基于模糊識別的高速公路交通流誘導系統

　　1 引 言

　　高速公路是連接大中城市的主干通道，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中發(fā)揮著(zhù)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(mén)面臨的挑戰。盡管高速公路的里程在不斷增加，卻仍然滿(mǎn)足不了經(jīng)濟發(fā)展的需要，大量的車(chē)流涌入高速公路，使得高速公路上也時(shí)常出現交通擁擠甚至堵塞的現象。當出現交通阻塞時(shí)，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，就應該在出現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據并識別高速公路的運行狀態(tài)，并將交通流信息及時(shí)發(fā)布，調整交通流量。

　　通過(guò)交通信息發(fā)布等手段控制高速公路交通流量是一種簡(jiǎn)捷有效的手段。當高速公路的交通出現擁擠時(shí)，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(chē)輛，如果司乘人員能夠及時(shí)獲取高速公路上的交通流信息，也會(huì )自覺(jué)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(dòng)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(yíng)。隨著(zhù)高速公路信息化建設的快速發(fā)展，在公路建設的附屬工程中一般都完成了通信、收費、監控三大系統的施工，埋設了檢測線(xiàn)圈等交通流檢測設備，提供了各種型號的情報板，為完成交通誘導創(chuàng )造了良好的外圍條件。

　　在信息發(fā)布過(guò)程中，對于司乘人員來(lái)講，沒(méi)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，需要將系統檢測得到的交通狀態(tài)數據，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。一般需要采集平均車(chē)速、平均交通量、平均自由行駛速度、通行能力(最大交通量)。交通流數據是離散的，在計算機實(shí)現中，獲取各參數的公式為：

　　設狀態(tài)采集周期為T(mén)，在N個(gè)點(diǎn)采集交通狀態(tài)，第i個(gè)采集點(diǎn)通過(guò)的車(chē)輛數為Ci，每個(gè)采集點(diǎn)的權重為Wi，則有：

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

　　由于交通密度的數值難以確定，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(gè)周期內通過(guò)的車(chē)輛數Gin，路段結束端同一周期內通過(guò)的車(chē)輛數Gout：

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

　　在獲取如上參數后，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(dòng)控制。 3 獲取交通狀態(tài)的模糊算法采用信息誘導的辦法，應該保持信息具有一定的穩定性。信息的頻繁變化往往難以達到理想的交通控制效果，并且增加了實(shí)現的難度，使用模糊識別的方法，可使信息保持在一個(gè)相對穩定的狀態(tài)，可以減少信息變化頻率，比較好地調節交通流量的分配，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(gè)，分別為：負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，在本問(wèn)題中，考慮交通狀態(tài)從感官上要易于識別，將其簡(jiǎn)化為3個(gè)模糊集分別對應于如下交通狀態(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(gè)參數中，到底哪一個(gè)參量最能體現交通的擁擠程度?通過(guò)對模糊子集的描述可以知道，用平均速度來(lái)描述道路的擁擠程度相對比較合理。當交通密度很大時(shí)，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(lái)衡量交通擁擠情況并不客觀(guān)(如圖1的ρ-υ關(guān)系圖所示，ρ在增長(cháng)到一定值時(shí)，速度才發(fā)生變化);同樣，交通量也不能全面反映擁擠情況，因為對應于一個(gè)交通量，可以有兩種交通密度(如圖2所示)。當擁擠到達一定程度時(shí)，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(guān)地表達交通效率。

　　從個(gè)體車(chē)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，希望交通設施能得到最大程度的利用。而道路是公共設施，因此，參照圖1～圖3可知，當交通流的速度為最大交通量時(shí)，對應的交通密度為ρa，其所對應的速度為υa，此時(shí)，道路的利用率最高。在對交通狀態(tài)進(jìn)行模糊化時(shí)，υa是一個(gè)重要的參數。

　　由于自由行駛速度是變化的，在此采用相對值，用Vs=υ/υf來(lái)表示速度的相對理想狀況，用V。表示最大交通量時(shí)對應的速度，Va=υa/υf在實(shí)際交通中，Va是氣象環(huán)境和交通流綜合作用的結果，而且當交通密度大于ρa時(shí)，會(huì )在較短的密度變化范圍內形成擁擠甚至堵塞。根據經(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(diǎn)m，有μA(m)=μB(m)(可此可彼)，在這種情況下，應該采用積極調節的原則，將m點(diǎn)的狀態(tài)判定到更需要調節的模糊集A中。

　　令X屬于υs，則各隸屬度函數表達式為：

　　通過(guò)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)送給誘導管理子系統，由誘導管理子系統將其發(fā)送到情報板上，誘導車(chē)輛采取合適的行使策略。

　　4 誘導信息的合成與發(fā)布

　　在完成交通狀態(tài)的模糊化后，可通過(guò)情報板發(fā)布交通狀態(tài)數據。通常情況下，用紅色代表堵塞，用黃色代表?yè)頂D，用綠色代表暢通，分別對應于路段隸屬度值TS。

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

　　通過(guò)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，即可獲得交通誘導信息如表2，表3所示。

　　通過(guò)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(xiàn)路。在西安繞城高速公路南段由東至西方向，將要到達長(cháng)安收費站時(shí)，情報板上的信息如圖5所示。

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

　　5 結 語(yǔ)

　　由于在高速公路上發(fā)生交通擁擠及交通堵塞通常會(huì )降低交通資源的使用效率，因此在高速公路管理中實(shí)施交通誘導控制是必要的。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。