基于模糊控制的智能交通信号灯系统的研究与设计

基于模糊控制的智能交通信号灯系统的研究与设计1基于模糊控制的智能交通信号灯系统的研究与设计每天早晨睁开眼睛，深吸一口气，给自己一个微笑，然后说:“在这美妙的一天，我又要获得多少知识啊！”滨州学院计算机科学技术系2008级通信工程二班项目负责人：刘志远电子邮件：[e-mail]2010.11生命不息奋斗不止滨州学院大学生科研训练计划基于模糊控制的智能交通信号灯系统的研究与设计2智能交通信号灯系统的研究与设计引言21世纪将是公路交通智能化的世纪，人们将要采用智能交通系统，在该系统中，交通系统靠自身的智能将交通流量调整至最佳状态。智能交通是基于现代电子信息技术，面向交通运输的服务系统。它的突出特点是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线，为交通参与者提供多样性的服务。说白了就是利用高科技使传统的交通模式变得更加智能化，更加安全、节能、高效率。在交通系统中，交通信号灯是城市道路网中的主要控制设施，合理调节信号灯的控制能够提高城市交通质量，减少交通事故，提高现有道路利用率。本设计的思想为通过对实时交通信息数据的分析对交通信号灯实施合理的控制，以达到高效、快速、智能交通的目的。鉴于交通流具有强不确定性而且交通结构十分复杂，系统难以建立精确模型和采用模型求解的方法来实现控制，所以在设计交叉口的信号灯控制器时，根据模糊控制理论而采用了模糊控制的方法。在基本通行时间基础上，在当前方向绿灯时间结束时，模糊控制器根据红绿灯的两个方向上车辆排队长度和上游路口交通状况作出判决，得到绿灯方向上通行时间的延长量。模糊控制器的控制规则体现了交警在实际路口交通指挥中的经验。而对于交叉口的交通信号灯系统的协调问题，将在多个单点交叉口的基础上建立绿波系统加以研究，并采用遗传退火算法得出主干线线控系统的最佳配时优化结果。本项目设计了一个交通路口信号控制仿真程序，以实际交通参数为仿真数据，分别采用模糊控制和固定配时方案控制交叉口信号灯，计算车辆通过路口的平均延误，并比较两种配时方案的控制性能。在模型制作方面，采用单片机或DSP控制的方式，根据模糊算法编写相应的C语言程序，然后将程序烧录到单片机中，通过控制发光二极管的亮与灭来表示红绿灯。关键词：智能交通；交通信号控制；模糊控制；单片机、DSP；遗传退火算法。基于模糊控制的智能交通信号灯系统的研究与设计3第一章绪论1.1课题研究的背景和意义在这个科学技术和世界经济飞速发展的时代，交通运输在经济和社会发展中起着举足轻重的作用，也是经济持续稳定发展的基础。近年来，随着交通需求急剧增长，交通运输所带来的交通拥堵、交通事故等负面效应也日益突出。日益严俊的交通形势对有限的资源财力和环境保护压力，需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其它方法来满足日益增长的交通需求。智能交通系统正是解决这一矛盾的途径之一。智能交通系统将先进的电子技术、信息技术、人工智能、地理信息、计算机技术、通信、传感器技术和系统工程技术集成运用于地面运输的实际需求，建立起全方位、实时、准确、高效的地面运输系统。智能交通系统能够改善混乱的交通状况，减少拥堵，提高运输效率，并提高交通的安全性。对于城市道路的交通系统，道路交叉口处的交通信号灯是城市道路网中的主要控制设施，城市道路交通控制主要是对交通信号的控制，因此信号灯必须以最优控制策略存在，以减小道路网络中所有车辆的行程的时间，提高交通效率，保证交通安全。基于以上描述以及结合我国现阶段自身特点，智能信号灯的研究具有重大的社会意义。交通是国民经济的基础产业之一，也是社会发展和人民生活水平提高的基本条件。交通运输的发达程度是衡量一个国家现代化程度的标志之一。随着我国经济的迅速发展，我国的公路交通条件有了很大的改善。但是随着车辆数量的增加、交通量的不断增长和交通密度的大幅提高，有效的交通管理成为我国各大城市面临的难题。为了保障交通的安全通畅，采用先进的交通监控系统来预防和减少交通阻塞、交通事故，减少人员伤亡和财产损失就显得非常重要。目前绝大部分交通灯其时间都是预先设定好的，不管是车流高峰还是低谷，红绿灯的时间都固定不变，还有一些交通灯能根据简单划分的时间段来调整时间。这些系统控制起来都不是很灵活，这使得城市车流的调节不能达到最优。智能信号灯系统作为智能交通管理系统的一个重要子系统，能够有效的减少交通事故的发生，提高道路的使用效率，明显缩短车辆在道路口的通过时间，有巨大的现实意义。而结合当今最热门的物联网技术，依靠强大的物联网络资源，智能交通系统必将获得长足的发展。1.2交通信号控制技术的发展现状迄今为止，在信号灯的智能控制方面日本，欧洲和美国都竟相投入了大量资金和人力，建立了相应的组织机构从事相应方面的开发和应用，并已取得一些成果，开发出了一系列相对稳定的交通控制系统，国外的这些交通控制系统经过长期的应用实践，技术已经比较成熟，系统可靠性比较高，但在我国的具体应用中，还表现出一些不适应性，集中体现在：（1）、没有充分考虑我国混合交通情况，导致实际控制效果不甚理想；（2）、系统投资成本过大，许多城市无力安装这些系统；基于模糊控制的智能交通信号灯系统的研究与设计4（3）、后期服务费用高，使得已经安装了国外系统的城市不能经常性的进行系统维护。1.3交通信号控制存在的问题及解决办法实现城市交通信号系统的实时自适应最优控制，是目前交通工程界科技人员所追求的目标。实现这一目标取决于两个条件：高质量的交通量检测数据和交通模型。而本项目就对其中的交通模型进行研究，之所以不把交通量检测数据作为一个重点进行研究，不在于其理论有多么复杂，而是在于其在施工方面存在一些困难，作为我们学生来说，没有条件也不可能去进行大规模的交通数据检测。所以我们在作研究时可以假设我们已经知道这些交通数据，对应这些“已知”的交通检测数据去制作相应的交通模型并进行最合理的运算，这样我们仍能得到我们想研究的最本质的问题——智能交通。至于那些施工上有困难的交通数据检测环节，就交给交通大队处理吧。这样一来，减少了最不重要而又最难实现的一个环节，整个研究项目的可行性便大大提高。鉴于当前的城市交通系统中被控对象过程的非线性、参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理错综复杂以及现场车辆检测的误差，以致不可能建立起被控对象的精确数学模型，传统的城市交通控制系统难以取得令人满意的控制效果，因此本文采用模糊控制的方法，利用其吸收了人工控制的经验，能模仿人脑的逻辑推理和决策过程并且不需要建立精确数学模型的特点，不单使得控制过程简化，而且能满足实时性和控制精度的要求。第二章城市交通系统的控制方式2.1单个交叉口点控制单个交叉口点控制是一种最基本的控制方式。由于它设备简单、投资最省、维护方便，至今仍是应用最广的一种控制信号方式。在控制方式上，我们采用在线点控制。在线点控制是交通响应控制(或车辆感应控制)。它是根据交叉口各个入口交通流的实际分布情况，合理分配绿灯时间到各个相位，从而满足交通需求。相对于离线点控制，在线点控制更具有可靠性和灵活性，是实现智能交通控制的基础。在控制对象上我们采用基于排队长度的控制，其基本原理是在放行一个相位的交通流之前，由车辆监测器预先检测到该方向到达的车辆排队长，根据车辆的排队长度，确定该相位的放行时间。在绿灯时间，通过交叉路口的车流量总是在饱和值左右。根据交通需求延长绿灯时间，直到绿灯时间达到最大值或绿灯期间交通流的车头距测量值超过某一关键值，是车辆感应控制的基本方法。车辆感应控制器还可以采用跳相控制，对于没有交通需求的相位可以跳过该相位去执行下一相位。2.2主干线交通信号控制主干线交叉口的交通控制是一种线控方式。在城市道路网中，交叉口相距很近，两个相邻的交叉口之间的距离通常不足以使一小队车流完全疏散。单个交叉口分别设置单点信号控制时，车辆经常遇到红灯，基于模糊控制的智能交通信号灯系统的研究与设计5时停时开，行车不畅，环境污染严重。为了减少车辆在各个交叉口的停车次数，特别是当干线的车辆比较畅通时，人们研究了一种干线相邻交叉口协调控制策略。最初协调信号计时的方法是基于绿波的概念，相邻交叉口执行相同的信号控制周期，主干道相位的绿灯开启时间(相位差)错开一定的时间，交叉口的次道在一定程度上服从主干道的交通。当一列车队在具有许多交叉口的一条主干道上行驶时，协调控制使得车辆在通过干线交叉口时总是在绿灯开始时到达，因而无需停车通过交叉口。这样能提高车辆行车速度和道路通行能力，确保道路畅通，减少车辆在行驶过程中的延误时间。2.2智能交通系统的控制原理在目前城市的交通系统中，一般采用定时控制的方式。这种控制方式以历史交通流数据为依据，通过找出每个日/周和时旧的不同交通流变化规律，用人工方法或计算机仿真预先准备好不同日/周和不同时间区段内使用的配时方案，由于其严重依赖于历史数据，缺乏可控性和灵活性，一般不能得到最优交通控制。因此在本项目中我们采用感应控制的方式，感应控制的原理是根据车辆检测器测量的交通流数据调整相应的绿灯时间的长短和时间顺序，以适应交通的随机变化，这种方式比定时控制有更大的灵活性。感应控制适用于饱和度较低的或各向交通流相差较大的交叉口的控制，特别是在交通流没有明显的变化规律，随机性较强的情形，效果特别明显。（注：前面有讲到，我们并不把检测车流量信息作为一个重点，只是模拟检测交通数据）第三章实现智能交通控制的理论基础由于城市交通系统属于多变量、非线性、时变的系统，所以对其控制精度的要求非常高，其控制系统不但要考虑各个方向的交通流，还要考虑机动车、自行车和行人的混合交通状况以及其随机性，还要考虑到司机和行人在等待过程中产生的烦躁情绪。这样高复杂性与高精度形成了尖锐的矛盾，为了解决这个问题，我们引入了基于模糊算法的模糊控制。模糊控制是以模拟人脑对模糊概念的判断能力为特点的一种智能控制。由于很多场合的受控对象很难建立起精确数学模型，或者数学模型过于复杂而难以进行控制，常规控制方法难以奏效。而有丰富操作经验的工人利用手动控制来控制的复杂对象却可获得满意的效果。对此进行的思考发现，手工控制的关键在于人脑可以对事物的模糊概念进行判别，并由已知的知识和经验来作出判断。3.1模糊控制器组成模糊控制器的组成框图如下图所示，它包括：输入量模糊化接口、数据库、规则库、推理机和输出解模糊接口五个部分。下面分别进行介绍：基于模糊控制的智能交通信号灯系统的研究与设计6图3.1模糊控制器组成（1）、模糊化接口模糊化接口的主要作用是将真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。这样，精确的输入数据就变换成适当的语言值或模糊集合的标识符。以便于推理机对这些语言值或标识符进行处理。（2）、推理机推理机包括数据库和规则库两个组成部分。数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值。模糊规则规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是输入的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如if-then，else，end，or等。关系词必须经过“翻译”，才能将模糊规则数值化，而规则库就是用来存放全部模糊控制规则的。（3）、解模糊接口解模糊化是模糊系统的重要环节，它是将模糊推理中产生的模糊量转化为精确量。常见的方法有最大隶属度法、重心法、左取大和右取大法和加权平均法等，其中重心法是指取模糊集隶属函数曲线同基础变量轴所围面积的重心对应的基础变量值作为清晰值的方法，也是最常用的一种清晰化方法。3.2模糊控制优点模糊控制具有如下一些突出特点：（1）、模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。（2）、一个系统语言控制规则具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。（3）、模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，基于模糊控制的智能交通信号灯系统的研究与设计7增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。（