基于模糊識別的高速公路交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)

　　1 引 言

　　高速公路是連接大中城市的主干通道，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用，保持高速公路良好的運輸能力是管理部門面臨的挑戰(zhàn)。盡管高速公路的里程在不斷增加，卻仍然滿足不了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，大量的車流涌入高速公路，使得高速公路上也時常出現(xiàn)交通擁擠甚至堵塞的現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)交通阻塞時，高速公路通行能力極大地降低，已經(jīng)不能發(fā)揮其作為主干道的作用。

　　為了更有效地利用高速公路，就應(yīng)該在出現(xiàn)擁擠和堵塞前采取措施，使高速公路始終處于交通流量最大的狀態(tài)。這就需要采集交通流數(shù)據(jù)并識別高速公路的運行狀態(tài)，并將交通流信息及時發(fā)布，調(diào)整交通流量。

　　通過交通信息發(fā)布等手段控制高速公路交通流量是一種簡捷有效的手段。當(dāng)高速公路的交通出現(xiàn)擁擠時，在高速公路上的交通效率已經(jīng)很低，即使不限制進(jìn)入高速公路的車輛，如果司乘人員能夠及時獲取高速公路上的交通流信息，也會自覺選擇其他交通狀況更好的通道，從而使高速公路上的交通流自動減壓，保持高速公路的交通順暢。這可以使交通資源得到最大程度的利用，使高速公路保持在最佳狀態(tài)下運營。隨著高速公路信息化建設(shè)的快速發(fā)展，在公路建設(shè)的附屬工程中一般都完成了通信、收費、監(jiān)控三大系統(tǒng)的施工，埋設(shè)了檢測線圈等交通流檢測設(shè)備，提供了各種型號的情報板，為完成交通誘導(dǎo)創(chuàng)造了良好的外圍條件。

　　在信息發(fā)布過程中，對于司乘人員來講，沒有必要清楚知道具體的交通流信息，如交通量、速度、占有率等，只需要知道模糊的交通狀態(tài)就可以了。因此，需要將系統(tǒng)檢測得到的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)，變化為更容易識別和判斷的圖形信號。

　　2 描述交通狀態(tài)的參數(shù)及采集方法

　　要判斷交通狀態(tài)，就需要采集描述交通狀態(tài)的參數(shù)。一般需要采集平均車速、平均交通量、平均自由行駛速度、通行能力(最大交通量)。交通流數(shù)據(jù)是離散的，在計算機(jī)實現(xiàn)中，獲取各參數(shù)的公式為：

　　設(shè)狀態(tài)采集周期為T，在N個點采集交通狀態(tài)，第i個采集點通過的車輛數(shù)為Ci，每個采集點的權(quán)重為Wi，則有：

　　式(4)為在特定氣象條件下較長的時間內(nèi)平均速度的最大值，式(5)為在特定氣象條件下較長的時間內(nèi)平均交通量的最大值。

　　由于交通密度的數(shù)值難以確定，在此處，只要判斷密度是增加還是減小即可。判斷密度變化趨勢的方法是：采集路段起始端一個周期內(nèi)通過的車輛數(shù)Gin，路段結(jié)束端同一周期內(nèi)通過的車輛數(shù)Gout：

　　如果連續(xù)幾個周期內(nèi)Cr>0，則表明交通密度在減少，如果連續(xù)幾個周期內(nèi)Cr<0，則表明交通密度在增加。

　　在獲取如上參數(shù)后，可以進(jìn)一步采用模糊控制的方法評估交通狀態(tài)，從而進(jìn)行自動控制。 3 獲取交通狀態(tài)的模糊算法采用信息誘導(dǎo)的辦法，應(yīng)該保持信息具有一定的穩(wěn)定性。信息的頻繁變化往往難以達(dá)到理想的交通控制效果，并且增加了實現(xiàn)的難度，使用模糊識別的方法，可使信息保持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，可以減少信息變化頻率，比較好地調(diào)節(jié)交通流量的分配，優(yōu)化交通管理。

　　使用模糊識別的方法，首先要確定模糊集，通常模糊集分為7個，分別為：負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大，在本問題中，考慮交通狀態(tài)從感官上要易于識別，將其簡化為3個模糊集分別對應(yīng)于如下交通狀態(tài)：堵塞、比較擁擠、正常，如表1所示。

　　在表示交通狀態(tài)的各個參數(shù)中，到底哪一個參量最能體現(xiàn)交通的擁擠程度?通過對模糊子集的描述可以知道，用平均速度來描述道路的擁擠程度相對比較合理。當(dāng)交通密度很大時，在管理水平比較高和氣象條件比較好的情況下，不一定形成堵塞，所以用交通密度來衡量交通擁擠情況并不客觀(如圖1的ρ-υ關(guān)系圖所示，ρ在增長到一定值時，速度才發(fā)生變化);同樣，交通量也不能全面反映擁擠情況，因為對應(yīng)于一個交通量，可以有兩種交通密度(如圖2所示)。當(dāng)擁擠到達(dá)一定程度時，所引起的后果必然是平均速度下降，直至零(堵塞)，如圖3所示。因此，用速度可以比較客觀地表達(dá)交通效率。

　　從個體車輛的角度，必然追求利益最大化，希望以自由速度行駛。從管理者的角度，也追求效益最大化，希望交通設(shè)施能得到最大程度的利用。而道路是公共設(shè)施，因此，參照圖1～圖3可知，當(dāng)交通流的速度為最大交通量時，對應(yīng)的交通密度為ρa(bǔ)，其所對應(yīng)的速度為υa，此時，道路的利用率最高。在對交通狀態(tài)進(jìn)行模糊化時，υa是一個重要的參數(shù)。

　　由于自由行駛速度是變化的，在此采用相對值，用Vs=υ/υf來表示速度的相對理想狀況，用V。表示最大交通量時對應(yīng)的速度，Va=υa/υf在實際交通中，Va是氣象環(huán)境和交通流綜合作用的結(jié)果，而且當(dāng)交通密度大于ρa(bǔ)時，會在較短的密度變化范圍內(nèi)形成擁擠甚至堵塞。根據(jù)經(jīng)驗值，將速度值劃分為3段，[0，Va/2)，[Va/2，Va)，[Va，1]作為隸屬度函數(shù)的定義域，并采用相對比值法，確定交通狀態(tài)。

　　描述υs與隸屬度μ的關(guān)系如圖4所示。

　　對臨界點m，有μA(m)=μB(m)(可此可彼)，在這種情況下，應(yīng)該采用積極調(diào)節(jié)的原則，將m點的狀態(tài)判定到更需要調(diào)節(jié)的模糊集A中。

　　令X屬于υs，則各隸屬度函數(shù)表達(dá)式為：

　　通過上述公式，可以計算得到隸屬度，進(jìn)而計算交通狀態(tài)：TS=Max(μA,μB,μC)。將該狀態(tài)送給誘導(dǎo)管理子系統(tǒng)，由誘導(dǎo)管理子系統(tǒng)將其發(fā)送到情報板上，誘導(dǎo)車輛采取合適的行使策略。

　　4 誘導(dǎo)信息的合成與發(fā)布

　　在完成交通狀態(tài)的模糊化后，可通過情報板發(fā)布交通狀態(tài)數(shù)據(jù)。通常情況下，用紅色代表堵塞，用黃色代表擁擠，用綠色代表暢通，分別對應(yīng)于路段隸屬度值TS。

　　在交通信息發(fā)布時，僅向車輛發(fā)布當(dāng)前路段的信息意義并不大，只有將后續(xù)路段及平行相鄰路段的信息同時發(fā)布，才能為司乘人員提供繞行參考路線，真正起到交通誘導(dǎo)的作用。

　　通過交通的狀態(tài)識別，可以獲得道路交通狀態(tài)表，參照道路關(guān)系表，即可獲得交通誘導(dǎo)信息如表2，表3所示。

　　通過表2和表3，在某一路段出口前，可以發(fā)布交通狀況信息，以備司乘人員選擇行駛線路。在西安繞城高速公路南段由東至西方向，將要到達(dá)長安收費站時，情報板上的信息如圖5所示。

　　在圖5中，長安南路和丈八東路為黃色，交通擁擠，速度較慢，從當(dāng)前的長安路出口到電子城出口之間為紅色，交通擁擠嚴(yán)重，已接近堵塞，西萬路為綠色，交通暢通。

　　5 結(jié) 語

　　由于在高速公路上發(fā)生交通擁擠及交通堵塞通常會降低交通資源的使用效率，因此在高速公路管理中實施交通誘導(dǎo)控制是必要的。采用模糊識別的方法，識別交通狀態(tài)和氣象狀態(tài)并合成交通誘導(dǎo)信息，可以在一定程度上控制交通流的分布，避免交通擁擠，提高高速公路的利用率。