1、单交叉路口红绿灯智能控制系统专业：自动化 姓名：张 桂 指导教师：王彩霞老师摘 要 近年来随着社会的快速 发展和人 们生活水平的不断提高，城市交通的车流量大幅度增加，给交通道路的运行带来了巨大的压力。在复杂的城市交通控制系统中，单交叉路口交通控制系统通常采用的方法是定时控制方案，预先人为地分配好红黄绿灯的保持时间。其主要目的是协调好车辆的通行,尽量减少车辆的延误和道路的拥挤。为了能更好更快地解决城市交通道路拥挤的问题，特别是对交通灯的控制要求就很高。因此本课题选择模糊控制算法来实现交通灯对交叉路口的智能控制。本文首先介绍模糊控制的相关内容，利用模糊控制算法设计了单路口红绿灯模糊控制器，研究对交
2、通灯的控制的模糊控制算法，并利用仿真将模糊控制的效果与定时控制的效果进行比较。使用 MATLAB 仿真结果表明：利用模糊控制算法来实现对交通灯的控制，其效果优于定时控制。关键词 单交叉路口交通灯，模糊控制，仿真，MATLABABSTRACTIn recent years along with societys fast development and the people living standards unceasing enhancement, municipal transportations traffic flow magnitude increased large scale,
3、has brought the huge pressure for the transportation paths movement. In the complex municipal transportation control system, the method which the list four corners traffic control system usually uses is the timed control plan, artificial assigns the good red yellow green light maintains the time in
4、advance. Its main purpose is coordinated the good vehicles passing through, reduces vehicles delay and paths crowded as far as possible. For can better solve the municipal transportation road congestion quickly the question, the control request is very specially high to the traffic light. Therefore
5、this topic choice fuzzy control algorithm realizes the traffic light to the four corners intelligent control.This article first introduced that the fuzzy control the related content, the use fuzzy control algorithm design single-channel lipstick green light fuzzy controller, has studied to the traff
6、ic light the control fuzzy control algorithm, and carries on using the simulation fuzzy controls effect with the timed control effect the comparison. Uses the MATLAB simulation result to indicate: Uses the fuzzy control algorithm to realize to the traffic light the control, its effect surpasses the
7、timed control.Key words: Single-junction traffic lights，Fuzzy Control，Simulation，MATLAB目 录1 绪 论 .- 1 -1.1 智能交通系统简介 .- 1 -1.2 国内外发展的现状 .- 3 -1.3 本文主要研究内容 .- 5 -2 模糊控制原理 .- 6 -2.1 模糊控制概述 .- 6 -2.2 模糊控制概念 .- 7 -2.3 模糊控制特点 .- 8 -2.4 模糊控制理论基础 .- 8 -2.4.1 模糊集合 .- 8 -2.4.2 模糊算子 .- 11 -2.4.3 隶属度函数 .- 12 -2.
8、4.4 模糊控制规则 .- 15 -2.4.5 模糊推理 .- 17 -2.4.6 反模糊化 .- 19 -2.5 模糊控制器 .- 21 -2.5.1 模糊控制器的组成 .- 21 -2.5.2 模糊控制器的结构 .- 24 -2.5.3 模糊控制器的设计 .- 26 -3 单路口交通灯控制系统 .- 28 -3.1交通信号模糊控制思想 .- 29 -3.2 交叉口车辆传感器设计 .- 32 -3.3 模糊控制器的设计 .- 33 -3.3.1 确定模糊控制器的输入输出变量 .- 34 -3.3.2 确定模糊控制规则 .- 36 -3.3.3 模糊推理及反模糊化的方法 .- 39 -3.4
9、模糊响应表的生成 .- 40 -4 仿真系统设计与实现 .- 41 -4.1 MATLAB软件介绍 .- 41 -4.2 MATLAB模糊逻辑工具箱介绍 .- 42 -4.3 评价指标计算 .- 42 -4.4 仿真系统设计与实现 .- 43 -4.5 仿真结果分析 .- 44 -5 结论与展望 .- 46 -结束语 .- 48 -参考文献 .- 49 -致 谢 .- 50 - 1 -1.绪 论1.1 智能交通系统简介智能的交通控制系统（ITS）主要是利用了最先进的电子科技信息技术,形成了以人员,公路和车辆三位为一体的新公路交通控制系统的总称。ITS 的作用主要是能够通过利用现有的道路交通设施
10、来减少交通的拥挤,并加强了对车辆的集中管理和合理调度,为驾驶员以及乘客提供足够多的交通,安全,娱乐等信息,使得人,车,路能够密切地相结合和统一,这将极大地提高交通运输通行效率,保障交通安全,增强车辆行驶的舒适性和安全性,这也对于改善环境保护和提高能源的利用起了很大的作用。为此 ITS 已引起了各国的关注和重视。智能交通控制系统(ITS) 按交通控制系统结构分类,可分为集中式的计算机交通控制系统和分布式的计算机交通控制系统。按交通控制系统的控制模式分类,可分为静态系统和动态系统。从功能角度上来说,包含的项目很多,大体可以分为以下五类：1）先进的交通管理系统(ATMS)：是指开发先进的交通控制,监
11、测和信息处理的先进管理技术。该系统主要用于在道路,车辆和驾驶员之间建立相互的通讯联系,然后交通控制中心接收到各种交通信息(如车辆检测,交通信号,告警和求助信号)并经过快速处理和调节此时的交通信号显示来向驾驶员和管理人员提供实时的交通信息,从而使交通道路处于最佳的运行状态。主要包括以下几部分:a信息检测系统：信息检测系统完成交通量,车道占有率,车速等参数的- 2 -检测,是交通管理与控制的基本依据,通常是通过各类车辆检测器来测定。如:视频检测器(如摄像头),环形线圈检测器,磁性检测器,雷达检测器,超声波检测器,射频设备监测器等等。 b信息处理系统：信息处理系统(包括交通控制中心的各级计算机硬件与
12、软件),主要对数据,语音,图像等信息进行处理和分析,生成并不断更新交通运输信息数据库,提出交通控制方案,并通过相应的设备对有关路段内的交通流做出相应的管理与调度。 c信息传输系统：在控制中心与信息采集,提供系统终端之间,需要借助于信息传输系统进行联系。为了确保系统内部数据,语音,图像信息准确,及时地传输,以满足运营管理的通信需求,传输系统通常由城市道路综合通信专用网-光纤传输网和其它专网集合而构成。 2）先进的车辆控制系统(AVCS)：即能够辅助以至替代驾驶员实行控制的技术,如驾驶员警告和援助技术,障碍物避让技术,以及自动驾驶灯,从而使汽车行驶安全,高效。目前美国有 3000多家公司从事高智能
13、汽车研制,已经推出自动恒速控制器,红外智能导驶仪等产品。3）先进的驾驶员信息系统(ADIS)：是以驾驶员为服务对象,其技术手段有很多种,如通过办公室或者家庭的计算机终端,公路咨询广播系统等,向驾驶员提供当前的交通和道路情况,车辆位置和行驶信息,甚至可以自动导航。 4）营运车辆调度管理系统(CVO)：是专为运输企业提高盈利而开发的智能型营运管理技术,目的在于提高商业车辆,公共汽车和出租汽车的效率。企业的车辆调度中心通过卫星,路边信号站等装置,以及车辆自动定位,识别- 3 -和称重等设备,对营运车辆进行调度管理。该系统的通信能力极强,可以对全国或者更大范围的的数万乃至数十万辆车辆进行实施控制。 5
14、）先进的大众运输系统(APTS)：采用如个人计算机，电视等各种智能技术向公众根据出行的时间和路线,方式以及对各种车辆的选择等提供咨询,并在公共车站通过显示器向乘客提供车辆的不同情况的运行信息等方法来促进公共运输业的发展。 在不同的交通运输项目中,往往采用下面几种技术: a交通检测技术:通过感应圈,红外,微波,闭路电视摄像,卫星定位检测技术,对不同路段的车辆和道路进行检测,并收集交通车流数据和图像信息；b交通控制技术:包括先进的交通信号控制系统,匝道信号控制系统,信号灯控制系统等技术； c通讯技术:主要包括了高密度的波分复用技术,光纤的传输以及接入技术,无线传输技术等； d 数据处理:包括对车流
15、数据,收费数据,监控信息数据等一些数据的处理； e 信息提供:通过图像信息或者 FM等通讯手段提供了出行的信息。1.2 国内外发展的现状城市交通路口的拥挤问题往往突出表现在一些单交叉路口处,80%以上的交通延误和拥挤主要集中在单交叉路口上,交叉口的通行能力不足道路的50%。在交叉口处,不同运行方向车辆的交叉运行,容易导致交叉路口处的车- 4 -辆运行效率降低。再加上一些不合理的交通道路的几何设计和相位设计,使得交叉路口的运行情况常、经常处于一种极其拥挤和混乱的局面.当发生这样的情况后,一方面是造成交叉路口的通行能力下降,车辆运行延误,同时也给环境带来了相关的问题。另一方面,一旦交叉路口发生车辆
16、堵塞和拥挤,这不仅仅影响到了该交叉路口的临近路段,还会使其他路段同样的拥挤，不能正常的运行。因此,对于是否充分地利用道路资源的主要关键就是对交叉路口资源的利用是否充分的问题,对于交叉路口的交通运行特性进行深入的分析,并找出造成交通阻塞和拥挤的原因,对于怎样提高交叉路口的运行能力的具体条件和相对应的措施,以及对措施的实施效果是提高交叉路口运行能力和缓解城市交通阻塞和城市交通压力问题是很有效和富有经济性的方法。 基于此类交通问题,许多发达国家和发展中国家都十分重视智能交通控制系统的开发和应用。从美国对 ITS项目的规划中知道,从 2000年到2011年,美国已经准备了 200亿美元投资于构造全国的
17、 ITS项目中。且已经在洛杉矶等地方开始开发了 ITS 在洛杉矶市对交通道路的自动的交通检测和控制,通过计算机控制系统来监控全市的交通运行状况和系统本身的性能；在道路上所设置的感应线圈可以检测出车辆的行驶速度和车流量以及车辆对道路的占用情况,并且能在短时间内对一些情况进行数据修改；交通信号可通过计算机针对实际的交通状况来进行自适应的调整或者人为的干涉;并且在一些关键的路段和重点的地区都会配有摄像机,以此来及时地观察该路段的交通情况。所以在不通过增加对道路的投资的前提下,ITS 很明显地提高了交通通行效益,道路畅行了许多。关于日本的 ITS主要包括了三个控制系统,一是由 AHS和 ASV组成的智
18、- 5 -能诱导系统(Stuart Cruise System; AHS: Advanced Cruise Assist Highway System; ASV: Advanced Safety Vehicle)；二是通过 ETC来收费的电子系统(Electronic Toll Collection System),相当于不停车收费系统；三是 VICS汽车信息通讯系统(Vehicle Information and Communication System)。据统计，从 2000年初到 2001年 6月,日本已普及有 300万辆汽车安装上了 VICS的通讯系统,并且对于 ETC的应用更加广泛。
19、同时，韩国政府于 2001年 3月开始制订了全新的 ITS计划-ITS 蓝图,预算投人 75亿美元,并且在 2010年前建成 7个先进的 ITS子系统,主要包括了汽车及高速公路系统,先进的交通管理系统,电子收费系统等。近年来,我国的许多研究学者以及研究机构在交通建模与交通控制方面作了大量的研究工作,并将许多研究成果应用于交通控制系统中,建立了一些比较优秀的交通控制系统。1.3 本文主要研究内容 本课题的主要任务是设计一个单交叉路口交通灯智能控制系统，要求能根据车流量大小来调节红绿灯亮的时间。因此，所采用的控制算法有很多种，如神经网络，专家系统，遗传算法和模糊控制等，本课题选择的是模糊控制算法，
20、所以文章首先重点介绍模糊控制的相关知识，包括模糊控制的概述、模糊控制的特点、模糊控制理论基础、模糊集合、模糊算子、模糊控制规则、隶属函数、模糊推理、反模糊化、模糊控制器及其设计步骤等；然后将模糊控制应用到交通灯控制系统中，最后通过进行 MATLAB仿真得以验证其可行性。- 6 -2.模糊控制原理2.1 模糊控制概述模糊控制是以模糊集合论作为它的数学基础，它的诞生是以 1965年美国的控制论专家 L. A. Zadeh教授提出的模糊集理论为标志，从而为描述，研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。同时，模糊控制对于利用模糊集合控制理论建立数学模型和设计控制器的方法也出现了。模糊控制的核心主要是利
21、用模糊集合的控制理论，把人的控制策略转化为能被计算机所接受的算法语言，这种方法能实现控制，同时能模拟人的思维方式对一些被控对象进行有效的控制。将模糊集合的控制理论运用于自动控制中的模糊控制理论，在近几年得到了很快的发展，其原因主要是针对那些复杂的非线性系统，假如不能获得精确的数学模型时，就可以通过智能的模糊控制器来给出有效的控制。例如，在炼钢，化工，人文系统以及其他的控制系统中，要想获得正确而又精密的数学模型是相当困难的。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息，以及仅仅用语言规定的性能指标。同时，要求过程的操作人员是系统的基本组成部分等。所有这些都是一种不精确性，应用一般的控制理论是很难实现控制的，但是，这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为过程操作人员的控制方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成控制任务，
