基于模糊控制的多相位交通信号控制系统

基于模糊控制的多相位交通信号控制系统

1模糊控制在城市交通流控制改革中的应用城市交通是一个复杂的系统，具有随机性、非线性和不确定性。传统的数学模型控制方法虽然取得了一些成果，但对复杂的交通条件的处理效果并不理想。模糊逻辑控制不依赖被控对象的精确模型，是基于规则的一种智能控制方式，特别适用于具有较大随机性的城市交通流控制。但目前多数模糊逻辑控制方法只是针对单交叉口两相位进行分析本文在考虑车流密度和平均车流速度的基础上，提出车流阻塞参数b，模糊逻辑控制的输入变量选择当前通行相位参数b2匝道阻隔程度的计算本文基于元胞自动机原理，采取Wolfram初等元胞自动机的184(10111000)号元胞自动机建立模型，车流参数如下：(1)车流密度ρ，指单位车道长度上车辆的多少：其中，cars表示车道上车辆的总数量；L表示车道的长度。以小型汽车为研究对象，一般小型车长度为5m，则检测区内(如100m)最多可容纳有100/5=20辆车，因此，L取20，即该段路内有20个元胞，最多容纳20辆车。(2)平均车流速度<v>，指车道上能移动的车辆与车道上车辆总数的比值：其中，motioncars表示车道上能够移动的车辆的数量；cars表示车道上车辆的总数量。(3)车流阻塞参数b，车流密度反映了车道上车辆的多少，而平均车流速度反映了车道上车辆的运行情况。相同的车流密度，平均车流速度可能不同；平均车流速度相同，车流密度也可大可小。如果只根据其中某一项，不能准确反应出车道上的车流阻塞程度。如果将两者均作为模糊控制的输入量，就会出现输入量偏多，设计和实现模糊控制时比较复杂。本文考虑将车流密度和平均车流速度统一为1个参数，使这个参数能准确反映车道的阻塞程度。参数b定义如下：其中，ρ表示车流密度；<v>表示平均车流速度；L表示车道长度。参数b是车流密度和平均车流速度的归一化参数，它既包含车流密度的信息，又包含平均车流速度的信息，可准确描述当前车道的车流阻塞情况，它具有如下性质：2)当b=0时，车道上无空闲位置，无车辆可以移动，处于严重阻塞状态；3)当b=1时，车道上无车辆，或有1部可移动车辆；4)随着b由0至1变大，车道阻塞状况逐步减轻。3信号转换加序控制交叉口信号控制是为了尽量减少车辆在路口的延误，减少交通事故，使车辆能安全、有序地通过路口。目前使用较多的是经典交通信号控制，它采用固定信号周期、固定红绿灯时间和固定相位转换次序的方法进行控制，无法对路口信号进行实时精确的控制，很难适应车流量剧增的当代城市交通。采用基于模糊逻辑控制(FLC)、人工神经网络(ANN)等方法的智能交通信号控制有明显的优越性，它根据信号控制的性能指标对信号周期、相位时间和相位转换顺序进行动态优化，能实时地传递路口交通情况并迅速给出控制策略。3.1控制思维本文研究的是4车道交叉口，有4个方向，如图1所示。相位方案采用4相位制，如图2所示。设各相位所对应的车流阻塞参数为b3.2ggep2和gstep3的相位选择本文采取的多相位信号控制策略：Step1指定各相位的最短绿灯时间GStep2对获得通行权的相位i最短绿灯时间GStep3在ΔGStep4相位i的下一个绿灯延长时间ΔGStep5根据红灯相位b和各自红灯持续时间t，用相序选择模糊控制器选择下一个通行相位。3.3模糊检测设计3.3.1延长蓝色信号的模糊控制器绿灯延长模糊控制器的输入量为通行相位的车流阻塞参数b(1)模糊化论域的添加Δb的模糊化：已知b∈[0,1],Δb=bb和b绿灯延长时间的模糊化：选其论域G为{0,3,6,9,12,15,18,21}，在此论域上定义的模糊子集为{0，很少，少，中等，多，很多}，简写为{ZO,VS,S,MO,M,VM}，如表3所示。(2)通信接口控制方式该控制规则的建立依赖于交叉口以往的具体情况，综合定时控制经验和交警经验实现对交叉口的交通控制，无须延长的情况可看作延长为0，用ZO表示，对不可能出现的情况用“-”表示。如图3所示。在上述规则中，控制可表示为“IF-THEN”的形式：IFB”=NBandB’=VFandB=VBTHENG=VM。(3)解模糊使用普通加权平均法3.3.2相位选择模糊检测器相位选择模糊控制器的输入变量为各相位的红灯持续时间t和车流阻塞参数b。(1)连续绿灯时间b的模糊化：与上文相同。在某相位通行时，其他相位都处在红灯状态，因此，每个相位根据通行情况都有自己的连续红灯时间t,t越大，则表明该相位没有得到通行权的时间越长。连续红灯时间t模糊化：其论域T为{20,40,60,80,100,120,140,160,180}，在此论域上的模糊化子集为{很短，短，适中，长，很长}，简写为{VS,S,MO,L,VL}，如表4所示。(2)vw、w,m,h,vh相位选择优先权模糊子集R为{很低，低，中，高，很高}，简写为{VW,W,M,H,VH}，如表5所示。在优先权相同的情况下(如有2个相位的优先权均为VH)，再根据持续红灯时间t来选择，选择其中t最大的相位，可保证车流量不大的相位也有机会被通行。4结果分析用vc仿真程序5模糊控制器设计本文设计的交通信号的模糊控制器，在输入变量的选取上，引入车流阻塞参数b，此参数融合了车流密度和平均车流速度两者的信息，可较准确地反映车道的阻塞程度。而且由于该参数的引入，使绿灯延长模糊控制器的输入减少为3个，模糊控制规则为7×5×5，共175条。若没有该参数，如果输入量选择通行相位ρ，车流密度差△ρ及下游与通行相位对应相位的ρ，则因为没考虑平均车流速度而使控制结果不理想；但如果同时考虑ρ和<v>，输入量增加到6个，模糊控制规则为7×7×5×5×5×5，共30625条，显然很难