道路交叉口信号模糊控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

道路交叉口信号模糊控制系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

， 提出了一种 采用遗传算法和模拟退火有效结合的 GASA 混合算法。 本文在这些研究的基础上，结合实际车流量的勘测情况，提出一种采用两级模糊控制的单交叉路口信号控制方案。 道路交叉口信号控制系统设计 –3– 道 路通行能力 道路通行能力是衡量疏导交通流能力的各项指标，它与驾驶员和乘客的满意程度息息相关。 它主要包括两方面：一个是通行能力，另一个是服务水平。 通行能力又包含了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 [13]， 是一本系统分析道路通行能力的书。 我国 于 2020 年也出版了符合我国道路状况的标准《公路通行能力手册》 [14]，《公路工程技术标准》 [15]和《公路线路设计计划》 [16]。 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，确保从业人员接触到最新研究成果，找出典型问题，提供一套合乎逻辑的分析方法 [13]。 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。 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。 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 plex systems and decision processes(IEEE Trans On Systems, Man and Cyberics, , , 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； 道路交叉口信号控制系统设计 –4– （ 2）模糊逻辑可以建立在专家经验的基础上； （ 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 [17]。 模糊推理 过程 图 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。 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 交通灯信号设计成功与否。 道路交叉口信号控制系统设计 –5– 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 –6– 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 [8]： （ 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。 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 [11]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 [14,15,16] （ 3）交通控制信号的有效性 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，而是一个范围。 信号控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 [18]。 道路交叉口信号控制系统设计 –7– 信号设计及检测流程 图 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),(5),(7)均由软件内置公式自动生成。 注 2） 以上 (3),(4),(5),(7)采用 Webster 公式 计算 ，第 (6)步 中检测指标 采用 HCM 标准。 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 信号交叉口处交通流基本变量的符号，定义和单位 [8,13,14] 道路交叉口信号控制系统设计 –8– 名称 符号 定义 公式 单位 周期长度 T 信号灯的各种灯色轮流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。 s 绿信比 一个信号周期内某信号相位的有效绿灯时间 g与信号周期 T的比值。 有效绿灯时间 一个信号周期内某信号相位的绿灯时间 与黄灯时间 之和减去损失时间。 s 损失时间 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车线的车辆可以继续通行所造成的损失时间。 s 信号相位 在信号控制交叉口，其每一种控制状态（一种通行权），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。 道路交叉口信号控制系统设计 –9– 交通流量 q 道路上某一定时段内实际通过的车辆数 饱和流量 排队车辆加速到正常行驶速度时通过停车线的稳定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 )。 通行能力 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。 饱和度 x 道路的实际流量与通行能力之比。 兼顾到路口通行效率与绿灯时间利用率，饱和度一般设置在。 车道交通流量比 y 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。 临界车道组交通流量比 Y 某信号相位中车道交通流量比的最大值。 相应的控制方法如下： 道路交叉口信号控制系统设计 –10– 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 [8]。 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控制。 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 三种控制方式比较 成本 维护间隔 复杂性 调控能力 适用场合 定周期定时 低 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流量变化的剧烈程度决定维护间隔。 简单，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以对道路通行能力造成威胁，不能采用最优的通行方案，需要对道路的通行能力留出余量。 车流量较小且车流量比较稳定的交叉路口 变周期定时 中等 同上 中等，主要依据HCM公式 中等。 由于在不同的时段信号配时不同，比定周期控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量。 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，尽可能地避免或减少交通拥挤。 自适应控制 高 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。 复杂，采用专家设计的模糊控制规则 高。 对于波动的车流量和突发的事故和改道引起的车流量的急剧变化基本能够达到通行要求。 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。 道路交叉口信号控制系统设计 –11– 相位设计 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。 表 三种相位设计 相位设计说明 图像 两相位 实际中采用的是两相位四车道，右转不受信号灯控制，左转和直行由同一个信号灯控制，使用同一车道。 由于采用混合车道，因此计算较复杂。 三相位 在模糊控制的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。 四相位 这种四相位变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。 道路交叉口信号控制系统设计 –12– 由于北山十字路口的车流量小， 以上三种相位 均可以采用。 检测器的设置 在停车线处设置车辆检测器，计算车辆。