相位差模糊控制在線(xiàn)控制算法中的應用設計

摘要：在兩級遞階控制模型基礎上，針對不同的控制參數，完成相應的模糊控制器設計。詳細介紹了相位差模糊控制器的原理和設計過(guò)程，并將交通信息參數的變化量加入到了模糊控制器的輸入中，增加了模糊控制器的準確性和全面性。通過(guò)對實(shí)際干線(xiàn)的實(shí)例仿真證明本設計方法可以有效地減少車(chē)輛的平均延誤時(shí)間。
關(guān)鍵詞：城市交通信號控制；線(xiàn)控制；相位差模糊控制；論域變換

0 引言
隨著(zhù)我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和社會(huì )的不斷進(jìn)步，各種車(chē)輛保有量逐年增加，城市交通需求和交通供給的矛盾越來(lái)越突出，交通擁擠狀況越來(lái)越嚴重。據研究表明，交通擁擠往往突出表現在道路的交叉口處，而主干線(xiàn)是城市交通的主體部分，又是保證城市社會(huì )經(jīng)濟活動(dòng)正常運轉的主動(dòng)脈，因此對于主干線(xiàn)上交叉口的協(xié)調控制研究就顯得很重要。
傳統的控制方法通過(guò)建立精確的數學(xué)模型或預先人為地設定多套方案，控制效果都難以盡如人意。而模糊算法是基于規則和經(jīng)驗的，不需要建立精確數學(xué)模型，比較適合于交通系統應用，所以本文在模糊算法的基礎上做進(jìn)一步的研究。
1977年P(guān)appis首先將模糊邏輯概念應用到交通控制，從此模糊方法開(kāi)始在交通領(lǐng)域中應用。Nakatsuyama．M基于模糊神經(jīng)結構來(lái)構建定性智能系統知識推理模塊，以完成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通控制。K．Kaqolanumu等則利用模糊規則與算法更新相位及綠燈時(shí)間實(shí)現了針對孤立路口的智能控制器。還有其他很多文獻都有模糊方法的不同使用，但是在干線(xiàn)交叉口的協(xié)調控制上，采用多個(gè)模糊控制器進(jìn)行協(xié)調控制的方法，目前還沒(méi)有在相關(guān)文獻中看到。
本文在前人研究的基礎上，基于兩級遞階控制模型，針對不同的控制參數，分別設計相應的模糊控制器，并詳細介紹相位差模糊控制器的設計過(guò)程。

1 線(xiàn)控制的路口模型
線(xiàn)控制的基本思想是：把干線(xiàn)上一批相鄰交叉口的交通信號進(jìn)行協(xié)調控制，使得進(jìn)入干線(xiàn)的車(chē)隊按某一車(chē)速行使時(shí)，能不遇或者少遇紅燈。
在干線(xiàn)控制中，一般指定一個(gè)關(guān)鍵交叉路口為相位差基準參考點(diǎn)。大量的應用實(shí)踐表明：當相鄰交叉口之間的距離超過(guò)800 m時(shí)，整條干線(xiàn)上的協(xié)調控制反而不如各交叉口的單獨控制效果好，因此在本文中假設線(xiàn)控路口模型中相鄰兩交叉口的距離均適合采用線(xiàn)控制方式。
城市交通信號線(xiàn)控制的路口模型如圖1所示。

設每個(gè)路口的每個(gè)方向有三個(gè)車(chē)道，分別為左轉、直行和右轉車(chē)道。本文選擇較為常用的四相位控制，對各向左轉相單獨設置相位，讓該相位有充足的時(shí)間和空間放行，這樣消除了直行車(chē)和對面左轉車(chē)的沖突，提高了行車(chē)安全，由于車(chē)輛都是靠右行駛的，所以右轉車(chē)流不加控制。為了保證線(xiàn)控制系統的穩定，本文采用固定相序。路口相位相序示意圖如圖2所示。

2 線(xiàn)控制的分級遞階模糊控制算法
線(xiàn)控制中有三個(gè)控制參數：周期C、綠信比λ和相位差tos。進(jìn)行線(xiàn)控制時(shí)要保證每個(gè)交叉口的周期相同，從而保證干線(xiàn)的相位差穩定。綠信比是根據各交叉口的排隊長(cháng)度實(shí)時(shí)確定；相位差是根據路口距離以及路段速度確定。如果同時(shí)考慮信號周期、綠信比和相位差的優(yōu)化，將使問(wèn)題的求解過(guò)程十分復雜。根據系統工程中大系統分解一協(xié)調思想，本文對線(xiàn)控制采用兩級遞階結構，其結構圖如圖3所示。

第一級為控制級，主要由n個(gè)相似的模糊邏輯控制器組成。其主要任務(wù)是：根據檢測器檢測的交通信息參數來(lái)分別確定每個(gè)交叉路口的綠信比，并在每周期末把交通信息參數和綠信比傳送給協(xié)調級；
第二級為協(xié)調級，其主要任務(wù)是：根據控制級傳來(lái)的交通信息參數，確定線(xiàn)控制中的公共周期以及各路口的相位差。
本文詳細介紹相位差的模糊控制器設計，其他的控制單元可以參照設計。

3 相位差模糊控制器的設計
在干線(xiàn)協(xié)調控制中相位差是關(guān)鍵控制參數之一。相位差即交叉口協(xié)調相位綠燈開(kāi)啟時(shí)間之間的差值。
由相位差的概念很容易想到用交叉口之間的距離除以車(chē)流速度就可以得到相位差，即求解相位差的關(guān)鍵就是求解兩交叉口之間的車(chē)流速度。而車(chē)流的速度總是和車(chē)流密度密切相關(guān)連的，這是由于駕駛員出于安全考慮，總是根據車(chē)輛間距的大小來(lái)調整自己的車(chē)速。鑒于此，文獻都是以線(xiàn)控制本信號控制階段的車(chē)輛密度為模糊控制器的輸入來(lái)決定下一信號控制階段的車(chē)流速度。本文在前人研究的基礎上提出增加一個(gè)輸入——本信號控制階段和上一信號控制階段的車(chē)輛密度的差值，來(lái)決定下一信號控制階段的相位差，這樣就把車(chē)輛密度的變化趨勢考慮進(jìn)來(lái)了。
相位差模糊控制器的輸入為本路口和上一路口之間的車(chē)輛密度ρ和車(chē)輛密度變化值△ρ，輸出為車(chē)流速度v。
相位差模糊控制器的設計框圖如圖4所示。

(1)論域變換
①確定輸入、輸出變量的基本論域
輸入：交叉口前車(chē)流密度一般在0～120之間變化，所以車(chē)流密度的基本論域為[0，120]；交叉口前車(chē)流密度變化值一般在-30～30之間變化，所以車(chē)流密度變化的基本論域為：[-30，30]。
輸出：車(chē)速一般在0～90之間變化，所以車(chē)速的基本論域為[0，90]。
②確定輸入、輸出變量的論域元素
選用的ρ論域為：{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}；
選用△ρ的論域為：{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}；
選用v的論域為：{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}。