摘要：用模糊控制方法對(duì)單路口多相位的交通信號(hào)進(jìn)行控制，提出以當(dāng)前相的主隊(duì)列和后繼相的主隊(duì)列決定信號(hào)配時(shí)的方法，并用Matlab及其模糊邏輯工具箱實(shí)現(xiàn)二維模糊控制器。以通過(guò)交叉口的平均車輛延誤作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，衡量該控制器的控制性能，采用Matlab編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了交叉口六相位的仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明控制效果比較好。
關(guān)鍵詞：單路口交通 多相位 模糊控制 仿真 MATLAB
單路口交通控制就是確定交叉路口紅綠燈的信號(hào)配時(shí)，使通過(guò)交叉口的車輛延誤盡可能小。
MATLAB 是國(guó)際上流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)語(yǔ)言和軟件工具，其提供的模糊邏輯工具箱拓展了MATLAB對(duì)模糊邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，已經(jīng)成為運(yùn)用模糊手段解決工程問(wèn)題的有力工具。筆者用MATLAB軟件并結(jié)合其模糊邏輯工具箱，實(shí)現(xiàn)了該模糊控制器及其仿真。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明控制效果優(yōu)于定時(shí)控制。
1 交通信號(hào)模糊控制思想
單交叉路口交通流分布如圖1所示。東、南、西、北四個(gè)方向，每個(gè)方向均有右行、直行和左行三個(gè)車道車流。在每條入口道上設(shè)置兩個(gè)信號(hào)檢測(cè)器構(gòu)成一個(gè)檢測(cè)區(qū)，一個(gè)設(shè)在停車線處，用于檢測(cè)該道的車輛離開數(shù)；一個(gè)設(shè)在距第一個(gè)檢測(cè)器D處，用于檢測(cè)車輛到達(dá)數(shù)。距離D一般為80～100m。檢測(cè)器對(duì)路口各個(gè)車道車流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)而獲取車流量信息，為模糊控制提供必要的數(shù)據(jù)。
令qjk 表示第j相位對(duì)應(yīng)的兩個(gè)方向的車輛等待隊(duì)列長(zhǎng)度（下稱隊(duì)長(zhǎng)），j=1,2,3,4,5,6，為相位序號(hào)，k=1，2，qjk∈[0,Qlimit]， Qlimit=D/L，L為單位車身長(zhǎng)度�？紤]某個(gè)周期T，在T內(nèi)第I相位末時(shí)（第I相將由綠轉(zhuǎn)紅）作一車輛等待隊(duì)列長(zhǎng)度設(shè)為qjk(i)，則：
式中qjk(i-1)為周期T內(nèi)第（i-1）相位末時(shí)jk車道的車輛等待隊(duì)列長(zhǎng)度。Cjk(i)為第i相位jk車道的車輛到達(dá)數(shù)，gjk(i)是第i相位從紅燈變?yōu)榫G燈后的車流離去數(shù)。
依據(jù)各個(gè)車道的車流信息，以路口流通能力最大或排除候車的時(shí)間最短為目標(biāo)，對(duì)交叉路口交通信號(hào)進(jìn)行模糊控制，實(shí)時(shí)確定各個(gè)相位的配時(shí)，因而周期和綠信比是不定的。設(shè)ei（i=1,2,3,4,5,6）是第i相位的綠燈配時(shí)，它由路口實(shí)時(shí)檢測(cè)的車流量決定。具體地說(shuō)，每一相交通信號(hào)的配時(shí)是由該相位的主隊(duì)列和后繼相的主隊(duì)列兩者決定的。所謂主隊(duì)列是一個(gè)相位兩個(gè)方向中車輛等待數(shù)較大的等待隊(duì)列，又稱關(guān)鍵車流[3]。
2 模糊控制器的設(shè)計(jì)及模糊響應(yīng)表的構(gòu)造
所謂模糊控制就是在控制方法上應(yīng)用模糊集合論，運(yùn)用模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯揄實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。這種方法擺脫了控制對(duì)象輸入、輸出物理量的精確描述，用自然語(yǔ)言描述專家控制策略，以機(jī)器模擬人的模糊思維對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效控制。模糊控制系統(tǒng)原理如圖3所示[4]。
在實(shí)際控制過(guò)程中，將計(jì)算機(jī)采樣的輸入量
（精確量）模糊化，經(jīng)模糊揄確定控制量的模糊值，最后進(jìn)行反模糊處理獲得控制量的實(shí)際輸出，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。
2.1 確定模糊控制器的輸入輸出變量
根據(jù)有文所述，單路口交通的多相位模糊控制器是一個(gè)二維模糊控制器。其輸入是當(dāng)前相的主隊(duì)列qp和后繼相的主隊(duì)列qs，輸出是綠燈時(shí)長(zhǎng)相對(duì)于設(shè)定配時(shí)M的增量Δe。qp和qs有以下三種組合：（右行，直行）、（直行，左行）、（左行，右行），分別對(duì)應(yīng)左行相、直行相、左行相的控制。以直行相為例討論控制器的設(shè)計(jì)，其它相位的控制與此相似，不復(fù)述。
設(shè)qp是直行主隊(duì)列長(zhǎng)，qs是左行主隊(duì)列長(zhǎng)。直行隊(duì)長(zhǎng)基本率域?yàn)閇0,Qlimit]，設(shè)其論域?yàn)镼，Q={0,2,3,4,5,6,7,8,9,10}。在論域Q上的定義的五個(gè)模糊子集為{很短，短，中，長(zhǎng)，很長(zhǎng)}，
簡(jiǎn)記為{VS，S，M，L，VL}。直行隊(duì)長(zhǎng)的隸屬函數(shù)定義見圖4.從基本論域到論域的線性變換公式為：
y=(10x)/Qlimit （2）
左行隊(duì)長(zhǎng)qs基本論域?yàn)閇0,Qlimit]，設(shè)其論域?yàn)镾，S={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}。在論域上亦定義五個(gè)模糊子集{VS，S，M，L，VL}，各模糊子集的隸屬函數(shù)見圖5。從基本率域到論域的線性變換同公司(2)。
綠燈時(shí)長(zhǎng)e∈[gmin,gmax]，設(shè)定配時(shí)m可取，控制器的輸出Δe=e-m，其實(shí)際變化范圍為[（gmin-gmax）/2，（gmax-gmin）/2]。
設(shè)其論域?yàn)镋，為便于選取變量的詞集，定義E={-6,-5,-4,…,4,5,6}。在E上定義的七個(gè)模糊子集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記為{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}。圖6是輸出變量各模糊子集的隸屬函數(shù)。
2.2 確定模糊控制規(guī)則
確定控制規(guī)則的原則是：當(dāng)?shù)却?duì)列長(zhǎng)或很長(zhǎng)時(shí)，增加綠燈時(shí)間，選取的輸出以放行、減少車輛等待為主；而當(dāng)?shù)却?duì)列較短時(shí)，選取的控制量以防止綠燈時(shí)間浪費(fèi)為出發(fā)點(diǎn)。通過(guò)總結(jié)實(shí)踐和專家經(jīng)驗(yàn)，建立了模糊控制規(guī)則表，如表1所示。一共有5×5=25條控制規(guī)則。
表1 直行相模糊控制的規(guī)則表
