道路交叉口信号模糊控制系统设计设计.docx
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1、道路交叉口信号模糊控制系统 设计设计道路交叉口信号控制系统设计设计通行能力和可能通行能力。在这方面，美国交通研究委员会于1950年出版了道 路通行手册（Highway Capacity Manual）第一版“明 是一本系统分析道路通行能力 的书。我国于2003年也出版了符合我国道路状况的标准公路通行能力手册口的，公 路工程技术标准和公路线路设计计划附。1.1.1 美国道路通行能力手册（HCM）编写道路通行能力手册是为了给交通从业人员和研究人员提供一套统一的评价公 路和街道设施服务质量的方法。HCM不是为各种交通设施、系统、区域或环境制定有关期望的或恰当的服务质量的政策，而是对确定交通设施规模，
2、确保从业人员接触到 新研究成果，找出典型问题，提供一套合乎逻辑的分析方法口引。全书分为五篇：总论、基本概念、分析方法、交通走廊和区域分析、仿真和其他模 型。1.3 模糊控制理论模糊控制理论是模仿人类的思维模式建立的。举例说明：向一个木桶中放水，人需要感受水温的情况，这时候有“冷” “较凉”“较热” “热”等状态，它们没有明确的 内涵和外延，这是可以用模糊集合来描述。当水较凉时，会相应放较多的热水；而水较 热时，可以放较少的热水。这个输出也没有明确的量化，可以用模糊集合表示。模糊控 制就是用计算机模拟人的思维方式。1.3. 1模糊控制理论的发展简史1965年美国加利福尼亚大学控制学教授卢菲特 泽
3、德教授提出模糊逻辑理论。1973年，模糊逻辑被写入论文 Outline of a new approach to the analysis of complex systemsand decision processes（IEEE Trans On Systems, Man and Cybernetics, vol.3 no.l, pp.28-44, Jan. 1973年）。1974年，英国的E. H. Mamdani首先用模糊控制规则构造模糊 控制器，应用于锅炉和蒸汽机的控制，标志着模糊控制论的诞生。模糊控制理论的应用范围（1）模糊控制介于自然语言的描述;(2)(2)模糊逻辑可以建立在专家经
4、验的基础上;（3）模糊逻辑容许使用不精确的数据；（4）模糊逻辑在概念上易于理解；（5）模糊逻辑可以对任意复杂的非线性函数建模。-3-道路交叉口信号控制系统设计1.3.3 模糊推理过程输入值误差1.3.3 模糊推理过程输入值误差精徜控制被控对象输出图L1模糊推理过程模糊推理由以下几个方面组成：首先将输入变量模糊化，就是将输入的变量归入由 隶属度描述的模糊集中，然后在模糊集之中根据需要应用模糊算子。根据专家意见设定 模糊规则，得出总的结论，最后反模糊化。1.4 主要工作本文针对单交叉路口： 1）调查了实际的交通情况，考察其信号控制方案；2）设计了 一种基于模糊控制的红绿灯信号方案，将它的控制效果与
5、定时控制进行比对。本文第一章主要介绍研究背景，道路通行能力理论以及模糊控制理论。在研究背景 部分谈论了交叉路口的信号灯的重要性，信号灯控制方式的发展历程，近期国内外应用 的信号控制系统和其他改进方案。交通灯的信号控制效果涉及到对交通通行能力的讨 论，需要在这章对这个概念做简单介绍。模糊控制理论是本文中实现信号灯自适应控制 的主要方法。在第二章中，针对有关交叉口通行能力和信号设计的参数，介绍了相关术语和相应 公式，尔后讲解了单交叉路口的几种控制方法；为了便于获取输入参数，确定了车流量 检测器的设置方式；最后介绍了道路通行检测指标，这是仿真的输出值。它关系到道路 的服务水平，也决定了交通灯信号设计
6、成功与否。第三章是对单交叉路口的实际交通情况（包括车流量和道路状况），红绿灯信号的 勘测和效果检验。将交通情况和实际控制信号输入到Synchro6软件做仿真，观察控制 效果;再使用软件内置的平面交叉口道路通行能力的计算公式,得出最佳定时设计方案, 将此方案和实际控制信号的效果进行比较。第四章中采用了三相位六车道设计，与上一章讨论的实际中采用的两相位四车道信 号控制相区别，设计通行车流量更大，控制方法更复杂。根据HCM标准，计算出不同-4-道路交叉口信号控制系统设计车流情况的定时配时，据此设计了自适应的模糊控制规则。这一章中采用的是MATLAB 仿真。本章对仿真的各个模块，所依据的公式，模糊控制
7、的具体规则，车辆延误时间计 算做出解释。将模糊控制的仿真结果和最佳定时方案的仿真结果进行对照，并对结果进 行分析。结论中总结了本文的讨论的两个问题，并且对本设计中的不足之处和未完成的工作 做出整理及归纳。道路交叉口信号控制系统设计2交通控制基本理论交通控制，也叫交通信号控制，或城市交通控制，就是依靠交通警察或采用交通信 号控制设施，随交通变化特性来指挥车辆和行人的通行。它通过由电子计算机管理的交 通控制设施对交通流进行限制、调节、诱导、分流以达到降低交通总量，疏导交通，保 障交通安全与畅通的目的。交通信号灯的种类叫(1)普通非闪灯，即常见的红，黄，绿三色信号灯。(2)箭头信号灯，在灯头上加一个
8、指示方向的箭头，可有左，右，直3个方向。 专门用来分离不同方向的交通流，并对其提供专门通行时间的信号灯。2.1交通控制的设计原则(1)交通控制信号的简明性交通信号的相位设计和冲突点有关,可以通过构造冲突矩阵来设计复杂的相位, 但是需要注意的是，相位越少，绿信比就会越高，车辆的通行速度就会加快。并且信号 灯的相位不宜变换或设计过于复杂，否则司机的反应能力可能跟不上信号灯的变化，产 生事故。(2)交通控制信号的实用性交通信号设计要符合已有的规范，因为这些规范不仅仅是人们较熟悉的，而且它们 也考虑了行人的安全和司机的反应速度等人为因素。有关交通流量的计算公式要参照相 应的手册口4，均16(3)交通控
9、制信号的有效性信号控单交叉路口的交通灯的影响范围不仅仅局限于信号控制点，而是一个范 制方案的改进涉及到一个区域直到整个城市，因此需要谨慎的构思18o2. 2信号设计及检测流程道路交叉口信号控制系统设计车流量调查;车流量调查;道路状况调查（1）设计相位及车道数 （2）设计饱和车流量 （3）计算每个相位的流 量比，确定每相位 的绿灯时间（5）确定道路通行检测 指标（6）设计绿灯间隔时间, 黄灯时间，计算周期长度（4）检测道路通行能力 服务等级（7）图2.1控制信号设计、检验流程图注1）上面是用公式计算交通信号的流程（即用MATLAB仿真构建模块）,使用 交通仿真软件Synchro6时，（3）,（4
10、）,（5）,（7）均由软件内置公式自动生成。注2）以上（3）,（4）,采用Webster公式计算，第步中检测指标采用HCM标 准。2. 3交通控制的基本术语和方法本文使用Synchro6软件和MATLAB中的Simulink仿真工具箱对单交叉口信号控 制下的车流情况仿真。在Synchro6软件内置的公式、算法和MATLAB仿真模块中， 大量涉及道路通行能力的计算标准，包括车队的排队长度，车流量，车辆延误等等。计 算这些参数还需要了解交通信号的专业术语。这些术语和公式的表达务必精确，没有疑 义，这样才便于理解设计过程，分析控制效果。表2.1信号交叉口处交通流基本变量的符号,定义和单位18,13,
11、14-7-道路交叉口信号控制系统设计定义公式位信号灯的各种灯色轮流期长度期长度显示一次所需要的时间。最短信号周期一般不少于36秒，最长信号周期一般不超 过120秒。% Aj 信比一个信号周期内某信号相位的有效绿灯时间g与信1 效绿 灯时 间i加 失时间一个信号周期内某信号g= Gt + Yt一 L号周期T的比值。相位的绿灯时间伉与黄灯 时间无之和减去损失时间 Lt。损失时间由前损失时间 和后损失时间两部分组成。 前损失时间是指绿灯时间开 始时，由于车辆驶出率较低 造成的损失时间。后损失时-8-道路交叉口信号控制系统设计间是指绿灯时间结束时，黄 灯期间车辆己不许越过停车 线，只有绿灯期间己越过停
12、 车线的车辆可以继续通行所 造成的损失时间。片 在信号控制交叉口，其 号相 每一种控制状态（一种通行 位 权），即对各进道口不同方向所显示的不同灯色的组 合，称为一个信号相位。3道路上某一定时段内实通流际通过的车辆数量t qs 排队车辆加速到正常行 和流 驶速度时通过停车线的稳定 量 车饱和流量取决于道路条件（车道宽度）和车辆状况（车 型与车流方向）。-9-道路交叉口信号控制系统设计ii %行能力和度现有道路条件（饱和流 量）和交通管制（绿信比配 置）下,车辆以能够接受的行 车速度，单位时间内一条道 路或道路某一截面所能通过 的最大车辆数。道路的实际流量与通行 能力之比。兼顾到路口通行 效率与
13、绿灯时间利用率，饱QcGt =qs斤和度一般设置在0.9左右。q X = %Qs Gt道交通流量比界车道路的实际流量与饱和 流量之比。在饱和度取1时, 车道交通流量比等于绿信 比。在每个信号相位中，具 有最大交通流量比的车道所 对应的车流称之为该信号相 位的关键车流。某信号相位中车道交通 流量比的最大值。q yQs-10-道路交叉口信号控制系统设计道组 交通 流量相应的控制方法如下:2.3.1 定时控制这种信号的周期长、相位、绿灯时间及转换时间都是事先确定的。信号通过规定的 周期长以不变的形式运行，每个信号周期的周期长和相位恒定不变网。离线控制特别适合于交通量小的交叉口，分为定周期控制和变周期
14、控制。2. 3.2自适应控制模糊控制通过在干道上一前一后设置的两个检测器，检测进入和驶出该道路的车辆数量，确定排队车辆数或者车流量密度，确定绿灯时间，实时调整信号。表2. 2三种控制方式比较维护间隔I 调控能 适杂性 力 用场合短。且视 道路状况和网 路建设，城市 发展情况而不 同。由以上状 况而引起的车单，主要 依据 HCM 公式较低, 它根据平均车流量设计控制信号。为了车流量 的波动不足车 流量较 小且车 流量比 较稳定 的交叉-11 -道路交叉口信号控制系统设计流量变化的剧烈程度决定维护间隔。同上周 期 定 时等，主要依据HCM以对道路通 行能力造成 威胁，不能 采用最优的 通行方案，
15、需要对道路 的通行能力 留出余量。中等。由于在不同 的时段信号 配时不同，比定周期控公式制方案具有 更大的灵活 和适用性，但也需要对 道路通行能 力留出余-12 -路口对 于上下 班高峰 期，其配 时方案 与其相 对应，可 有效疏 散交通 流，尽可 能地避大学本科毕业设计（论文）道路交叉口信号控制系统设计Road Intersection Signal Control System Design道路交叉口信号控制系统设计量。适 应 控 制长。由于 交通灯采用了 自适应的控制方式，对于周围车流量的改变，可以自我 调节，避免了 人工维护。2. 4 相位设计? 高。对 杂，于波动的车 采用流量和突发
16、 专家的事故和改设计道引起的车的模流量的急剧糊控变化基本能制规够达到通行 则要求。免或减 少交通 拥挤。在遭遇事故，或者天气状 况改变的情况下，车流 量和平 时完全 不同时 更为有 用。典型的单交叉路口有东、南、西、北四个方向，每个方向均有右行、直行和左行三股车流。对于行车而言，相位越多越安全，但周期长、延误时间长、通行效率低；相反, 相位少，交叉口车流虽然较乱，但通行效率反而高。多数情况下，向右转弯的车辆不受 信号灯控制。-13 -道路交叉口信号控制系统设计表2.3三种相位设计图像相位设计说明四车道，右东西直行相南北直行相实际 相中采用的 位是两相位转不受信号灯控制，左转和直 行由同一 个信
17、号灯 控制，使用 同一车道。 由于采用 混合车道， 因此计算 较复杂。-14 -道路交叉口信号控制系统设计在模 相糊控制的 位设计中采 用三相位 六车道。三 种相位分 别是东西 相直行和 右转，东西向左转，南 北向三种 车流同时 通行，这是 一种较为 便于讨论 的设计方 案。一 15 一道路交叉口信号控制系统设计相四相位变相四相位变位换并不是常见的四相位变换 的方式，它 是对称的, 是便于理解的设计。由于北山十字路口的车流量小，以上三种相位均可以采用。2. 5 检测器的设置在停车线处设置车辆检测器，计算车辆驶出车道的数量Ni。另外在离停车线80-100 米处设置另一车辆检测器，计算驶入车道的数
18、量这样的设计便于计算车辆在红灯时 排队的车辆数(n = N2- NJ,也可以得到绿灯时车辆的通行情况，例如车流量(q = (N2- ND/Gt)等等。交通流量的其他参数还可以通过道路的长度，平均车速等计算出来。3. 6交通情况检测指标的确立般来说，信号交叉口的控制效果是由延误、密度、流率、排队长度和饱和度等五个基本参数来衡量的。这些参数不仅反映车辆通过交叉口时的动态特性，同时它们也作 为交叉口信号配时参数优化的依据，用于建立优化模型和目标函数。表2.4道路通行服务水平的考察指标8定义适用情况-16 -道路交叉口信号控制系统设计延延误是由误于交通干扰、交通管理和控 制设施等因素 引起的车辆运 行
19、时间损失。密 在已知长 度度的车道上的车辆数，按时 间取平均值。流 在不足lh 率的时间间隔（通常是15min）内，车 辆通过一条车 道或道路的指 定点或断面的 当量小时流 率。由于延误能反映了司机 不舒适、受阻的程度以及油耗 和行驶时间损失，所以是最常 用的评价信号交叉口运行状 况的指标。表示车辆之间互相接近 的程度，反应在交通流中的自 由度。高峰流率对于通行能力 分析很重要。假如在短时间的 流率大于通行能力，而交通量 小于通行能力，还是会引起严 重堵塞。-17 -道路交叉口信号控制系统设计排车辆的排队长队长度是延误某车道的车辆排队长度 如果过长，易引起车辆堵塞和度时间增加的主平均延误时间增
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