【正文】 3 輸出變量各模糊子集的隸屬函數(shù) 確定模糊控制規(guī)則確定控制規(guī)則的原則是：當(dāng)?shù)却?duì)列長(zhǎng)或很長(zhǎng)時(shí),增加綠燈時(shí)間,選取的輸出以放行、減少車輛等待為主；而當(dāng)?shù)却?duì)列較短時(shí),選取的控制量以防止綠燈時(shí)間浪費(fèi)為出發(fā)點(diǎn)。在論域 Q 上的定義的五個(gè)模糊子集為{很短,短,中,長(zhǎng),很長(zhǎng)},簡(jiǎn)記為{VS,S,M,L,VL}。這種方法擺脫了控制對(duì)象輸入、輸出物理量的精確描述,用自然語(yǔ)言描述專家控制策略,以機(jī)器模擬人的模糊思維對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效控制。在此處有一感應(yīng)器，其裝置在車道中部，當(dāng)車輛通過(guò)時(shí)，感應(yīng)器就能感應(yīng)到，由此而記錄一輛車經(jīng)過(guò)?？紤]某個(gè)周期 T,在 T 內(nèi)第 i 相位末時(shí)（第 i 相將由綠轉(zhuǎn)紅）任一車輛等待隊(duì)列長(zhǎng)度設(shè)為 ,則：()jki （31）(1)1()(),jkjkjk jkqiCii gi?????????， 紅 燈 綠 燈式中 為周期 T 內(nèi)第（i1）相位末時(shí) jk 車道的車輛等待隊(duì)列長(zhǎng)jki度。一個(gè)設(shè)在距第一個(gè)檢測(cè)器 D 處,用于檢測(cè)車輛到達(dá)數(shù)，距離 D 一般為 80～100m。本文提出根據(jù)當(dāng)前相和后繼相的車輛等待長(zhǎng)度確定單路口多相位信號(hào)配時(shí)的方法。但在實(shí)際模糊控制中，必須要有一個(gè)確定值才能控制或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以下為模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟：1）模糊控制器的結(jié)構(gòu)單變量二維模糊控制器是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。三維 模糊控制器d/dtd/dtEECCECE圖 6 三維模糊控制器模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也就越高。在模糊控制系統(tǒng)中也可類似地劃分為單變量模糊控制和多變量模糊控制。規(guī)則條數(shù)和模糊變量的模糊子集劃分有關(guān)，劃分越細(xì)，規(guī)則條數(shù)越多，但并不代表規(guī)則庫(kù)的準(zhǔn)確度越高，規(guī)則庫(kù)的“準(zhǔn)確性”還與專家知識(shí)的準(zhǔn)確度有關(guān)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過(guò)程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。當(dāng)系數(shù) k 所取的隸屬度 時(shí)，就轉(zhuǎn)化為重心法。因此，難免會(huì)丟失許多信息?；谀：评硪?guī)則，根據(jù)模糊關(guān)系 R，可求得給定輸入 和 對(duì)應(yīng)的輸1AB出 為：1C (219)211()TAB?=將模糊關(guān)系 R 看成一個(gè)模糊變換器。根據(jù)其語(yǔ)義和構(gòu)成的語(yǔ)法規(guī)則不同，可分為以下幾種類型：1）模糊陳述句：語(yǔ)句本身具有模糊性，又稱為模糊命題。模糊控制規(guī)則的來(lái)源可通過(guò)下列的各種方式：1)專家豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)：在前面曾經(jīng)提到過(guò)模糊控制也稱為控制上的專家系統(tǒng)，專家豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)是設(shè)計(jì)上有力的線索。目前為止還沒(méi)有形成一種比較完善的方法來(lái)確定隸屬度函數(shù)，現(xiàn)在主要是采用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的方法。1）高斯型隸屬度函數(shù)高斯型隸屬函數(shù)由兩個(gè)參數(shù) ? 和 c 確定： (212)2()(,)xfxce??其中參數(shù) b 通常為正，參數(shù) c 主要用于確定曲線的中心。在經(jīng)典集合中，??)(,)(xMaxBAc???)()()( xxxBABAc ?????)(,1)(xMinxBAc????????? ??? )(1)(1)()( xxxx BAc ??????)()(xxBAc? )(xBA??????? 13 特征函數(shù)只能取 0 和 1 兩個(gè)數(shù)值，然而在模糊集合中，它的特征函數(shù)的取值范圍可以擴(kuò)大到[0,1]區(qū)間的任意連續(xù)值。采用隸屬函數(shù)的取大（MAX）取?。∕IN）進(jìn)行模糊集合的并、交邏輯運(yùn)算是目前最常用的方法。5）模糊控制的魯棒性和適應(yīng)性好。這些模糊量和模糊推理是人類通常智能活動(dòng)的體現(xiàn)。經(jīng)過(guò)模糊推理，必然得到一個(gè)模糊的輸出量集合。實(shí)施模糊控制要經(jīng)過(guò) 3 個(gè)過(guò)程,即:1)將輸入的機(jī)器、精確量經(jīng)輸入隸屬函數(shù)映射成模糊輸入變量(模糊化) ；2)用模糊規(guī)則對(duì)模糊輸入變量推理,并得到模糊控制變量(模糊推理) ；3)用輸入隸屬函數(shù)將模糊控制變量轉(zhuǎn)換成能進(jìn)行實(shí)際控制的精確控制。對(duì)于這些系統(tǒng)卻具有大量的以定性的形式表示的極其重要的先驗(yàn)信息，以及僅僅用語(yǔ)言規(guī)定的性能指標(biāo)。近年來(lái),我國(guó)的許多研究學(xué)者以及研究機(jī)構(gòu)在交通建模與交通控制方面作了大量的研究工作,并將許多研究成果應(yīng)用于交通控制系統(tǒng)中,建立了一些比較優(yōu)秀的交通控制系統(tǒng)。且已經(jīng)在洛杉磯等地方開(kāi)始開(kāi)發(fā)了 ITS 在洛杉磯市對(duì)交通道路的自動(dòng)的交通檢測(cè)和控制,通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控全市的交通運(yùn)行狀況和系統(tǒng)本身的性能；在道路上所設(shè)置的感應(yīng)線圈可以檢測(cè)出車輛的行駛速度和車流量以及車輛對(duì)道路的占用情況,并且能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)一些情況進(jìn)行數(shù)據(jù)修改；交通信號(hào)可通過(guò)計(jì)算機(jī)針對(duì)實(shí)際的交通狀況來(lái)進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整或者人為的干涉。 在不同的交通運(yùn)輸項(xiàng)目中,往往采用下面幾種技術(shù): a 交通檢測(cè)技術(shù):通過(guò)感應(yīng)圈,紅外,微波,閉路電視攝像,衛(wèi)星定位檢測(cè)技術(shù),對(duì)不同路段的車輛和道路進(jìn)行檢測(cè),并收集交通車流數(shù)據(jù)和圖像信息； b 交通控制技術(shù):包括先進(jìn)的交通信號(hào)控制系統(tǒng),匝道信號(hào)控制系統(tǒng),信號(hào)燈控制系統(tǒng)等技術(shù)； c 通訊技術(shù):主要包括了高密度的波分復(fù)用技術(shù),光纖的傳輸以及接入技術(shù),無(wú)線傳輸技術(shù)等； d 數(shù)據(jù)處理:包括對(duì)車流數(shù)據(jù),收費(fèi)數(shù)據(jù),監(jiān)控信息數(shù)據(jù)等一些數(shù)據(jù)的處理； e 信息提供:通過(guò)圖像信息或者 FM 等通訊手段提供了出行的信息。為了確保系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù),語(yǔ)音,圖像信息準(zhǔn)確,及時(shí)地傳輸,以滿足運(yùn)營(yíng)管理的通信需求,傳輸系統(tǒng)通常由城市道路綜合通信專用網(wǎng)光纖傳輸網(wǎng)和其它專網(wǎng)集合而構(gòu)成。智能交通控制系統(tǒng)(ITS) 按交通控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類,可分為集中式的計(jì)算機(jī)交通控制系統(tǒng)和分布式的計(jì)算機(jī)交通控制系統(tǒng)。按交通控制系統(tǒng)的控制模式分類,可分為靜態(tài)系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 2）先進(jìn)的車輛控制系統(tǒng)(AVCS)：即能夠輔助以至替代駕駛員實(shí)行控制的技術(shù),如駕駛員警告和援助技術(shù),障礙物避讓技術(shù),以及自動(dòng)駕駛燈,從而使汽車行駛安全,高效。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀城市交通路口的擁擠問(wèn)題往往突出表現(xiàn)在一些單交叉路口處,80%以上的交通延誤和擁擠主要集中在單交叉路口上,交叉口的通行能力不足道路的50%。并且在一些關(guān)鍵的路段和重點(diǎn)的地區(qū)都會(huì)配有攝像機(jī),以此來(lái)及時(shí)地觀察該路段的交通情況。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本課題的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)單交叉路口交通燈智能控制系統(tǒng)，要求能根據(jù)車流量大小來(lái)調(diào)節(jié)紅綠燈亮的時(shí)間。同時(shí)，要求過(guò)程的操作人員是系統(tǒng)的基本組成部分等。模糊控制的輸出量是唯一的，也就是說(shuō)它給執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)確定的信號(hào)。但是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制是唯一的，不能模棱兩可。3）模糊控制易被人們所接受。模糊控制系統(tǒng)無(wú)論被控對(duì)象是線性的還是非線性的，都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。但還有其它公式，這些公式統(tǒng)稱為模糊算子。為了把兩者之間區(qū)分開(kāi)來(lái)，就把模糊集合的特征函數(shù)稱作隸屬度函數(shù)。Matlab 表示為： ]),σ[gausmf(x 14 2）廣義鐘型隸屬度函數(shù)廣義鐘型隸屬度函數(shù)由三個(gè)參數(shù) a，b，c 確定：(213)其中參數(shù) b 通常為正，參數(shù) c 主要用于確定曲線的中心。通常的方法是初步確定粗略的隸屬度函數(shù)，然后通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)和不斷的實(shí)踐來(lái)進(jìn)行調(diào)整和完善。人類日常生活中，人們?cè)谂袛嗍虑榈臅r(shí)侯，使用語(yǔ)言的定性分析多于數(shù)值的定量分析；然而模糊控制規(guī)則提供了一個(gè)自然的架構(gòu)來(lái)描述人類的行為及決策分析，并且專家的知識(shí)通?？捎?if… then 的型式來(lái)表示。如：“今天天氣很好” 。） ，并且則是當(dāng) A 為輸入時(shí)，B 為輸出，如圖所示:圖 2 模糊變換器可分為兩種情況討論：1）已知輸入 A 和模糊關(guān)系 R，求輸出 B，這是綜合評(píng)判，即模糊變換的問(wèn)題。但是它的突出優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單。()vi?反模糊化方法的選擇與隸屬度函數(shù)形狀的選擇、推理方法的選擇相關(guān)。2）規(guī)則庫(kù)（Rule Base—RB） 模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺(jué)推理的一種語(yǔ)言表示形式。（Inference engine）推理機(jī)是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。1. 單變量模糊控制器在單變量模糊控制器（Single Variable Fuzzy Controller—SVFC）中，將其輸入變量的個(gè)數(shù)定義為模糊控制的維數(shù)。但是維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律就過(guò)于復(fù)雜，這是人們?cè)谠O(shè)計(jì)模糊控制系統(tǒng)時(shí)，多數(shù)采用二維控制器的原因。2）定義輸入輸出模糊集對(duì)誤差 E、誤差變化 EC 及控制量 u 的模糊集及其論域定義如下：E、EC 和 u 的模糊集均為： ；E、EC 的論域均為：{3，2，1，0，1，2，3}；u 的論域?yàn)椋簕,3,0,1,3,}。將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值的過(guò)程稱為反模糊化。該模糊控制方法可用于安裝倒計(jì)時(shí)器的路口,具有良好的實(shí)用性。取二者的差值即可求出該車道檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的排隊(duì)長(zhǎng)度 q。 為第 i 相位 jk 車道的車輛到達(dá)數(shù) , 是第 i 相位從紅燈變?yōu)榫G()jC()jkgi燈后的車流離開(kāi)數(shù)。為了確保交通的井然有序，采用的相位控制如圖 10 所示，有箭頭的車道表示正處于狀態(tài)的車道，交通燈按 6 個(gè)相位順序切換，紅綠燈之間采用黃燈閃爍警告。在實(shí)際控制過(guò)程中,將計(jì)算機(jī)采樣的輸入量（精確量）模糊化，經(jīng)模糊推理確定控制量的模糊值,最后進(jìn)行反模糊處理獲得控制量的實(shí)際輸出,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。直行隊(duì)長(zhǎng)的隸屬函數(shù)定義見(jiàn)圖 11。通過(guò)總結(jié)實(shí)踐和專家經(jīng)驗(yàn),建立了模糊控制規(guī)則表,如表 2 所示。39。Sfis =readfis(39。 qs=j1。對(duì)于一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用，MATLAB 模糊邏輯工具箱提供了圖形用戶界面（GUI）幫助使用者方便﹑快速的完成工作。設(shè)在一個(gè)周期 T 內(nèi),第 i 相位 jk 車道的車輛延誤為 44 則： ()jkdi 1()(),2) 1max{,0}()max{()1),0},2jkjkijkjjijkjkjiqiCedigigiqej???????????紅 燈 綠 燈（41）所以第 i 相位所有進(jìn)口的車輛總延誤為： （42）621()()jkjdii??周期 T 內(nèi)所有進(jìn)口的車輛總延誤為： （43）61()()iDTd?同理設(shè)在一個(gè)周期 T 內(nèi)所有進(jìn)口車輛到達(dá)數(shù)為 C(T),則： (44)621()()jkijCi??所以 n 個(gè)周期內(nèi)六個(gè)進(jìn)口的車輛平均延誤為： (45)10()kiiDdQC??其中, 為周期開(kāi)始時(shí)所有進(jìn)口的初始隊(duì)列長(zhǎng)度之和,即在第一個(gè)周期開(kāi)0始時(shí),車輛等待隊(duì)長(zhǎng)之和。表 3 模糊控制與定時(shí)控制結(jié)果比較 次數(shù)方法 1 2 3 4 5 6 7 8定時(shí)控制 模糊控制 經(jīng)過(guò)多次仿真運(yùn)行,得到模糊控制車輛平均延誤 d1= 秒/輛,定時(shí)控制方法的車輛平均延誤為 d2= 秒/輛。改善模糊控制性能的最有效方法是優(yōu)化模糊控制規(guī)則。 48 此次論文設(shè)計(jì)在查閱資料和對(duì)設(shè)計(jì)題目的了解以及將其聯(lián)系到現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用都是至關(guān)重要的，只有確定了自己的設(shè)計(jì)方案和滿足所要設(shè)計(jì)的要求以后才能更快速，更完整地完成論文設(shè)計(jì)。 2）本文提出的控制方法只是針對(duì)一個(gè)單個(gè)的交叉口的交通燈控制方案，而城市交通系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，各個(gè)交叉口之間必然存在著一定的聯(lián)系，如何找出這些聯(lián)系并建立一個(gè)有效的模型對(duì)實(shí)現(xiàn)城市交通系統(tǒng)智能化意義重大。運(yùn)用控制理論、遺傳算法優(yōu)化規(guī)則,為以后作進(jìn)一步的研究?？梢?jiàn),采用模糊控制方法綠燈時(shí)間隨交通量而變，車輛平均延誤減少,因此比定時(shí)信號(hào)更能適應(yīng)交通量的隨機(jī)變化,通行能力增大。39。模糊邏輯工具箱可以完成許多工作，其中最重要的就是創(chuàng)建和測(cè)試模糊推理系統(tǒng)。MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，和Mathematica，Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。)。直行相和右行相、左行相使用*e的比例因子不同。 表 2 直行相模糊控制的規(guī)則表sq pVS S M L VLVS NL NM O PM PLS NL NM O PM PLM NL NM O PM PLL NL NL NS PM PLVL NL NL NM PS PL 38 在 MATLAB 環(huán)境下所生成的模糊控制規(guī)則表形式如下圖所示：圖 14 模糊控制規(guī)則表對(duì)應(yīng)形式雙輸入單輸出的模糊控制器，其控制規(guī)則可寫成如下形式：if ( is )and ( is ) then (Δe is )pqiQsqjSijE這里 , , 分別是上文定義的模糊語(yǔ)言變量。從基本率域到論域的線性變換同公式（32)。其輸入是當(dāng)前相的主隊(duì)列