智能交通控制系统中信号灯的模糊控制与算法.docx

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智能交通控制系统中信号灯的模糊控制与算法

摘要

随着经济社会的的不断发展，汽车的普及成了反应经济社会的的一大标志。

而随着汽车的发展，尤其是小汽车的快速发展，道路拥堵已经成为了我国大多数城市的焦点问题，如何才能减少拥堵和交通事故的发生时时刻刻考验着交管部门对交通的实际控制能力；根据实际情况，各个城市选择了不同的控制方法，而受到各方面原因的影响，就目前而言，大多数城市采用的定时控制，从控制效果来看，该系统已经满足不了快速增长的交通需求，为了更好的实现道路交通的管理，达到交通管理的先进性和科学化，人们想到了很多种控制方法，本文结合了当今城市交通控制和管理的现状，结合交通实际情况，提出了一种交通灯模糊控制系统设计方案，用MATLAB软件进行系统仿真结果表明该控制系统与当前的定时控制进行比较，控制精度高、智能化程度高、响应速度快和效率更好等特点，从而也提高了道路的利用，减少了交通拥堵等情况的出现！

关键词模糊控制；MATLAB软件；交通灯；交通流量；交通管理

Abstract

Withthedevelopmentofsocialeconomy,thepopularizationofcarshasbecomeasignofthereactionofeconomicandsocial.Andwiththedevelopmentoftheautomobile,especiallytherapiddevelopmentofthecar,roadcongestionproblemhasbecomethefocusofmostcitiesinourcountry,howtoreducecongestionandtrafficaccidentsalwaysteststheactualcontroloftrafficadministrationofthetrafficcapacity;Accordingtoactualcondition,citieschosethedifferentcontrolmethods,andundertheinfluenceofvariousaspectsreason,fornow,mostcitiesadopttimingcontrol,fromthepointofcontroleffect,thesystemcannotmeettherapidgrowthoftrafficdemand,inordertobetterrealizetheroadtrafficmanagement,toachievetheadvancedandscientifictrafficmanagement,peoplecameupwithallkindsofcontrolmethods,thispaperanalysesthepresentsituationofthecurrenturbantrafficcontrolandmanagement,combinationwiththepracticalsituationoftransportation,putforwardakindoftrafficlightsfuzzycontrolsystemdesignandsystemusingMATLABsoftwaresimulationresultsshowthatthecontrolsystemcomparingwiththecurrenttimingcontrol,highcontrolprecision,highintelligentdegree,fastresponsespeedandbetterefficiencyandothercharacteristics,thusimprovethewayofusing,reducetheemergenceofthetrafficcongestionsituation！

KeywordsFuzzycontrolMATLABtraffictrafficflowtrafficmanagement

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1交通灯的发展1

1.2研究的目的和意义1

1.3现阶段国内外对交通控制的研究2

1.4本论文的可行性分析3

第2章城市平面道路交叉口的控制4

2.1城市平面道路交叉口的定义4

2.2交叉口的分类4

2.3交叉口的交通信息调查6

2.3.1交通信息调查中的常用量6

2.3.2交通信息调查中常用量之间的关系9

2.4交叉口控制方法12

2.5城市智能交通控制系统阐述12

2.5.1智能控制的定义12

2.5.2智能交通控制系统13

2.5.3智能交通控制系统的分类13

2.6本章小结14

第3章模糊控制15

3.1模糊控制理论15

3.1.1模糊控制的定义和特点15

3.1.2模糊控制的重要组成15

3.2模糊控制中的隶属度函数16

3.2.1隶属度函数的定义16

3.2.2隶属度函数的确定16

3.3本章小结17

第4章单交叉口的模糊控制系统设计18

4.1交叉口交通量检测18

4.2模糊控制系统的设计18

4.2.1模糊控制系统的组成18

4.2.2模糊控制系统的控制过程19

4.3单路口多相位交通流模型20

4.4多相位交叉口模糊控制系统设计21

4.4.1模糊控制及算法21

4.4.2绿灯延时模糊控制器的设计23

4.5本章小结24

第5章系统仿真25

5.1仿真的准备25

5.1.1建立仿真环境25

5.1.2仿真的过程26

5.2仿真结果的分析29

5.3本章小结30

结论31

参考文献32

致谢33

第1章绪论

1.1交通灯的发展

自1885年德国人本茨发明世界上第一辆汽车以来，交通控制就是一直为人类所关注的问题之一，交通的控制与交通的安全时时刻刻伴随着每一个地球人，而在交通控制中尤为重要的部分就是交通信号灯，交通灯的发展主要有三个时期，主要是探索期、改进期、完善期。

探索期：

1858年，当时，英国首都伦敦的主要街头就安装了一种以燃烧煤气为光源的红、蓝两色的手动式机械信号灯，当然，当时主要用以引导马车的通行，这种交通灯是世界上最早的交通控制信号灯。

1868年，英国人德·哈特在伦敦的威斯敏斯特区议会大厦前广场内，装上了由红、绿两色组成的燃烧煤气交通灯。

它以红绿两色灯交替的方式控制来往交通，它主要由一条灯柱、红绿两色灯组成，红色代表停止，绿色代表通行。

非常不幸的是在诞生后23天，煤气灯突然爆炸，致使执勤警察死亡，英国当局果断取消了这种当时较为先进的交通灯。

在后来的几十年时间里交通灯一直处于停滞状态。

改进期：

20世界20年代初期（1914），美国最先恢复了交通灯，这次交通灯的复出，使得它一下子进入了电气时代，在结构方面也得到了进一步的发展，它由红、绿、黄三个投光灯构成，克利夫兰市是首先安装的城市，随后在纽约市大街上的一处铁塔上也安装了这种交通控制灯。

红灯代表停止，绿灯代表通行，黄灯表示等待。

在这个时期，交通灯得到了大力的发展，1918年，名副其实的交通灯诞生。

其间，最具有代表性的有带控制的红绿灯和用扩音器来启动的红绿灯，工作原理是安装一个压力探测器在道路下对道路车辆进行检测，当车辆接近红路灯时通过感应使控制灯变为绿灯；以扩音器来开启的红绿灯的工作原理是通过声音感知实行控制，司机遇红灯时按一下嗽叭红灯就会变为绿灯。

稍后一点出现的还有就是红外线控制的红绿灯，这种主要用于人的通行，当行人踏上对压力存在感应的路面时，交通灯能很快的发现有人将要通过马路，红外光束就会把信号灯的红灯延长一段时间，直到行人安全通过后踏上路口对面的压力感应器才显示绿灯对汽车放行，这样就避免了交通事故的发生。

完善期：

20世界以来，交通灯得到了很大的发展，控制方法也在日益的完善，交通法规也在进一步的改善，但是，随着世界经济的不断发展，汽车数量不断的增加，交通拥堵越来越厉害，这就有必要进行新的交通控制的研究，以用来改善日益增长的交通要求！

交通信号灯的发展从出现到现在经历了三个世界，它的的出现，使原本混乱的交通控制得到了解决，效果较为显著的有：

交通流的疏导、交通事故的控制和道路通行能力的提升等方面。

1.2研究的目的和意义

本课题的研究目的是在于如何对现阶段城市交通的拥堵进行改善，城市交通拥堵很多情况下又都是有控制的缺陷造成的，鉴于当前城市交通控制系统的不完善，交通事故不时发生，本文介绍了一种模糊控制方法，通过对系统进行模糊化处理，再进行离线训练来完成控制，本系统能随时根据车辆排队情况队智能控制信号灯的时间进行调整，通过检测通行相位的排队车辆数量和下一相位的车辆排队数量作为信息，得出通行相位以及下一个相位时间内的车流通行密度，来确定是否对相位进行变相调节。

通过计算每个周期内交叉口的平均延误时间来作为控制的标准，平均延误时间的多少是判断控制器性能的主要依据。

意义：

当前我国定时交通信号灯控制抑制了交通控制的灵敏度，试想如果在十字路口能减少流量少的相位浪费的时间，使其它交通流量大的相位上车辆利用这些时间进行通行，这样的话大大的提高了交通灯的利用效率，减少了高峰期其它相位交通流少而相位不变的时间浪费，提高了道路交通运输能力。

1.3现阶段国内外对交通控制的研究

我国国内早期有关交通控制的技术主要部分基本上都是引进和学习外国的技术，国内相对来说起步比较晚，具有代表性的有北京市的TRANSYT、SCOOT控制系统和上海、宁波、天津等城市引进使用的SCATS系统。

城市交通控制理论是以同自动控制理论及技术为基础发展发展而来的,自动控制理论及技术在城市路面交通控制中的广泛应用,对促进我国城市路面交通控制理论的发展起了不可替代的作用。

近几年，我国的交通工作者和研究学者对道路交通控制进行了大量的探讨，最具有代表性的有徐冬玲提出的基于感应控制思路的交叉口神经网络模糊控制方案；陈森发等提出的关键车流和非关键车流的概念；顾怀中、王炜等人提出的交叉口信号调时的退火全局模拟优化算法；刘智勇、朱劲等人提出的多相位单交叉路口模糊感应控制器；张莉、马岩等人提出的分形几何控制理论应用于交通流控制，值得一提的是这种控制非常适合我国当前的城市复杂交通现状；还有就是王秋平、谭学龙等人提出的城市单交叉口信号配时优模型。

这些都大大提高了我国自主研究交通信号控制的自主水平。

相比之下，国外对道路交通的控制走的时间比较长，所以经验也相对丰富些，开始的时间也要早得多，但是由于不断更新的交通方式，使交通控制不得不对多样化的交通进行新的研究。

早在20世纪70年代初，多国就也开展了对交叉口信号控制的研究，这经历了一个漫长的时期，从开始的固定控制到可变控制、定控到变控、点控制到面控制这些都是这一时期主要研究对象。

走在这些国家最前例的要数英国，英国于1996年研发了世界上最早的也是当时世界上最为先进的TRANSYT系统，我国首都现在都还用的这套系统的影子，可想而知，它的完整性还是非常只好的；随后，澳大利亚从也开发了SCATS系统。

后来英国又对TRANSYT进行优化，在TRANSYT原有的基础上研发了一套自适应系统SCOOT。

除此之外，Pappis提出的城市单向单路口模糊控制方法；Park等提出的一种针对固定周期的信号控制优化方法；YiJiang等人提出的基于车队的主次干道的交通信号配时方法；GhassanAbu-lebdeh等人提出的拥挤状态的交通信号控制方法。

这里值得一提的是Pappis提出的城市单向单路口模糊控制方法第一次把模糊数学应用在交叉路口的信号控制中去，可以说，它的提出翻开了城市道路交通控制全新的一页。

1.4本论文的可行性分析

2002年的一份调查数据显示，当前国内大多数城市在交叉口的控制上都采用的是定时控制系统，当遇到车流量很大时经常会出现两次或者两次以上的单相位等待时间，根据我国大多数城市的规划，往往在这一时刻另一相位上的车流量相对少很多，这种现象使司机和乘客非常愤怒，同时也是对资源的一种浪费，如何完善交通控制方法成了火烧眉毛的事。

针对定时控制的不足，人们提出来一种智能交通控制系统，它的出现使原本固定的模式被打破，使交通得到了更好的控制，目前，智能控制系统已经取得不少成果，已经有少量国家运用智能控制方法来控制路面信号灯，具有代表性的GPS全球定位系统就是其中的一种，但是该系统的价格相当昂贵，很多发展中国家根本承受不了。

本论文针对我国现阶段大多数城市的定时交通信号灯控制的落后现状，设计一种基于模糊神经网络的交通灯模糊控制方法。

采取对交通流信息模糊化处理，再根据改进后的离线计算，能够快速的进行调节，随时根据交通流量情况智能控制该相位上的信号灯相位时间（主要调节红灯和绿灯），其原理是对当前相位上排队车辆的多少和下一相位排队车辆的多少进行智能检测来算出这两个相位上各自的车流密度，通过分析车流密度来进行判断是否对相位时间进行调节。

通过对该控制系统仿真结果的分析表明，该系统控制精度、响应速度、智能化程度和鲁棒性都要好于其它控制系统。

同时该系统也减缓了滞留现象，有效抑制空道耗时情形发生，提升了道路交通运输率，再与全球定位系统相比较，其成本更低，更适合大部分发展中国家的需求。

第2章城市平面道路交叉口的控制

2.1城市平面道路交叉口的定义

所谓城市道路平面交叉口就是城市中有两条或者更多条来自于不同方向上道路的相交之处，这里我们一定要注意，必须是在同一平面上相交（与立体交叉口分开），主要可以分为简单交叉口（通常不设交通管制）、有信号灯的交叉口、环形交叉口，以下我们简称交叉口。

作为城市交通的重要组成部分，平面交叉口具有的交通特点如下：

（1）右转车流基本上不会影响交叉口的控制，冲突点的存在主要来自于左转车流；

（2）随着相交路数的增多交通特征点个数也随之增加，冲突点是这些特征点中增加最快的；

（3）分流点、合流点和冲突点的产生主要来自于不同方向上的交通流汇合所产生的干扰。

2.2交叉口的分类

我们常说的城市交通控制，主要指的就是交叉口交通控制，主要有T形、Y形、十字形、X形、多路形等形式，有的还有错位形路口的说法，所谓错位形路口，其实就是T形和Y形路口在很短的距离内两次或者两次以上出现，下面我们就来介绍一下常见的几种交叉口：

一、十字形交叉口

所谓十字形交叉路口就是四个岔道呈“十”字形的平面交叉路，两条道路之间的夹角在90°±15°之间,且各个道路口都有三个流向，左转，右转和直行，一般右转车流不会受到系统的控制，如下图2-1。

图2-1十字交叉口

二、T形交叉路口

T形交叉路口的定义是由一条主干道的一边分出来一条道路的路口，两条线路之间的夹角在90°±15°之内,这种路口也称为三路交叉口，如图2-2。

图2-2T形交叉口

三、Y形交叉路口

由三条道路相交，且两两相交的夹角θ＞105°或θ＜75°的三条车道组成的路口，这种路口比较特殊，往往在设计控制的时候不能按常规控制办法来进行控制，如图2-3。

图2-3Y形交叉口

四、X形交叉路口

两两相交的道路，相邻两条车道夹角θ满足θ＞105°或θ＜75°的交叉口我们就叫X形交叉路口，这种路口是在十字形路口的基础上发展而来的，所以在控制方面跟十字交叉路口差别不大，如图2-4。

图2-4X形交叉口

五、多路形交岔路口

在交叉位置上有5条或者5条以上车道相交所组成的交叉口我们统称为多路形交叉口。

多路交叉口车辆聚集的密度相对来说比较高，交通状况也非常复杂，路口一般的交通流比较大，控制难度也随之增大，如图2-5。

图2-5多路形交岔路口

2.3交叉口的交通信息调查

2.3.1交通信息调查中的常用量

谈到交通信息的调查，研究最多的主要有交通量的调查、交通密度的调查和速度的调查，对于城市交通控制研究，首先要研究的就是这三者它们在控制过程中所起的作用和三者之间的一些关系，这样才能有效的了解交通信息，从而进行判断和控制。

一、交通量

交通量：

在指定时间范围内，经过路面上某一点、某一切面或者某条车道上的车数目，通常我们所说的交通量都指的机动车产生的交通量，交通量的种类有很多，其中具有代表性的有平均日交通量（ADT）、年平均日交通量（AADT）、月平均日交通量（MADT）、周平均日交通量（WADT）、周日年平均日交通量、小时交通量等。

1、平均日交通量

把在调查时间里记录的交通量总和除以调查的天数和得到的平均数我们就把它叫为平均日交通量，简称ADT，表达式如下：

（2-1）

式中：

Qi代表调查期里第i天的交通量，辆∕天；

n表示观测的天数，1d＜n＜365d。

2、年平均日交通量

某年里通过调查点的车辆数之和除以该年的天数和，所得到的平均值就是年平均日交通量，简称AADT。

（2-2）

式中：

Qi代表调查期里第

天的交通量，辆∕天；

3、月平均日交通量

一个月里通过观察点的交通体总量除以这个月的天数的平均值就称为月平均日交通量，简称MADT。

（2-3）

式中：

Qi代表调查期里第

天的交通量，辆∕天；

n表示当月的天数。

4、周平均日交通量

一周里通过观察点的交通体总量除以本周的天数和（7天）所得到的平均数就称为周平均日交通量，简称WADT。

（2-4）

式中：

Qi代表调查期里第

天的交通量，辆∕天；

5、周日年平均日交通量

所谓周日年平均日交通量：

就是将一年中每周某日的交通量总和除以这一年里选定的那周该日的总天数得到的平均值。

6、小时交通量

某一天某个小时（可以是整小时，也可以说小时内的某分到下一小时的某分）内通过观察点的交通体数量叫做小时交通量，单位是辆∕h。

二、交通密度

交通密度：

在固定长度车道上，短暂存在道路上的车辆数，换而言之某个行车车道上或某路段上固定长度的交通体数进行说明，其单位是辆∕（km·车道），在计算交通密度的时候，通常我们用下面的计算式进行计算，计算式如下：

（2-5）

式中：

K代表交通密度，辆∕（km·车道）；

s代表车头平均间距，单位为m。

注：

车头间距指的是同条车道上前后两辆车中间的距离，一般选车辆身上具有代表性的位置，如保险杆等。

但是，一般我们在研究中都不直接来对交通密度进行研究，通常的做法是用车辆在道路上的占用率表示交通密度，车辆的占用率高，交通的密度也就大，车道的道路占用率一般分为空间占用率和时间占用率两种，下面我们简单介绍一下这两种占用率。

1、空间占有率

在设定长度的直道上，车辆的投影长度占用道路的百分率，主要用它来表示观察路段上的交通负荷程度，这个对我们后面的设计有很大的帮助，可以通过它知道排队车辆的数量，在计算中的表达式如下：

（2-6）

式中：

RS表示空间占用率，％；

L表示调查路段总长度，m；

li表示第

辆车的长度，m;

n表示调查路段上的车辆数，辆。

2、时间占用率

在某一个观察点，车辆通过所用时间总和与测量时间之比，车辆的设计占用率不但跟交通量有关，也跟车本身长度和地点车速有关，这就可以帮助我们在后面的研究中预知下一相位的排队长度，其表达式如下：

（2-7）

式中：

RS表示空间占用率，％；

ti表示第

辆车通过观察断面所用的设计，单位s。

T表示调查时间长度，单位s;

n表示调查路段上的车辆数，辆

三、车速

车速其实就是车辆在运动过程中的速度，一般都是随时间的变化而变化的，它是一个随机量，但是为了我们研究，往往我们要对车速进行了解，通常在调查中用的有地点车速、区间车速、行驶车速和设计车速，在这之外还有时间平均车速和区间平均车速【6】。

1、地点车速

车辆经过路面上某个点或者某断面的瞬间速度就叫做地点车速，有人也叫点车速，表达式如下：

（2-8）

式中：

v表示地点车速，单位m∕s；

L表示调查的路段长短，单位m。

注：

式中t一般很短，通常以2—4s为限制。

2、行驶车速

车辆驶过规定长度的路程跟运行时间的比就为行驶车速，它是一个平均值，并不代表在这个过程中车辆一直都是这个速度。

3、区间车速

车辆通过一段长度的路程跟总时间的比值，跟行驶车速有一点点区别，区间车速它还包括了车辆在途中损失的时间，比如说因为堵车，它和行驶车速一起，都是评估路段行车通畅与否和推算行车延误的主要资料。

4、设计车速

在一切外在因素都保持良好的条件情况下，仅考虑道路方面的原因所保持的最大行车速度，它是估算道路最小规格线形示例的依据。

5、时间平均车速

车辆通过某观察点时，观察时间内地点车速的算术平均值，平时我们都简称为平均速度，计算式如下示：

（2-9）

式中：

vt代表时间平均速度，单位km∕h；

vi代表第

辆车的地点速度，单位km∕h；

n代表调查时间里测得的车辆数。

6、区间平均车速

在某个给定瞬间，行驶在路面某个给定长度里的所有车辆的车速平均值就叫区间平均车速，表达式如下所示：

（2-10）

式中：

vt代表区间平均速度，单位km∕h；

ti代表第

次行程的运行时间，单位h；

L表示行程长度，单位km；

n表示行驶该路程L的次数。

区间、时间平均车速两者之间存在如下所示联系：

（2-11）

2.3.2交通信息调查中常用量之间的关系

通过研究，如果区间车速与密度均针对相同的道路区段，会有如下的相关关系。

L路段上车流密度为：

（2-12）

N号车通过L路段所用的时间：

（2-13）

N号车通过B断面时交通量为：

（2-14）

对上面三式进行整理有：

（2-15）

通过深入的研究我们发现，交通量、交通密度和车速之间不仅仅只有这些小的关系，它们之间的相关曲线关系还依赖于交通状况，也就是说在不同的地点是不同的，不仅如此，就是在相同的地点，不同的时间段也有很大的变化，下面我们就来更深入的讲解它们之间的关系。

1、速度—密度的关系

在实践生活中，我们随处可以看到这种情况，当路面上交通体增多、车流密度增大时，车辆的速度相对畅通的情况要慢得多，当车流密度减小时，车辆的速度又不知不觉的加快，这就说明，密度与速度之间存在某种关系。

经过长期的研究，人们发觉，速度随密度的增加出现单调减小，1933年，格林希尔兹最终提出了速度—密度相互关系模型：

（2-16）

图2-6速度-密度关系图

利用图2-6，我们可以进行交通量的推算，如果在C点，速度为vm，密度为km，那交通量

，也就是图中那个长方形的面积。

2、交通量—密度的关系

根据（2-15）和（2-16）我们可以推出以下公式：

（2-17）

由（2-17）我们建立函数模型，不难得出交通流量与密度两者的函数关系，如图所示：

图2-7交通量—密度关系图

从图中我们不难看出：

如车流密度很小时，交通量很小，密度增加，交通量也跟着增大，密度为临界密度Km时，交通量有最大值Qm，密度继续增大时道路开始阻塞，最后使交通量为零；由原点分别向曲线作矢量，矢量的斜率代表的是区间平均车速。

3、交通量—速度的关系