城市道路錯綜復雜，相互交錯，交通燈是城市交通的重要指揮系統。交通信號燈作為管制交通流量、提高道路通行能力的有效手段，對減少交通事故有明顯效果。但是車流量是隨時變化的，而傳統的交通燈模式采用的是定時控制，反而容易造成交通堵塞。因此我們需要根據不同的交通路況設置通行時間，本文采用模糊控制算法，設計了一種智能交通燈監控系統。

1、總體方案

交通燈監控系統是一個分布式、集散型、網絡化的監控系統，包括監控中心和若干個智能監測終端，能對獨立分布的交通燈進行集中監控和維護管理。每個路口看成一個監控終端，都設有一個采集器和一個GPRS模塊，而每個方向上都裝有一個控制器。控制器用來直接控制交通燈的狀態、時間顯示屏以及獲得各車道車輛信息;采集器用來獲取下屬的每個控制器的數據以及發送控制命令。采集器將采集到的數據通過GPRS網絡發送到監控中心，在監控中心對數據進行分析，進而實現對路況的監控。在此采用模糊控制算法對車輛數據進行分析，實現對紅綠燈的控制。

2、模糊控制算法設計

模糊控制是將人們的長期經驗作為控制策略，并將它轉化成機器可識別的自然語言，進而實現自動控制。在文中，將人對交通指揮策略語言轉化為機器語言所描述的控制算法，使得該算法能夠模擬人的思維對各個車道的時間分配問題進行很好地分析，從而實現紅綠燈時間的可變控制。對一個十字路口來說一個周期分為四個相位，如圖1所示（①：東至西，西至東，西至南，東至北;②：西至北，東至南;③：南至北，北至南，南至東，北至西;④：北至東，南至西）。

圖1 ?十字路口

2.1、輸入和輸出變量定義

模糊控制的語言變量是對于輸入變量和輸出變量而言的，它們是自然語言形式，而不是數值形式給出的變量，選擇當前相位等待車輛平均數和下一相位車輛等待平均數為輸入變量，當前相位綠燈延時時間為輸出語言變量，這樣，就選擇了一個雙輸入單輸出的二維模糊控制器，如圖2所示。

圖2 雙輸入單輸出模型

圖中，X1：當前相位總車輛數/車道數（取整）;

X2：下一相位總車輛數/車道數（取整）;

Y：當前相位綠燈顯示時間。

2.2、變量設置

（1）輸入量：X1和X2。

等待的車輛平均數目的基本論域確定為［0，Qmax］，Qmax是能接受的最大等待車輛平均數目，根據實際情況和路況來定，這里選擇40。論域是語言變量的量化檔數，將等待車輛平均數的論域確定為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}，輸入語言量的基本論域與離散域轉換對照表如表1所示。

表1輸入車輛平均數目的基本論域與離散域轉換對照表

（2）輸出量：Y，當前相位綠燈延時時間。

將綠燈延時時間的基本論域確定為［Gmin，Gmax］，Gmin是可以接受的最小綠燈延時時間，Gmax是可以接受的最大綠燈延時時間，在這里設定Gmin=0s，Gmax=60s。將綠燈延時時間的論域確定為{0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12}。因為輸出量延時時間是連續的，所以有比例因子K=60/12=5，通過比例因子進行反模糊化，從而得到精確的延時時間：

延時時間=K×模糊集數據

2.3、隸屬函數

在文中X和Y的語言變量都選取7個語言值，“很少”—“NB”，“較少”—“NM”，“少”—“NS”，“正常”—“ZE”，“多”—“PS”，“較多”—“PM”，“很多”—“PB”。

根據隸屬函數，可以建立相應語言變量的賦值表。隸屬函數的確定一般是根據經驗或統計進行確定，也可以由專家、權威給出。表2、表3給出輸入和輸出量各自語言變量的賦值表。

表2 ?輸入量X的語言變量賦值表

表3 ?輸出量Y的語言變量賦值表

2.4、模糊推理

由于模糊規則條數越多，推理速度就越慢，所以只考慮各相位平均車輛數，這并不會影響實際控制效果。因為采用二維模糊控制器，所以使用如下控制規則：

IF ? ? A ? ? AND ? ?B ? ? ? ?THEN ? ? ? ?C

可知一共有49條控制規則。由此得到模糊控制規則表，如表4。每條控制規則都對應一種算法，得到模糊關系Ri，所有的并起來得到總的模糊關系R，則：

C=（A×B）★R

表4 ?控制規則表

2.5、模糊決策

常用的判決方法有三種：最大隸屬度法，中位數法，加權平均數法。在此選用加權平均數法。要選擇適當的權系數，一般的時候取隸屬度作為權系數。所以它的公式為：

其中，Ki為權系數，在這為隸屬度，Yi為論域中的元素。由此就可以得到輸出量，進一步經過反模糊化，得到精確的輸出量。

2.6、總結

為了方便，通過以上各步驟，先離線建立查詢表，將其存放在計算機中，即模糊化、模糊推理、清晰化等過程通過編程先實現，進而建立控制查詢表，在實時時直接通過查詢表就可得到相應輸出量。這樣在實時控制過程中，模糊控制過程便轉化為計算量不大的對查詢表進行查詢的過程，因此，以查找查詢表形式實現的模糊控制具有良好的實時性，滿足現場控制的要求。

為了使道路交通更為順暢，應當采用黃閃，并且燈的循環周期不能過長，以免司機出現等待疲勞的情況。數據的采集一般在黃閃時進行，在黃閃結束前下放延時命令。

3、模擬實驗

交叉路口車速應當減慢，綠燈期間車輛過道口的速度約為10～15km/h，道口取為15m。設當前情況如表5所示

表5 ?當前情況

采用固定配時：周期為2分鐘，每個相位配時30秒，則綠燈期間每個車道最多能過25輛車。一個周期結束時，各相位平均車輛數如表6所示。

采用模糊控制：周期為2分鐘，查表得：①相位綠燈時間為42s;②相位綠燈時間為18s;③相位綠燈時間為42s;④相位綠燈時間為18s。一周期結束后，各相位平均車輛數如表6所示。

表6 ?一周期后各相位情況相位

由表6可知：采用固定配時車流量大的車道容易發生堵車現象，而車流量小的車道所分配的時間又沒有得到充分的利用，降低了交叉路口的通行效率。采用模糊控制，動態配時，各相位在一個周期之后與原始狀態相差較小，減小了車流量大的車道的車輛數，避免堵車傾向;對車流量較小的車道來說，充分利用所分配的時間，總的來說時間的利用率得到提高，從而加大了交叉路口的通行效率。

4、結束語

模糊控制在交通燈控制系統中的使用解決了如何根據交通狀況調整交通燈的狀態問題，從而實現交通的可變控制，保持道路的通行效率，它比固定配時更能有效地控制交通。