基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能交通信號(hào)控制設(shè)計(jì)

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安 710000)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提升，城市的交通壓力與日俱增。在此背景下，交通信號(hào)控制成為緩解城市交通狀況的主要方式。而在城市交通壓力中，主干道是承擔(dān)壓力的主要位置，該位置交通情況的好壞將直接決定著整個(gè)城市交通的順暢與否。因此，對(duì)主干道交通信號(hào)控制的研究，是解決城市交通擁堵，提高城市同行能力的關(guān)鍵所在。對(duì)此，本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的模糊控制引入到主干道的交通信號(hào)控制研究中，并圍繞此理論提出可行的控制方法和策略，以此期望為交通控制領(lǐng)域提供參考。

1 模糊控制原理

模糊控制系統(tǒng)的核心部位在于模糊控制器，而模糊控制器主要由輸入量的模糊化、模糊推理以及去模糊所組成。具體模糊控制原理，如圖1所示。

根據(jù)上圖可知，模糊控制系統(tǒng)主要由模糊控制器、A/D及D/A轉(zhuǎn)換、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象以及傳感器構(gòu)成。模糊控制系統(tǒng)在進(jìn)行控制工作時(shí)，并不會(huì)對(duì)被控對(duì)象實(shí)際模型有著任何要求，能夠應(yīng)用于被控對(duì)象模型無(wú)法掌握的情況之下。

圖1 模糊控制原理

城市主干道車(chē)輛交通信號(hào)控制本身就是一項(xiàng)極具復(fù)雜性、隨機(jī)性等特點(diǎn)的系統(tǒng)，傳統(tǒng)控制方法無(wú)法適用于主干道的交通控制系統(tǒng)當(dāng)中。而模糊控制具備對(duì)被控對(duì)象模型無(wú)要求的這一特點(diǎn)，完全與城市主干道交通信號(hào)控制的復(fù)雜特點(diǎn)所契合。但由于模糊控制系統(tǒng)自身缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)及適應(yīng)能力，在后續(xù)交通信號(hào)控制過(guò)程中將逐步暴露出許多隱形問(wèn)題。

2 模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

據(jù)目前情況來(lái)看，相關(guān)領(lǐng)域中將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制相結(jié)合的方式主要有兩種，分別為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及神經(jīng)模糊系統(tǒng)。其中模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是以模糊邏輯理論作為基礎(chǔ)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自組織性特點(diǎn)，將模糊邏輯理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，以此進(jìn)行信息處理。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊化，但其主體為模糊控制；神經(jīng)模糊系統(tǒng)主要以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用模糊集合理論進(jìn)行相關(guān)處理研究。具體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建，如圖3所示。

圖3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

根據(jù)上圖所示，本文主要采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊邏輯推理。同時(shí)，在模糊化及去模糊等功能方面，主要通過(guò)三角函數(shù)、高斯函數(shù)、模糊乘法、模糊加權(quán)法等進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在模糊控制系統(tǒng)具有缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)及適應(yīng)能力這一重大缺陷方面，筆者認(rèn)為可利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自主學(xué)習(xí)及記憶能力進(jìn)行修正，從而提高模糊控制系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)及適應(yīng)能力。

3 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交通信號(hào)控制及仿真

3.1 交叉口相位控制建模

本文將選擇四相位單交叉口模型作為研究對(duì)象，采用四相位控制方法對(duì)通行方向進(jìn)行控制。具體的相位控制時(shí)序圖，如圖4所示。

圖4 相位時(shí)序控制圖

為了使交通信號(hào)控制器實(shí)時(shí)掌握到車(chē)流情況，本文采用安裝車(chē)輛檢測(cè)器的方式，對(duì)交叉口車(chē)流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。同時(shí)，在進(jìn)行車(chē)輛檢測(cè)器的過(guò)程中，為了檢測(cè)到車(chē)輛離開(kāi)與進(jìn)入主干道的不同信息，本文將車(chē)輛檢測(cè)器分為前端檢測(cè)器以及后端檢測(cè)器兩種。其中前端檢測(cè)器主要負(fù)責(zé)檢測(cè)交叉口離開(kāi)車(chē)輛信息；而后端檢測(cè)器則主要檢測(cè)進(jìn)入該路段的車(chē)輛信息。通過(guò)上述傳感器對(duì)車(chē)輛信息的采集，以此為交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制提供依據(jù)。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)

為了提高交叉口的通行能力，還需盡量減少每一信號(hào)周期內(nèi)車(chē)輛的延誤。對(duì)此，本文將選用降低周期內(nèi)車(chē)輛平均延誤作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此構(gòu)建起主干道交叉口車(chē)輛延誤模型。

假設(shè)城市交叉口道路中的車(chē)輛均為隨機(jī)到達(dá)，若車(chē)輛到達(dá)率普遍較低，那么該信號(hào)周期內(nèi)車(chē)輛到達(dá)情況將服從泊松分布；反之，則服從二項(xiàng)分布。當(dāng)某相位開(kāi)發(fā)綠燈之后，車(chē)輛駛離率為1 pcu/s。

將i=1,2,…,n看作是多個(gè)相位,j代表著車(chē)流方向，方向總量為m個(gè)方向。將qj代表一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，交叉口第j個(gè)方向的車(chē)輛到達(dá)率，ti代表著第i相位的綠燈配時(shí)，則第i相位第j方向的到達(dá)車(chē)輛數(shù)為qjti。

假設(shè)第i相位第j個(gè)方向的車(chē)輛延誤為dj，則為式(1)。

(1)

在該公式中，lj,i-1代表的是相位i的初始排隊(duì)車(chē)輛；uij代表著第i個(gè)相位在第j方向上的車(chē)輛駛離率。

根據(jù)上述公式，可得出一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)車(chē)輛延誤計(jì)算，為式(2)。

(2)

當(dāng)某一信號(hào)周期開(kāi)始時(shí)，車(chē)輛總長(zhǎng)度，為式(3)。

(3)

總的車(chē)輛延誤時(shí)間d則為式(4)。

(4)

3.3 控制器設(shè)計(jì)

3.4 模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

表1 模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

根據(jù)表1的模糊規(guī)則表可以看出，該表總共表示49個(gè)規(guī)則，并且每一個(gè)規(guī)則對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊對(duì)應(yīng)關(guān)系。

ΔT=(L0×T0)°R

(5)

3.5 仿真具體流程設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的分析，將整體的仿真流程，如圖5所示。

圖5 算法設(shè)計(jì)

4 仿真驗(yàn)證

圖6 交通流時(shí)車(chē)輛延誤曲線對(duì)比

通過(guò)上述的比較看出，本文設(shè)計(jì)的模糊控制算法在平均延誤時(shí)間方面，要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的算法，說(shuō)明本文算法的有效性。

5 總結(jié)

通過(guò)上述的研究看出，模糊控制在傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的基礎(chǔ)上，對(duì)處理不確定性變量方面存在很大的優(yōu)勢(shì)。而通過(guò)這種模糊控制的方式，并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)功能，可實(shí)時(shí)根據(jù)采集到的車(chē)輛信息完成對(duì)車(chē)輛交通信號(hào)的智能化控制，減少車(chē)輛的平均延誤時(shí)間，提高城市道路交通的效率。