交通路口混合交通流的分布式模糊控制.pdf

第16卷 第4期 2003年10月 中 国 公 路 学 报 China Journal of H ighway and Transport Vol116 No14 Oct 2003 文章编号 100127372 2003 0420067205 收稿日期 2002211201 基金项目 国家杰出青年科学基金项目 60125310 引进国外杰出人才基金项目 1999 0359 作者简介 高海军 19762 男 浙江宁波人 工学硕士研究生 交通路口混合交通流的分布式模糊控制 高海军 陈 龙 石松泉 中国科学院自动化研究所 复杂系统与智能科学重点实验室 北京 100080 摘 要 考虑非机动车辆对路口信号控制的影响 提出了交通路口混合交通流分布式模糊控制的一 种新方法 基于北京体育馆西路路口的实测数据 利用德国V ISSI M仿真软件进行仿真 验证了该 分布式模糊控制方法是一种有效的方法 关键词 交通工程 混合交通流 分布式模糊控制 系统仿真 中图分类号 U 4911112 文献标识码 A D istributed fuzzy control under hybrid traff ic flow of a traff ic intersection GAO Hai2jun CHEN Long SH I Song2quan The Key L aboratory of Complex System and Intelligent Science Institute of A utomation of Chinese A cademy of Science Beijing 100080 China Abstract A uthors consider the infection of non2vehicle to intersection signal control and put for2 w ard a distributed fuzzy controlmethod under hybrid traffic flow of a traffic intersection Final2 ly authors si mulate using the V ISSI M si mulation softw are based on data ofW est Road intersec2 tion of Beijing Stadium and verify the efficiency of the distributed fuzzy controlmethod under hy2 brid traffc flow Key words traffic engineering hybrid traffic flow distributed fuzzy control system si mulation 0 引 言 路口信号控制的研究 特别是单路口的信号控 制研究已经相当的成熟 许多学者已经作了相关的 研究 如GARTN ER 1 L I N和COOK 2 等 最近一 些学者对它的研究主要集中在人工智能技术上 专 家系统 人工神经网络 模糊推理等 其中最早将模 糊规则应用于交叉路口的是PA PP IS和MAM2 DAN I 3 仿真结果表明 对交叉路口进行模糊控制 比传统控制减少延误时间达7 中国学者陈洪 等 4 在PA PP IS等人的基础上作了进一步的研究 其结果又有所提高 徐建闽等 5 在文献 3 4 研究 的基础上提出了孤立交叉口信号控制的一种新型模 糊控制算法 但是 文献 1 5 中一般只是考虑机动车辆对 路口信号控制的影响 没有考虑路口非机动车辆的 影响 由于中国非机动车辆仍然会保持相当大的数 量 因此 交通路口如果仍然使用以往的方法进行路 口信号控制 处理的结果有时很不理想 笔者正是考 虑到这个因素 提出了混合交通流情况下孤立交叉 口分布式模糊控制方法 这种方法比较好地解决了 交通路口混合交通流情况下的信号控制问题 1 路口信号分布式控制模型 笔者所研究的路口如图1所示 从图1可以看 出 此路口有四个方向 每个方向有两个感应线圈 上游感应线圈和停车线线圈 上游感应线圈是用来 测量驶入该方向的机动车数量 停车线线圈用来测 图1 路口几何模型 量驶出该方向的机动 车数量 非机动车辆也 可以用专门的感应线 圈进行测量 在图1中 不加以描绘 在路口信号控制 模型中 主要有四个模 块 非机动车辆模块 相位选择模块 观测模块和决策模块 非机动车辆模 块主要考虑非机动车辆对路口信号控制的影响 相 位选择模块主要来选择下一个相位 观测模块主要 考虑绿灯相位机动车辆的状况 决策模块主要是来 决定当前绿灯相位是否需要延长 具体的结构如图 2所示 图2 模型结构 111 非机动车辆模块 为了方便计算非机动车辆的影响度 笔者提出 非机动车辆影响度 的概念 一般某个相位非机动 车辆的影响度 是该相位非机动车辆数量Qf和该 相位方向的饱和流量Qb的一个函数 即 f1 Qf Qb 非机动车辆多 对路口的影响就大 因此 在上 面公式中影响度 是Qf的一个递增函数 同时影响 度是饱和流量Qb的一个递减函数 因为当某个相位 的饱和流量比较大时 说明这个相位所能容纳的非 机动车辆的数目比较多 因此 非机动车辆的影响度 相对地减少 本文影响度 的计算公式定义如下 Qf Qb 1 112 相位选择模块 相位选择模块就是为下一个即将到来的相位选 择一个最合适的相位 笔者所研究的路口在一个信 号周期内有四个相位 相位选择模块就是当某个绿 灯相位即将结束的时候 从剩下的三个红灯相位中 选择一个最急切放行的相位作为下一个相位 以往 的研究当中一个信号周期内的相位顺序一般是固定 不变的 这样的话即使当某个相位车辆过多时 它也 必须等到前面的所有的相位放行之后再轮到它放 行 这可能会导致这个相位车辆排队过长而造成整 个路口的交通阻塞 相位选择模块就是要解决这样 的问题 它的主要目的就是在一个信号周期内 先放 行那些等待车辆比较多的相位 然后再放行车辆比 较少的相位 这样就保证各个相位不会因为车辆过 多而造成路口的拥挤 为了方便选择相位 引入急切度 的概念 一个 相位的急切度 是该相位排队的机动车辆数Qq 感 应线圈之间的机动车辆数Qg和非机动车辆影响度 的一个函数 即 f Qq Qg 急切度 是Qq的一个递增函数 当某个相位排 队的机动车辆数增加的时候那么这个相位的急切程 度也就增加 这里需要说明的一点是 一般一个相位 有两个车流方向 例如东西直行就有东向西的车流 和西向东的车流 因此这个相位的排队机动车辆数 一般也有两个 一个是东方向的排队车辆数Qq1 还 有一个是西方向的排队车辆数Qq2 上面公式中所说 的相位排队的机动车辆数是相位两个车流方向的最 大值 即 Qq max Qq1 Qq2 同时可以比较明显地看出 相位的急切程度 也 是两感应线圈之间车辆数Qg的一个递增函数 可这 样理解 当某个相位两感应线圈之间的车辆数多时 说明下一个时刻这个相位的排队车辆数就会增多 因 此这个相位的急切度 就会增加 这里同样需要说明 的是 两感应线圈之间的车辆数也是相位两个车流方 向两感应线圈之间机动车辆数的最大值 即 Qg max Qg1 Qg2 以往的研究不考虑非机动车辆的影响 因此在 计算路口相位急切度的时候不需要考虑非机动车辆 的影响度 6 笔者考虑了非机动车辆的影响 因此 相位的急切度 是非机动车辆影响度 的一个函 数 而且是一个递增函数 当某个相位的非机动车辆 增多的时候 这个相位的非机动车辆的影响度就大 从而这个相位的急切度也就大 这跟实际的情况是 比较符合的 需要说明的一点是 一般规定某个相位车辆连 续等待的时间不能超过150 s 当连续等待时间过 长 等待的驾驶员就会产生烦躁的情绪 因此当某个 相位连续等待时间T很大时 无论这个相位的急切 度 是多少 先放行这个相位 这样保证每个相位等 待的时间不会过长而影响驾驶员的情绪 为连续等 待时间设置一个阀值 当连续等待时间T超过阀值 时 选择模块直接就选择这个模块 本文急切度的计 算公式定义如下 86 中 国 公 路 学 报 2003年 1 Qq Qg 2 113 观测模块 观测模块的主要功能就是观测绿灯相位车辆的 变化状况 观测绿灯相位的车辆是多还是少 在这个 模块中引入转换度的概念 也就是当前绿灯相位需 要转化到一个相位的程度 当绿灯相位的车辆数较 少的时候 转换度就比较高 当绿灯相位的车辆数较 多的时候 转换度就比较低 转换度 一般是绿灯相 位两感应线圈之间的车辆数Q g和非机动车辆的影 响度 的一个函数 即 f3 Q g 一般转换度 是Q g的一个递减函数 当绿灯相位两感应线圈之间 的车辆还比较多的时候 一般是稍微延长此相位的 绿灯时间 从而绿灯相位的转换度就要小一点 转换 度 同时也是非机动车辆影响度 的一个递减函 数 当绿灯相位的非机动车辆影响比较大的时候 绿 灯相位一般应该稍微延长一点 因此转化度应该小 一点 本文转换度的计算公式定义如下 1 Q max Q g 3 式中 Q max为相位两感应线圈之间所能测量到的最 大值 114 决策模块 一般绿灯的间隔包括下面三个参数 7 分别是 损失时间Tlost 最小绿灯持续时间Tm in和最大绿灯 持续时间Tmax 损失时间包括在绿灯相位开始时的 启动损失时间和在绿灯相位结束时的制动损失时 间 最小绿灯持续时间Tm in为每一个相位被提供的 最小绿灯时间 这样可以保证绿灯的信号足够的长 使得单个汽车能够安全的通过交叉路口 最大绿灯 持续时间Tmax为每个相位被提供的最大绿灯时间 决策模块的主要任务就是决定当前绿灯相位的 绿灯最小时间即将结束的时候是否需要延长此绿灯 相位的时间 如果不需要延长绿灯时间 那么就转换 到下一个相位 如果需要延长绿灯时间 那么就把此 绿灯相位的时间进行延长 但是延长时间不能超过 最大绿灯持续时间Tmax 这是为了保证某个相位等 待的时间不至于过长而影响驾驶员的情绪 决策模块的输入量分别是相位选择模块的输出 变量急切度和观测模块的输出变量转换度 在决策 模块中主要利用模糊规则来决定绿灯相位是否需要 延长时间 首先 决策模块把急切度和转换度的值进 行模糊化 然后根据模糊规则进行推理来决定当前 绿灯相位是否需要延长以及延长时间的长短 最后 再来解模糊具体输出是否延长以及具体的延长时间 是多少的问题 2 模糊控制器的设计 在上面的信号控制模型的最后一个模块中 主 要利用模糊规则来解决绿灯时候延长以及延长时间 长短的问题 在本部分主要是为最后一个模块来设 计具体的模糊控制器 从图2可以比较清晰地看到 决策模块有两个模糊输入变量和一个输出变量 输 入变量 急切度 转换度 输出变量 绿灯延长时 间Te 以上输入变量 和输出变量Te的隶属函 数分别如图3 4所示 图3 输入变量隶属函数 具体的模糊规则如表1所示 表1 孤立路口模糊控制的模糊规则 很小小较小较大大很大 很小长较长中等较短短零 小较长中等较短短零零 较小中等较短短零零零 较大较短短零零零零 大短零零零零零 很大零零零零零零 图4 输出变量隶属函数 到此可以看出 以 上的信号控制模块的 主要思想是 先计算非 机动车辆对各个相位 的影响度 然后相位选 择模块选出下一个相 位再计算出此相位的 急切度 再根据观测模 块计算出绿灯相位的转换度 最后根据选择出来的 相位以及计算出来的急切度和转换度利用模糊规则 来决定绿灯相位是否需要延长 一般情况下 当急切 度不是很大而同时转换度比较小的时候 绿灯相位 的时间应该延长并且应该长一些 当急切度比较大 且转换度比较大的时候 绿灯相位的时间不应该延 长或者延长的时间应该尽量短一些 96第4期 高海军 等 交通路口混合交通流的分布式模糊控制 3 仿真实验及结果分析 下面通过北京市体育馆西路路口的实测数据来 验证上面信号控制模块的有效性 图5 10给出了 体育馆西路早上7 00到下午1 00的机动车辆和非 机动车辆的实际情况 机动车辆的测量时间间隔为 15m in 由于非机动车辆相对来说比较大 测量的时 间间隔取5 m in 从图9 10可以明显看出此路口的 一个特点 即在早上7 00到9 00 非机动车辆比较 多 存在着一个很明显的高峰期 这个高峰形成的主 要原因是上班和上学的人群 由于高峰期非机动车 辆的数量比较大 如果不考虑非机动车辆 用以前的 模糊方法对此路口进行信号控制 那么所得到的控 制效果往往不是很理想 图5 北口机动车流量 图6 南口机动车流量 图7 西口机动车流量 笔者用德国的V ISSI M仿真软件进行仿真 德 国的V ISSI M仿真软件不仅考虑到机动车辆而且考 图8 东口机动车流量 图9 南北方向非机动车流量 图10 东西方向非机动车流量 虑到了非机动车辆 因此仿真结果比较可信 仿真时 间采用15 m in 路口各方向的饱和流量取 东西方 向饱和流量为4 800 vel h 南北方向的饱和流量为 2 400 veh h 每个相位的损失时间取Tlost 3 s 最 小绿灯时间Tm in 15 s 最大绿灯时间Tmax 45 s 具体的仿真结果同体育馆西路不考虑非机动车 辆影响的一般模糊控制相比较 体育馆西路路口原 来采用两相位信号控制 即 东西直行 双左拐 南 北直行 双左拐 在这里性能指标主要采用路口各个方向一个周 期内的平均排队长度以及15 m in内的各个方向的 停车次数 具体结果如表2所示 为了更加详细地比 较两种控制的结果 进行了连续的多次仿真 每次仿 真时间仍然为15m in 下面采用的性能指标使用路 口非机动车辆和机动车辆总的停车次数以及路口非 机动车辆和机动车辆在一个周期内总的平均排队长 度 所谓一个周期内总的平均排队长度就是把一个 07 中 国 公 路 学 报 2003年 周期内各个相位的平均排队长度相加 具体计算结 果见图11 12 图11 平均排队长度比较 图12 停车次数比较 表2 仿真结果比较 性能指标 控制方法 不考虑非机动车辆影响 的一般模糊控制 考虑非机动车辆影响 的分布式模糊控制 东西南北东西南北 平均排队长度 veh 停车次数 机动车95367102107 非机动车21461124 机动车18583211491039813535 非机动车10210118316314510176142 从图11 12可以明显看出现在分布式模糊控制 方法要比传统模糊控制方法要好一些 特别是在 8 00左右的时候 效果更加明显 这是因为在8 00 左右 由于上班 上学人群的影响 非机动车辆对路 口的影响增大 传统的模糊控制没有考虑非机动车 辆的影响 而分布式模糊控制考虑了非机动车辆的 影响 4 结 语 城市交通的智能控制是今后发展的必然趋势 模糊控制是其中的一种有效方法 笔者建立了交通 路口混合交通流状况下分布式模糊控制模型 从仿 真实验中可以分析得出 该模型具有以下优点 1 该模型综合考虑了机动车辆和非机动车辆 使得控制效果更加理想 2 该信号控制模型的其中一个模块是相位选 择模块 它主要用于选择下一个相位 从而改变了一 个周期内相位的顺序 使得相位的变化更加灵活 适 应路口实时变化的交通流状况 3 该模型的决策模块采用模糊规则 这样使得 该模型接近人的一般思维 使得模块具有较强的通 用性和移植性 总之 该信号控制模型比较好地解决了交通路 口的混合交通流信号控制问题 在实际的交通路口 中影响路口的因素比较多 除了非机动车辆的影响 外还有行人等因素的影响 将来为了更好地进行路 口控制 可以把行人的因素加以考虑 在上面的分布 式模糊控制模型中再增加一个行人影响模块使得此 模型更加完善 参考文献 1 GARTN ER N H A demand2responsive strategy for traffic signal control A T ransportation Research Record 906 C W ashington DC T ransportation Re2 search Board 1983 81 85 2 L I N COOKE Potentialperformancecharacteristicsof ad