【導(dǎo)讀】城市道路交通智能控制技術(shù)是當(dāng)前控制領(lǐng)域和交通工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，由。于交通控制具有較強(qiáng)的非線性、不確定性，用傳統(tǒng)的理論與方法很難對其進(jìn)行有效控制。討，提出了可編程序控制器和模糊控制相結(jié)合的智能交通控制方法。號燈模糊控制的方法，以單個十字路口4相位交通燈為例，把PLC作為一個模糊控制器，采用梯形圖編程。通過實(shí)驗(yàn)保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能根據(jù)不同的交通流量進(jìn)行模糊控制決策，優(yōu)。化信號燈的配時，從而可以有效的解決交通流量不均衡、不穩(wěn)定帶來的問題。

　　

【正文】 ．紅燈期間到達(dá)車 輛數(shù) Y 的模糊化 檢測區(qū)的長度直接影響輸入量 Y 的變化論域。實(shí)際應(yīng)用中隨實(shí)地情況而有所變化。經(jīng)過對某些路口不同時段車輛流量的實(shí)地調(diào)查分析，我們認(rèn)為兩個檢測器之間的距離取 100米左右較為適宜。通常車輛的長度連同車輛間的間距平均約為 5 米，則在 100 米內(nèi)可能滯留的車輛最大數(shù)量約為 20 輛。于是紅燈方向到達(dá)的車輛數(shù) Y 的論域?yàn)?(0~20)。將其分為五個模糊子集：很少、少、中等、多、很多。其從屬度函數(shù)設(shè)計如圖 35 所示。 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 22 0 2 468 1 0 Y0 . 51少 中 等 多很 少 很 多1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 圖 35 紅燈期間到達(dá)車輛的從屬函數(shù) 模糊推理 1． 輸出及模糊分類 本系統(tǒng)的輸出就是兩個方向的 信號 燈，人行橫道的紅綠燈以及左行 、 右行 、直行的 紅綠黃燈，其相互間的關(guān)系都是固定的，而且兩個方向的輸出關(guān)系也是固定的，最終都?xì)w結(jié)到對當(dāng)前綠燈的延時 t2。根據(jù)實(shí)際測試，對一般 大小 的路口， 綠燈的延時 最大取 25 秒較為合適，這里將 直行 方向 的 綠燈延時 t2＂ 和 左行 方向 的 綠燈延時 t2＇ 均取 25 秒為最大時間 ，則 它們的綠燈延時論域均 為 (0~25)。將其分為 五 個模糊子集 ： 很短、短、適中、長、很長。其從屬函數(shù)的設(shè)計如圖 36 所示。 0 5 1 5t20 . 51短 適 中 長很 短 很 長2 0 2 51 0t2＇t2＂0 5 1 5 2 0 2 51 0 圖 36 綠燈時間延時的從屬函數(shù) 2． 模糊規(guī)則的設(shè)計 本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則的設(shè)計采用矩陣方式，根據(jù)交警實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)知識來確定。模糊控制規(guī)則如 下 表 31 所示。 當(dāng)兩個方向的狀態(tài)處于同一量級時，如同為多，或同為中等，或同為少時 。 綠燈的延時 t2 均取“短”，其目的是保證雙方流量相差不多的情況下，盡快地均衡疏散。 表中一共包含了 5 3=15 條模糊條件語句 ： 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 23 規(guī)則 1： 若 X=多，且 Y=很少，則 t2=很長，否則 規(guī)則 2： 若 X=多，且 Y=少，則 t2=長，否則 規(guī)則 3： 若 X=多，且 Y=中等，則 t2=適中，否則 規(guī)則 4： 若 X=多，且 Y=多，則 t2=短，否則 規(guī)則 5： 若 X=多，且 Y=很多，則 t2=很短，否則 規(guī)則 6： 若 X=中等，且 Y=很少，則 t2=長，否則 規(guī)則 7： 若 X=中等，且 Y=少，則 t2=適中，否則 規(guī)則 8： 若 X=中等，且 Y=中等，則 t2=短，否則 規(guī)則 9： 若 X=中等，且 Y=多，則 t2=短，否則 規(guī)則 10： 若 X=中等，且 Y=很多，則 t2=很短，否則 規(guī)則 11： 若 X=少，且 Y=很少，則 t2=短，否則 規(guī)則 12： 若 X=少，且 Y=少，則 t2=短，否則 規(guī)則 13： 若 X=少，且 Y=中等，則 t2=很短，否則 規(guī) 則 14： 若 X=少，且 Y=多，則 t2=很短，否則 規(guī)則 15： 若 X=少，且 Y=很多，則 t2=很短 。 表 31 模糊控制規(guī)則 X Y 很少 少 中等 多 很多 多 很長 長 適中 短 很短 中等 長 適中 短 短 很短 少 短 短 很短 很短 很短 反模糊化 從模糊規(guī)則得到的結(jié)果仍然是模糊量，還要經(jīng)過模糊推理算法還原為精確量才能輸出。本設(shè)計采用當(dāng)今模糊控制算法的主流算法 —— 簡易模糊推理算法。對于每個確定的輸入 X 和 Y 值對應(yīng)不同的模糊子集，具有不同的從屬度。由此而激活的多條模糊規(guī)則以取小的策 略求出各輸出于模糊集的從屬度 ： ? ? ? ? ? ?YμBXμAtμ 1121 ?? (33) ? ? ? ? ? ?YμBXμAtμ 2222 ?? (34) ?? 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 24 然后采用重心法 (加權(quán)平均法 )反 模糊 化 ，求出 t2 的精確值 ： ?????miimiii2μTμt11 (35) 式中 ： iμ 為確定的 X、 Y 輸入值所對應(yīng)的不同模糊子集的從屬度 ； Ti 為輸出各模糊子集所對應(yīng)的重心值。 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 25 第四章 基于 PLC 的交通信號模糊控制 可編程控制器 可編程 序 控制器 （ Programmable Controller，簡稱 PC，后又稱 PLC） 是以自動控制技術(shù)、微計算機(jī)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的 一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算 、 順序控制 、定時 、 計數(shù)與算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。 PLC 控制技術(shù)代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平，PLC 裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。 1． PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展 1968 年，美國通用汽車公司首先提出了可編程控制器的概念。 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司 （ DEC） 研制出第一臺 PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。 這是由一種新的控制系統(tǒng)代替繼電器的控制系統(tǒng)，其核心采用編程方式代替繼電器方式來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的控制。 這種新型的工業(yè)控制裝置 PLC 的基本設(shè)計思想是把計算機(jī)的功能完善、靈活、通用等優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，控制器的硬件是標(biāo)準(zhǔn)的、通用的，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的對象、將控制內(nèi)容編成軟件寫入控制器的用戶存 儲區(qū)內(nèi)，以滿足不同的應(yīng)用對象。而且控制器和控制對象連接方便。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)，尤其是微處理技術(shù)和微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，到 70 年代中期以后，PLC 已廣泛地使用微處理器作為中央處理器，輸入輸出和外圍電路也都采用了中、大規(guī)模甚至超大規(guī)模的集成電路，這時的 PLC 已不再僅有邏輯判斷功能，還同時具有數(shù)據(jù)處理、PID 調(diào)節(jié)、通訊聯(lián)網(wǎng)、故障自診斷及 DCS 生產(chǎn)監(jiān)控等功能。 PLC 的年生產(chǎn)增長率仍保持在 30%~40%的水平，成為當(dāng)今增長速度最快的工業(yè)控制器，而其將向大型化和小型化兩個方向發(fā)展，以適應(yīng)不同場合和不同要求的控制需要。 2． PLC 的 優(yōu)越性 PLC 是傳統(tǒng)的繼電器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，所以在工業(yè)控制方面，它具有繼電器控制或通用計算機(jī)無法比擬的特點(diǎn)。 (1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 26 PLC 是專為工業(yè)控制而設(shè)計，在硬件方面采用了電磁屏蔽、光電隔離、模擬量和數(shù)字量濾波、優(yōu)化電源等措施，并對元件進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選，在軟件方面采用了警戒時鐘、故障診斷、自動恢復(fù)等措施，利用后備電池對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，因此， PLC 具有其他工業(yè)控制設(shè)備更高的可靠性。 (2) 應(yīng)用靈活、使用方便 模塊化的 PLC 設(shè)計，使用戶能根據(jù)自己控制系統(tǒng)的大小、工 藝流程和控制要求等來選擇自己所需要的 PLC 的模塊并進(jìn)行資源的配置和 PLC 的編程。 PLC 是通過存儲器中的程序?qū)崿F(xiàn)控制功能，若控制功能需要改變，只需要改變程序及少許接線即可。而且，同一臺PLC 還可用于不同的控制對象，通過改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同控制系統(tǒng)的控制要求。因此，PLC 具有很大的靈活性和通用性，結(jié)構(gòu)形式多樣化，可以適用各種不同規(guī)模、不同工業(yè)控制要求。 (3) 編程語言簡單易學(xué) 目前， PLC 大多采用梯形圖語言編程方式，既繼承了繼電器控制線路清晰直觀感，又考慮到電氣技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣和應(yīng)用實(shí)際，電氣技術(shù)人員易于 編程，程序修改靈活方便。 (4) 功能強(qiáng)大 現(xiàn)代 PLC 不僅具有條件控制、計數(shù)、定時、步進(jìn)、跳轉(zhuǎn)、移位等功能，還能完成 A/D，D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理及通信網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)過程監(jiān)控等功能。 (5) 易于安裝、調(diào)試、維修 在安裝時，由于 PLC 的輸入 /輸出接口已經(jīng)做好，因此可以直接和外部設(shè)備相連，而不再需要專用的接口電路。所以硬件安裝上的工作量相應(yīng)減少。 PLC 的調(diào)試可以先在實(shí)驗(yàn)室模擬完成后再現(xiàn)場安裝、調(diào)試。這樣可以避免可能在現(xiàn)場出現(xiàn)的一些問題，從而縮短調(diào)試周期。在維修方面， PLC 完善的診斷和顯示功能，可以通過模塊 上的顯示或編程器等很容易地找出故障模塊，由于是模塊化的設(shè)計，因此只需要對出錯的模塊進(jìn)行更改即可。 (6) 網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大 PLC 具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能。 PLC 不僅能做到遠(yuǎn)程控制、進(jìn)行 PLC 內(nèi)部通訊與上位機(jī)進(jìn)行通訊，還具備專線上網(wǎng)、無線上網(wǎng)等功能。因此， PLC 就可以組成范圍很大的控制網(wǎng)絡(luò)，整個工廠，甚至整個系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)自動化。 (7) 體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。 PLC 結(jié)構(gòu)緊湊，堅(jiān)固耐用，體積小巧，并具備很強(qiáng)的可靠性和搞干擾能力，使之易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為機(jī)電一體化十分理想的控制設(shè)備。 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 27 設(shè)計步驟 系統(tǒng) I/O 地址 分配 交通信號是一個連續(xù)自動運(yùn)行的系統(tǒng)，通常依時間變換轉(zhuǎn)換，很少需要人工干預(yù)，因此輸入設(shè)備很少，只需要一個起動按鈕，所以只有很少幾個輸入點(diǎn)。 1． 輸出 信號 的 分類歸納 (1) 南北主干道 南北主干道的交通燈有 9 個，分別是左轉(zhuǎn)紅燈、左轉(zhuǎn)綠燈、左轉(zhuǎn)黃燈、右轉(zhuǎn)紅燈、右轉(zhuǎn)綠燈、右轉(zhuǎn)黃燈、直行紅燈、直行綠燈和直行黃燈。 (2) 東西主干道 東西主干道的交通燈也有 9 個，分別是左轉(zhuǎn)紅燈、左轉(zhuǎn)綠燈、左轉(zhuǎn)黃燈、右轉(zhuǎn)紅燈、右轉(zhuǎn)綠燈、右轉(zhuǎn)黃燈、直行紅燈、直行綠燈和直行黃燈。 (3) 南北 人 行道 南北人行道的交通燈有 2 個，分別是紅燈和綠燈。 (4) 東西人行道 東西人行道的交通燈有 2 個，分別是紅燈和綠燈。 由上 可知 ， 4 個路口則需要 44 個輸出端口，而實(shí)際上，東西方向兩個路口，南北方向兩個路口交通燈的變化完全一樣，用一個輸出端口驅(qū)動兩個指示燈，就可以節(jié)約一半的資源，只需 22 個輸出端。 2． 系統(tǒng) I/O 地址分配 PLC 的品牌很多，像西門子、施耐德、 GE、羅克韋爾、 ABB、歐姆龍、三菱等等，各個產(chǎn)品的定位也不盡相同。在這里選擇編程靈活，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的西門子 S7200系列 PLC作例子， CPU型號為 CPU226，并加一個 I/O擴(kuò)展模塊 EM223，在 step7Micro/win32平臺上編程。則將 22 個輸出端按如下表 41 所示的 系統(tǒng) I/O 地址分配。 表 41 I/O 地址分配表 類別 代號 地址號 功能說明 輸入 SB1 啟動 SB2 停止 SB3 南北左行離開車輛采樣線圈 X1 SB4 南北直行離開車輛采樣線圈 X2 SB5 東西左行離開車輛采樣線圈 X3 SB6 東西直行離開車輛采樣線圈 X4 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 28 SB7 南北左行等待車 輛采樣線圈 Y4 SB8 南北直行等待車輛采樣線圈 Y1 SB9 東西左行等待車輛采樣線圈 Y2 SB10 東西直行等待車輛采樣線圈 Y3 輸出 LED1 南北左 行紅燈亮 LED2 南北左行 黃燈亮 LED3 南北左行 綠燈亮 LED4 南北直行 紅燈亮 LED5 南北直行 黃燈亮 LED6 南北直行 綠燈亮 LED7 南北右行 紅燈亮 LED8 南北右行 黃燈亮 LED9 南北右行 綠燈亮 LED10 南北 人行紅燈亮 LED11 南北人行 綠燈亮 LED12 東西左行 紅燈亮 LED13 東西左行 黃燈亮 LED14 東西左行 綠燈亮 LED15 東西直行 紅燈亮 LED16 東西直行 黃燈亮 LED17 東西直行 綠燈亮 LED18 東西右行 紅燈亮 LED19 東西右行 黃燈亮 LED20 東西右行 綠燈亮 LED21 東西 人行紅燈亮 LED22 東西人行 綠燈亮 交通 信號的 時序 安排 和 設(shè)計 流程 X 2X 2X 1X 1X 3X 3X 4X 4Y 4Y 4 Y 1Y 1Y 2Y 2Y 3Y 3 圖 41 十字路口線圈采樣輸入 江蘇大學(xué) 學(xué)士學(xué)位論文 29 地感線圈的鋪設(shè)如圖 41 所示 ， 則模糊推理部分的輸入 /輸出已 然 確定下來，即： X1 為南北左行車 道離開車輛的線圈 采樣數(shù)， X2 為南北直行 車道離開車輛的線圈 采樣數(shù)， X3 為東西左行 車道離開車輛的線圈 采樣數(shù)， X4 為東西直行 車道離開車輛的線圈 采樣數(shù) ； Y1 為南北直行 車道等待車輛的線圈 采樣數(shù)， Y2 為東西左行 車道等待車輛的線圈 采樣數(shù) ， Y3 為東西直行車道等待車輛的線圈 采樣數(shù)， Y4 為南北左行車道等待車輛的線圈采樣數(shù)。 線圈 采樣 10s 后 ， 根據(jù)前 一章節(jié) 的表 31 中的模糊控制規(guī)則，可以由 X Y1 判斷 出 南北左行綠燈的延長時間， 由 X Y2 判斷 出 南北直行 和右轉(zhuǎn) 綠燈的延長時間， 由 X Y3