對(duì)交通信號(hào)燈模糊控制的自主創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

0 引言
近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，城市化、汽車化的急速發(fā)展，城市道路增長(zhǎng)的有限與車輛增加的無(wú)限造成了嚴(yán)重的交通擁擠問(wèn)題，其中以交叉口的交通擁堵問(wèn)題最為嚴(yán)重。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，每年因交通堵塞造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)幾十億美元，現(xiàn)已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)的瓶頸。可見(jiàn)，交通擁堵現(xiàn)狀亟待解決。而有效地利用當(dāng)前交通信號(hào)控制系統(tǒng)的作用，尋找一種更適用于實(shí)際情況的交通信號(hào)控制方案又是解決該問(wèn)題的主要途徑。因此，本文的研究就顯得意義重大。 當(dāng)前存在的交通信號(hào)控制方案主要有定時(shí)控制、感應(yīng)控制、基于數(shù)學(xué)模型的自適應(yīng)控制和模糊控制等。其中當(dāng)前存在的兩級(jí)模糊控制方案是目前控制效果相對(duì)較優(yōu)的一種，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉口交通信號(hào)燈的實(shí)時(shí)控制。但它仍存在許多問(wèn)題，其中一個(gè)最大的不足在于它不能準(zhǔn)確地顯示出紅、綠燈相位的時(shí)間，沒(méi)能與能降低闖紅燈率和交通事故率，且具有人性化特征的信號(hào)系統(tǒng)顯時(shí)裝置結(jié)合運(yùn)用，這也是其不易運(yùn)用到實(shí)際情況的癥結(jié)所在；另外，有些兩級(jí)模糊控制在第一級(jí)控制模塊中，其采取的輸入變量只考慮了相位排隊(duì)長(zhǎng)度和車流到達(dá)率，而沒(méi)有考慮各相位車輛等待時(shí)間。此時(shí)若一個(gè)相位的車輛一段時(shí)間內(nèi)一直都很少，那照該控制方案就只能讓其一直等待，這必將造成其控制的不合理。
基于此，本文針對(duì)當(dāng)前控制效果相對(duì)較好的模糊控制的不足之處，同時(shí)結(jié)合對(duì)當(dāng)前各種常用交叉口交通信號(hào)控制方案的全面對(duì)比與深入分析，沿用了各種控制方案的優(yōu)點(diǎn)，完善和彌補(bǔ)其不足之處，最終設(shè)計(jì)出了一種更適用于實(shí)際情況的新型兩級(jí)模糊控制方案。該新方案對(duì)隨機(jī)交通流的適應(yīng)性強(qiáng)，彌補(bǔ)了定時(shí)控制的缺點(diǎn)；同時(shí)，綜合考慮了綠燈相位和紅燈相位，且對(duì)相位繁忙優(yōu)先性進(jìn)行了考慮，彌補(bǔ)了感應(yīng)控制的缺陷；另外，對(duì)模糊器進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)與當(dāng)前運(yùn)用成熟的定時(shí)控制的信號(hào)系統(tǒng)顯時(shí)裝置進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮了信號(hào)系統(tǒng)顯時(shí)裝置的優(yōu)點(diǎn)，利用了可視化的時(shí)間來(lái)降低闖紅燈率和交通事故率，使其更具人性化，對(duì)交通現(xiàn)場(chǎng)的適用性更強(qiáng)。

1 交叉口交通平面幾何設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與相位設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)當(dāng)前城市交叉口交通平面幾何設(shè)計(jì)和相位設(shè)計(jì)的具體情況進(jìn)行深入調(diào)研并參考了大量文獻(xiàn)后，確定出當(dāng)前相對(duì)最優(yōu)的一種交叉口交通平面幾何設(shè)計(jì)方案如圖1所示。交叉路口分東、南、西、北四個(gè)通行方向，每個(gè)通行方向均有左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)三股車流。

針對(duì)當(dāng)前存在的各種相位設(shè)計(jì)方案，從其交叉口利用率、安全性、人性化和實(shí)用性等方面綜合分析對(duì)比后，確定出當(dāng)前相對(duì)最優(yōu)的相位設(shè)計(jì)方案如圖2所示，即南北直行、南北左右轉(zhuǎn)、東西直行和東西左右轉(zhuǎn)，行人和非機(jī)動(dòng)車可以在第1相位和第3相位開(kāi)通時(shí)順利通行。本文將以此為研究對(duì)象。

2 交通信號(hào)新型兩級(jí)模糊控制思想
新型兩級(jí)模糊控制方案的整體控制圖如圖3所示，先通過(guò)車輛檢測(cè)器檢測(cè)出當(dāng)前所有處于紅燈相位的等待車輛數(shù)和各車流方向自上次綠燈以來(lái)的紅燈持續(xù)時(shí)間，然后將檢測(cè)出來(lái)的交通流數(shù)據(jù)傳送到新型兩級(jí)模糊控制器。

第一模糊控制級(jí)接收到車輛檢測(cè)器檢測(cè)出的紅燈相位等待車輛數(shù)和紅燈持續(xù)時(shí)間后，經(jīng)過(guò)該模糊控制級(jí)處理推出當(dāng)前各紅燈相位的繁忙度，從而可以確定出在當(dāng)前綠燈相位跳轉(zhuǎn)前一瞬間下一個(gè)該亮綠燈的等待相位。同時(shí)，找出繁忙度最大的2個(gè)相位，并返回去得到這繁忙度最大的2個(gè)相位的交通流數(shù)據(jù)(即這兩相位的相位等待車輛數(shù))。
第二模糊控制級(jí)通過(guò)對(duì)繁忙度最大的兩個(gè)相位的交通流數(shù)據(jù)處理后，推出下一個(gè)綠燈等待相位的綠燈時(shí)間，并將該綠燈時(shí)間傳到交通顯時(shí)信號(hào)燈上。當(dāng)?shù)鹊缴弦痪G燈相位亮完綠燈后立即讓第一級(jí)模糊控制選出的綠燈等待相位顯示綠燈，同時(shí)使其顯示綠燈時(shí)間，其顯示時(shí)間即為第二級(jí)模糊控制確定出的綠燈時(shí)間。這樣周而復(fù)始的運(yùn)行，即可很好地對(duì)交通流進(jìn)行實(shí)時(shí)智能控制了。
另外，還充分考慮到在實(shí)際交通信號(hào)控制中，控制方案應(yīng)人性化且適用性強(qiáng)。對(duì)此，對(duì)其紅綠燈顯時(shí)控制系統(tǒng)做了如下規(guī)定：顯示綠燈的相位顯示準(zhǔn)確的綠燈運(yùn)行時(shí)間；對(duì)于紅燈相位，只對(duì)下一個(gè)綠燈相位就是它的紅燈相位顯示時(shí)間，且只在當(dāng)前綠燈相位綠燈時(shí)間即將結(jié)束前瞬間(假定5 s)，使其顯示準(zhǔn)確的紅燈倒計(jì)時(shí)間。顯示了紅燈時(shí)間的相位即表示下一相位該它通行，而其他不顯時(shí)間的紅燈相位，表示需要多等待，下一相位不是它。這樣充分發(fā)揮了現(xiàn)有顯時(shí)交通信號(hào)裝置的優(yōu)勢(shì)，更易遵守，更具人性化，更適用于實(shí)際交通情況。

3 新型兩級(jí)模糊器的設(shè)計(jì)
3．1 第一級(jí)模糊控制器的設(shè)計(jì)
該模糊級(jí)為紅燈相位選擇模塊，該模塊為雙輸入單輸出模糊控制，其兩個(gè)輸入為：當(dāng)前處于紅燈相位的等待(排隊(duì))車輛數(shù)(qr)和各車流方向自上次綠燈以來(lái)的紅燈持續(xù)時(shí)間(tr)，輸出為各紅燈相位的繁忙度(Ur)。
qr的基本論域?yàn)閇0，30]，離散論域?yàn)閧1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14}，在離散論域上定義5個(gè)模糊子集{很短、短、中等、長(zhǎng)、很長(zhǎng)}；