【正文】 50 參考文獻(xiàn)[1]劉曙光, 魏俊民, [M].北京：中國(guó)紡織出版社 [2][M].北京：清華大學(xué)出版社[3]尹宏賓, [M].廣州：華南理工大學(xué)出版社[4]朱銘琳, 陳陽舟, [J].交通與計(jì)算機(jī)[5]陳林, [J].電子工程師[6] [M].北京: 人民交通出版社[7]韋巍，[8] 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用（第二版）.高等教育出版社[9]王艷娜, 周子力, 王新偉. 基于模糊控制的多相位交叉口交通信號(hào)控制[J].計(jì)算機(jī)工程[10][J]，微計(jì)算機(jī)信息[11]陳洪，[12]陳森發(fā)，陳洪，.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)[13]，：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社[14]黃文梅，楊勇， ：國(guó)防科技大學(xué)出版社。 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。 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)。同時(shí)，對(duì)于交叉路口的車輛的運(yùn)行情況和應(yīng)該遵循的交通燈的控制有了更多的了解。通過從確定選定題目到答辯的幾個(gè)月時(shí)間里，在指導(dǎo)老師和同學(xué)的幫助下自己終于完成了本次畢業(yè)論文設(shè)計(jì)。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。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。本文用 MATLAB 提供的模糊邏輯工作箱輔助設(shè)計(jì)多相位模糊控制器,方便快速,大大縮減了編程工 47 作量,且論域、語言變量、隸屬函數(shù)、控制規(guī)則等設(shè)定和修改非常容易。由于每一相位的配時(shí)是根據(jù)路口實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)模糊推理一次確定,可用于安裝倒計(jì)時(shí)器的路口,仿真結(jié)果表明該方法是有效的?？梢?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。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。作為對(duì)比,亦編寫了定時(shí)控制方法仿真程序,直行相位取 60 秒,其它相位取 20 秒。39。39。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0始時(shí),車輛等待隊(duì)長(zhǎng)之和。這樣使得用戶可以在 MATLAB 環(huán)境中完成一個(gè)具體模糊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)﹑建立﹑修改和測(cè)試工作，然后通過編寫?yīng)毩⒂?MATLAB 環(huán)境的 C 語言程序來調(diào)用這個(gè)模糊系統(tǒng)，進(jìn)而可以方便地用到實(shí)際的系統(tǒng)開發(fā)中去。進(jìn)一步，還可以運(yùn)用 MATLAB 的仿真工具Simulink 來建立一個(gè)仿真環(huán)境，以測(cè)試結(jié)果模糊系統(tǒng)的功能和效果。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)。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?？梢灾苯诱{(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。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。 qs=j1。 for j=1:1:11。ulist=zeros(11,11)。)。Sfis =readfis(39。再運(yùn)用（37）或（38）式,得到綠燈亮的時(shí)間, 然后去控制信號(hào)燈和倒計(jì)時(shí)器。由于 R 龐大,因此不利于儲(chǔ)存和在線運(yùn)算,通常是進(jìn)一步求出模糊響應(yīng)表,即模糊控制表。直行相和右行相、左行相使用*e的比例因子不同。39。39。合成的結(jié)果是一個(gè)模糊子集,可按隸屬度量大法、中位方法或加權(quán)平衡法進(jìn)行反模糊化,得到在區(qū)間 E 上的精確控制量 Δe*,再經(jīng)尺度變換后得實(shí)際的控制量增量 Δe。 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言變量。通過總結(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。圖 13 輸出變量各模糊子集的隸屬函數(shù)。設(shè)其論域?yàn)?E,為便于選取變量的詞集,定義 E={6,5,4,…,4,5,6}。從基本率域到論域的線性變換同公式（32)。直行隊(duì)長(zhǎng)的隸屬函數(shù)定義見圖 11。直行隊(duì)長(zhǎng)基本率域?yàn)閇0,Qlimit],設(shè)其論域?yàn)?Q,則Q={0,1，2,3,4,5,6,7,8,9,10}。以直行相為例討論控制器的設(shè)計(jì)。其輸入是當(dāng)前相的主隊(duì)列 qp 和后繼相的主隊(duì)列 qs,輸出是綠燈時(shí)長(zhǎng)相對(duì)于設(shè)定配時(shí) M 的增量 Δe。在實(shí)際控制過程中,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。 模糊控制器的設(shè)計(jì)所謂模糊控制就是在控制方法上應(yīng)用模糊集合論,運(yùn)用模糊語言變量及模糊邏輯推理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。當(dāng)南北方向右轉(zhuǎn)亮綠燈，東西方向右轉(zhuǎn)亮綠燈，東西方向左轉(zhuǎn)亮綠燈時(shí)，可同時(shí)由相位相位 1﹑相位 3 和相位 4 完成。當(dāng)東西方向右轉(zhuǎn)亮綠燈，南北方向右轉(zhuǎn)亮綠燈，南北方向左轉(zhuǎn)亮綠燈時(shí)，可同時(shí)由相位 1﹑相位 4 和相位 6 完成。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。對(duì)于每個(gè)方向右車道，直行與左行車道均設(shè)有傳感器，用于檢測(cè)任一時(shí)刻在該區(qū)間內(nèi)將要行駛的車輛數(shù)目。所謂主隊(duì)列是一個(gè)相位兩個(gè)方向中車輛等待數(shù)較大的等待隊(duì)列。設(shè) （i=1,2,3,4,5,6）是第 i 相位的綠燈配ie時(shí),它由路口實(shí)時(shí)檢測(cè)的車流量決定。 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燈后的車流離開數(shù)。下面令 表示第 i 相位對(duì)應(yīng)的兩個(gè)方向的車輛等待隊(duì)列長(zhǎng)度（下稱隊(duì)()jkqi長(zhǎng)）,j=1,2,3,4,5,6,為相位序號(hào),k=1,2, ∈[0,Qlimit],Qlimit=D/L,Ljkq為單位車身長(zhǎng)度。根據(jù)實(shí)際交通經(jīng)驗(yàn),每一相位時(shí)間不能過短,以免某一相位的綠燈時(shí)間過小,使車輛不能及時(shí)通過路口而影響交通安全,一般最小相位時(shí)間為 1520s；信號(hào)周期也不能過長(zhǎng),一般不能超過 180s。 31 車輛檢測(cè)器D圖 8 單交叉路口交通流分布采用六相位控制:東西右行相東西直行相東西左行相南北右行相南北直行相南北左行相,如圖 9 所示。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。在每條入口道上設(shè)置兩個(gè)信號(hào)檢測(cè)器構(gòu)成一個(gè)檢測(cè)區(qū),一個(gè)設(shè)在停車線處,用于檢測(cè)該道的車輛離開數(shù)。 交通信號(hào)模糊控制思想單交叉路口交通流分布如圖 8 所示。本文用 MATLAB 軟件并結(jié)合其模糊邏輯工具箱,實(shí)現(xiàn)了該模糊控制器及其仿真。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。近年來用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的控制,得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,但同時(shí)考慮多相位和倒計(jì)時(shí)問題的研究并不多見。傳統(tǒng)的控制一般是采用模型控制或預(yù)先人為地設(shè)定多套方案,實(shí)踐表明這種方法的控制效果并不理想。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)。將模糊推理結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確值的過程稱為反模糊化。7）反模糊化通過模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合。5）建立模糊控制表模糊控制規(guī)則可采用模糊規(guī)則表 1 來描述，共 49 條模糊規(guī)則，各個(gè)模糊語句之間是或的關(guān)系，由第一條語句所確定的控制規(guī)則可以計(jì)算出 u1。4）建立模糊控制規(guī)則根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)輸出的誤差及誤差的變化趨勢(shì)來設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則。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,}。本節(jié)以單變量二維模糊控制器為例，介紹這種形式模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟，其設(shè)計(jì)思想是設(shè)計(jì)其他模糊控制器的基礎(chǔ)。圖 7 多變量模糊控制器 模糊控制器的設(shè)計(jì)模糊控制器最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法是將一系列模糊控制規(guī)則離線轉(zhuǎn)化為一個(gè)查詢表（又稱為控制表） 。模 糊控 制器V1VmU1Un如圖 7 所示。但是維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律就過于復(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。由于這些模糊控制器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，推理運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，因此除非對(duì)動(dòng)態(tài)特性的要求特別高的場(chǎng)合，一般較少選用三維模糊控制器。一維模糊控制器E U圖 4 一維模糊控制器2）二維模糊控制器 如圖所示，二維模糊控制器的兩個(gè)輸入變量基本上都選用受控變量和輸入給定的偏差 E 和偏差變化 EC，由于它們能夠較嚴(yán)格地反映受控過程中輸出變量的動(dòng)態(tài)特性，因此，在控制效果上要比一維控制器好得多，也是目前采用較廣泛的一類模糊控制器。由于僅僅采用偏差值，很難反映過程的動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)，因此，所能獲得的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能是不能令人滿意的。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)。??RBAC??? 25 模糊控制器的結(jié)構(gòu)在確定性控制系統(tǒng)中，根據(jù)輸入變量和輸出變量的個(gè)數(shù)，可分為單變量控制系統(tǒng)和多變量控制系統(tǒng)。但是，至此所獲得的結(jié)果仍是一個(gè)模糊矢量，不能直接用來作為控制量，還必須作一次轉(zhuǎn)換，求得清晰的控制量輸出，即為解模糊。最基本的有 Zadeh 近似推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類。（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)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。規(guī)則庫(kù)是用來存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時(shí)為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。根據(jù)人工控制經(jīng)驗(yàn)，可離線組織其控制決策表 R, R 是笛卡兒乘積集上的一個(gè)模糊子集，則某一時(shí)刻其控制量由下式給出： （225） 式中 表示模糊直積運(yùn)算； 176。最常用的關(guān)系詞為 ifthen、also，對(duì)于多變量模糊控制系統(tǒng)，還有 and 等。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)，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。對(duì)于一個(gè)模糊輸入變量 e，其模糊子集通?？梢宰魅缦路绞絼澐郑?）={負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}={NB, NS, ZO, PS, PB}2）={負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中