自適應模糊邏輯交通燈管理系統的設計

王振華

（大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連116028）

自適應模糊邏輯交通燈管理系統的設計

王振華

（大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連116028）

交通燈管理低效會導致嚴重的交通癱瘓以及大氣污染，給人們的生活造成巨大的困擾。固定時長的交通燈機制是與現實交通情況相矛盾的。文中設計了一種交通燈變換機制針對車輛抵達路口數量的不一致性通過模糊邏輯控制器自動進行靈活調整。并設計了固定時長與自適應時長交通燈系統的對比實驗，結論表明，基于模糊邏輯管理器的自適應交通燈系統比固定時長交通燈系統更具優勢。

交通燈；自適應；模糊邏輯；控制

目前全球機動車數量激增，以我國為例，近十年每年的汽車總量增加約為20%，隨著機動車數量的改變，人們的出行方式也產生了巨大的變化，交通基礎設施建設也應與時俱進，與當前的交通方式相適應。因此，需要升級現有的交通管理系統以便更好的適應急劇增加的汽車數量。

避免交通擁堵能有效降低燃油消耗不僅具有經濟效益，同時對環境保護也有著積極的意義。然而，增大的車流量導致城市交通擁堵的狀況每天都在發生。若交通燈不能實時有效地調節車流量，會使擁堵的時間大幅增長。

基于上述問題，文中研究采用模糊邏輯基于實際交通規則對多種來源的交通數據收集整理，并對交通行為進行分析，設定情境對真實交通狀況仿真，提出了一種自適應交通燈系統，優化了交通燈時長變換機制，可有效提高現有道路的容量和車流量，減少擁堵。

1 自適應交通燈系統

大多針對交通燈控制的研究集中在控制循環序列，文中則是將實際交通情況抽象為一個交叉點，并以此作為依據控制信號燈，使控制更加精確。自適應交通燈將根據交叉路口的實際情況調整綠燈的持續時間，從而達到疏導擁堵的目的。綠燈的時長由模糊邏輯系統的數學模型結合變量而確定。例如，在特定交叉點且車流量大的情況下，系統將給予該路口較長時間的綠燈，反之在某些車流量小的路口，綠燈持續時間較短。由此能使系統更具靈活性以適應實際的交通特性。

2 設計規則介紹

本研究在設計規則時做了如下假定：

1）孤立丁字路口，車輛從A，B，C 3個方向行駛而來，如圖1所示。

2）在此系統中沒有黃燈。

3）每輛車通過路口需要3 s。

4）不考慮駕駛員思考延遲時間。

5）所有車輛間距相等。

6）綠燈最長時間為60 s。

圖1 丁字路口模型

3 實驗設計

針對單行丁字路口設計了一種模糊邏輯控制器。3個路口如圖1所示。選擇車輛數和車輛百分比作為交通燈控制器的兩個模糊輸入變量。這兩個變量將實時變化，并被帶入數學模型中。輸出模糊變量為綠燈持續時間，也將隨著車輛數而改變。由此建立了基于模糊輸入變量模糊規則得出理想綠燈持續時間的方程。若無車輛在特定路口通過，則該自適應交通燈將循環跳轉。最長綠燈時間，將通過20輛機動車包括直行、左轉、右轉三種方式通過丁字路口。

4 輸入輸出隸屬函數

自適應交通燈系統經由兩路模糊輸入和一路模糊輸出組成。車輛數有4個隸屬函數，車輛百分比有3個隸屬函數。

表1 模糊輸入變量與模糊輸出變量

圖2表示了隸屬函數的語義變量表達。可以看出，y軸上表示隸屬函數中每個模糊變量的真值[1]。X軸為隸屬函數的輸入模糊變量值，論域為對車輛的量化感知。而輸出模糊變量的論域為綠燈時長，單位為s。從圖2可看出，16輛車被定義為“SH”（super high）此時模糊集合被認為是滿隸屬。11輛車被定義“H”（high）。對于輸出模糊變量，“Low”集僅有1個隸屬，出現在15 s的區域，同時“Medium”集出現在30 s的區域。該隸屬函數的配置來源于人們對日常實際交通系統和環境的觀察，并抽象為數學模型。然而，模糊集合的隸屬函數寬度和中心則能根據不同的交通狀況而改變。例如，若某路口綠燈超過60 s，“SH”集中的數值將會變大。另一方面，在擁堵的路口，隸屬函數寬度將被降低。由此可以得出，在模糊邏輯控制中，從一個模糊集合到另一個模糊集合是平滑過渡，因此從一種控制到另一種控制會出現集合相互交疊的情況。若不存在交疊的模糊集合，則該控制近似于二階控制，而過多的交疊說明過于模糊。

圖2 自適應交通燈系統隸屬函數

5 自適應交通燈與固定時長交通燈的比較

通過與固定時長交通燈系統對比能了解自適應交通燈的特性。采用近似數學模型對兩種類型的交通燈控制系統進行模擬仿真。

輸入的測試數據由24組車輛數據組成分別表示一天之中24個小時內，不同時段平均每分鐘通過路口的車輛數。圖3所示測試輸入數據，每種顏色表示不同結點的車輛數。

隸屬函數和模糊邏輯規則在前文中已有描述。從數學模型的模擬中，兩種交通燈系統的工作狀況如圖4中所示。從圖中可以看出，自適應交通燈系統具有更短的結點等待時間。實時狀態下，這將代表著交通燈減少了交通擁堵。自適應交通燈還能在更短的時間內，運行完成這24組輸入數據，交通燈系統所用時間與固定時長系統所用時間的比值約為7: 10，由此說明自適應交通系統時間效率比固定時長交通燈系統提高了約30%。即僅1小時以內，通行相同數量的車輛，自適應交通燈系統比固定時長交通燈系統節約了近20分鐘的時間，這使得整個城市交通更加高效。

與此同時，對燃油消耗以及對環境的污染也同時顯著減小。

圖3 車流量輸入圖

圖4 自適應交通燈與固定時長交通燈對比

6 結束語

通過基于數學模型的對比仿真實驗，對固定時長交通燈系統和自適應時長交通燈系統進行對比。測試結果表明，自適應交通燈系統通過相同數量機動車比固定時長交通燈所需時間更短，效率提高。這將有效減小因交通燈效率低下所引起的道路負荷增大，交通擁堵以及通行速度慢的情況，縮短了車輛在路口的等待時間，不僅減少了燃油消耗，同時也降低了噪聲與環境污染。

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Design of adaptive fuzzy logic traffic light system

WANG Zhen-hua
（School of Electrical Engineering and Information，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

Inefficient management of traffic lights can cause serious traffic congestion and air pollution. And bring people's lives great distress.Traffic lights fixed length mechanism is contradictory with the reality of the traffic situation.This paper presents a traffic light system for converting the number of vehicles arrived at the intersection of inconsistency flexibly adaptive automatically by fuzzy logic controller.Comparative Experiment was designed with a fixed length of time long traffic light system adaptive，conclusion shows that the adaptive traffic light system manager based on fuzzy logic have more advantages than the fixed length of the traffic lights system.

traffic lights；adaptive；fuzzy logic；control

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0175-03

2016-02-22稿件編號：201602088

王振華（1990—），男，山東新泰人，碩士研究生。研究方向：嵌入式開發與控制。