 ) 算术加权平均法 u ：进 。2 - 1 9 ， = 型一 () t 式中，权系数的选择可以根据实际情况来决定，当k i = ，) 时与前式相同。 取中位数法 取中位数法把控制作用模糊集的隶属函数与横坐标所围成的面积分为左右 两等份，取平分点为判决结果。 选择反模糊算法，现在还没有一个系统的规范方法或原则。在实际应用中， 重心法采用较多，一些研究试验结果显示重心法能给出较好的结果，有较好的稳 定性，它的输出是连续的而不是跳跃的。 2 3 4 模糊控制的优缺点 从广义上讲，模糊控制指的是应用模糊集合理论统筹考虑控制的一种控制方 1 7 基于a r m 9 的交通信号控制机的设计与研究 式，它具有如下优特点： ( 1 ) 模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需 立被控对象的数学模型，是解决不确定性系统的一种有效途径。 ( 2 ) 模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制影响不 显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。 ( 3 ) 由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实用性。 ( 4 ) 控制机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，由工业过 的定性认识出发，较易建立语言变量控制规则。 ( 5 ) 由不同观点出发，可以设计几个不同的指标函数，但对一个给定系统 言，其语言控制规则是分别独立的，且通过整个控制系统的协调，可取得总体 协调控制。 模糊控制的主要缺陷是： ( 1 ) 信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差。若 提高精度则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度， 至不能实时控制。 ( 2 ) 模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标。控制规则的选择 论域的选择、模糊集的定义、量化因子的选取等多采用试凑法，这对复杂系统 控制是难以奏效的。 2 4 自适应模糊控制