對交通信號燈模糊控制的自主創新性設計

0 引言
近年來，隨著經濟的不斷增長，城市化、汽車化的急速發展，城市道路增長的有限與車輛增加的無限造成了嚴重的交通擁擠問題，其中以交叉口的交通擁堵問題最為嚴重。據數據顯示，每年因交通堵塞造成的經濟損失高達幾十億美元，現已成為制約經濟發展和城市建設的瓶頸。可見，交通擁堵現狀亟待解決。而有效地利用當前交通信號控制系統的作用，尋找一種更適用于實際情況的交通信號控制方案又是解決該問題的主要途徑。因此，本文的研究就顯得意義重大。 當前存在的交通信號控制方案主要有定時控制、感應控制、基于數學模型的自適應控制和模糊控制等。其中當前存在的兩級模糊控制方案是目前控制效果相對較優的一種，可以較好地實現對交叉口交通信號燈的實時控制。但它仍存在許多問題，其中一個最大的不足在于它不能準確地顯示出紅、綠燈相位的時間，沒能與能降低闖紅燈率和交通事故率，且具有人性化特征的信號系統顯時裝置結合運用，這也是其不易運用到實際情況的癥結所在；另外，有些兩級模糊控制在第一級控制模塊中，其采取的輸入變量只考慮了相位排隊長度和車流到達率，而沒有考慮各相位車輛等待時間。此時若一個相位的車輛一段時間內一直都很少，那照該控制方案就只能讓其一直等待，這必將造成其控制的不合理。
基于此，本文針對當前控制效果相對較好的模糊控制的不足之處，同時結合對當前各種常用交叉口交通信號控制方案的全面對比與深入分析，沿用了各種控制方案的優點，完善和彌補其不足之處，最終設計出了一種更適用于實際情況的新型兩級模糊控制方案。該新方案對隨機交通流的適應性強，彌補了定時控制的缺點；同時，綜合考慮了綠燈相位和紅燈相位，且對相位繁忙優先性進行了考慮，彌補了感應控制的缺陷；另外，對模糊器進行了優化，同時與當前運用成熟的定時控制的信號系統顯時裝置進行了有機結合，充分發揮了信號系統顯時裝置的優點，利用了可視化的時間來降低闖紅燈率和交通事故率，使其更具人性化，對交通現場的適用性更強。

1 交叉口交通平面幾何設計設計與相位設計
通過對當前城市交叉口交通平面幾何設計和相位設計的具體情況進行深入調研并參考了大量文獻后，確定出當前相對最優的一種交叉口交通平面幾何設計方案如圖1所示。交叉路口分東、南、西、北四個通行方向，每個通行方向均有左轉、直行和右轉三股車流。

針對當前存在的各種相位設計方案，從其交叉口利用率、安全性、人性化和實用性等方面綜合分析對比后，確定出當前相對最優的相位設計方案如圖2所示，即南北直行、南北左右轉、東西直行和東西左右轉，行人和非機動車可以在第1相位和第3相位開通時順利通行。本文將以此為研究對象。

2 交通信號新型兩級模糊控制思想
新型兩級模糊控制方案的整體控制圖如圖3所示，先通過車輛檢測器檢測出當前所有處于紅燈相位的等待車輛數和各車流方向自上次綠燈以來的紅燈持續時間，然后將檢測出來的交通流數據傳送到新型兩級模糊控制器。

第一模糊控制級接收到車輛檢測器檢測出的紅燈相位等待車輛數和紅燈持續時間后，經過該模糊控制級處理推出當前各紅燈相位的繁忙度，從而可以確定出在當前綠燈相位跳轉前一瞬間下一個該亮綠燈的等待相位。同時，找出繁忙度最大的2個相位，并返回去得到這繁忙度最大的2個相位的交通流數據(即這兩相位的相位等待車輛數)。
第二模糊控制級通過對繁忙度最大的兩個相位的交通流數據處理后，推出下一個綠燈等待相位的綠燈時間，并將該綠燈時間傳到交通顯時信號燈上。當等到上一綠燈相位亮完綠燈后立即讓第一級模糊控制選出的綠燈等待相位顯示綠燈，同時使其顯示綠燈時間，其顯示時間即為第二級模糊控制確定出的綠燈時間。這樣周而復始的運行，即可很好地對交通流進行實時智能控制了。
另外，還充分考慮到在實際交通信號控制中，控制方案應人性化且適用性強。對此，對其紅綠燈顯時控制系統做了如下規定：顯示綠燈的相位顯示準確的綠燈運行時間；對于紅燈相位，只對下一個綠燈相位就是它的紅燈相位顯示時間，且只在當前綠燈相位綠燈時間即將結束前瞬間(假定5 s)，使其顯示準確的紅燈倒計時間。顯示了紅燈時間的相位即表示下一相位該它通行，而其他不顯時間的紅燈相位，表示需要多等待，下一相位不是它。這樣充分發揮了現有顯時交通信號裝置的優勢，更易遵守，更具人性化，更適用于實際交通情況。

3 新型兩級模糊器的設計
3．1 第一級模糊控制器的設計
該模糊級為紅燈相位選擇模塊，該模塊為雙輸入單輸出模糊控制，其兩個輸入為：當前處于紅燈相位的等待(排隊)車輛數(qr)和各車流方向自上次綠燈以來的紅燈持續時間(tr)，輸出為各紅燈相位的繁忙度(Ur)。
qr的基本論域為[0，30]，離散論域為{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14}，在離散論域上定義5個模糊子集{很短、短、中等、長、很長}；