0 引言
    近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷增長，城市化、汽車化的急速發(fā)展，城市道路增長的有限與車輛增加的無限造成了嚴(yán)重的交通擁擠問題，其中以交叉口的交通擁堵問題最為嚴(yán)重。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，每年因交通堵塞造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)幾十億美元，現(xiàn)已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)的瓶頸?？梢?，交通擁堵現(xiàn)狀亟待解決。而有效地利用當(dāng)前交通信號(hào)控制系統(tǒng)的作用，尋找一種更適用于實(shí)際情況的交通信號(hào)控制方案又是解決該問題的主要途徑。因此，本文的研究就顯得意義重大。    當(dāng)前存在的交通信號(hào)控制方案主要有定時(shí)控制、感應(yīng)控制、基于數(shù)學(xué)模型的自適應(yīng)控制和模糊控制等。其中當(dāng)前存在的兩級(jí)模糊控制方案是目前控制效果相對(duì)較優(yōu)的一種，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)交叉口交通信號(hào)燈的實(shí)時(shí)控制。但它仍存在許多問題，其中一個(gè)最大的不足在于它不能準(zhǔn)確地顯示出紅、綠燈相位的時(shí)間，沒能與能降低闖紅燈率和交通事故率，且具有人性化特征的信號(hào)系統(tǒng)顯時(shí)裝置結(jié)合運(yùn)用，這也是其不易運(yùn)用到實(shí)際情況的癥結(jié)所在；另外，有些兩級(jí)模糊控制在第一級(jí)控制模塊中，其采取的輸入變量只考慮了相位排隊(duì)長度和車流到達(dá)率，而沒有考慮各相位車輛等待時(shí)間。此時(shí)若一個(gè)相位的車輛一段時(shí)間內(nèi)一直都很少，那照該控制方案就只能讓其一直等待，這必將造成其控制的不合理。
    基于此，本文針對(duì)當(dāng)前控制效果相對(duì)較好的模糊控制的不足之處，同時(shí)結(jié)合對(duì)當(dāng)前各種常用交叉口交通信號(hào)控制方案的全面對(duì)比與深入分析，沿用了各種控制方案的優(yōu)點(diǎn)，完善和彌補(bǔ)其不足之處，最終設(shè)計(jì)出了一種更適用于實(shí)際情況的新型兩級(jí)模糊控制方案。該新方案對(duì)隨機(jī)交通流的適應(yīng)性強(qiáng)，彌補(bǔ)了定時(shí)控制的缺點(diǎn)；同時(shí)，綜合考慮了綠燈相位和紅燈相位，且對(duì)相位繁忙優(yōu)先性進(jìn)行了考慮，彌補(bǔ)了感應(yīng)控制的缺陷；另外，對(duì)模糊器進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)與當(dāng)前運(yùn)用成熟的定時(shí)控制的信號(hào)系統(tǒng)顯時(shí)裝置進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，充分發(fā)揮了信號(hào)系統(tǒng)顯時(shí)裝置的優(yōu)點(diǎn)，利用了可視化的時(shí)間來降低闖紅燈率和交通事故率，使其更具人性化，對(duì)交通現(xiàn)場的適用性更強(qiáng)。

1 交叉口交通平面幾何設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)與相位設(shè)計(jì)
    通過對(duì)當(dāng)前城市交叉口交通平面幾何設(shè)計(jì)和相位設(shè)計(jì)的具體情況進(jìn)行深入調(diào)研并參考了大量文獻(xiàn)后，確定出當(dāng)前相對(duì)最優(yōu)的一種交叉口交通平面幾何設(shè)計(jì)方案如圖1所示。交叉路口分東、南、西、北四個(gè)通行方向，每個(gè)通行方向均有左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn)三股車流。

    針對(duì)當(dāng)前存在的各種相位設(shè)計(jì)方案，從其交叉口利用率、安全性、人性化和實(shí)用性等方面綜合分析對(duì)比后，確定出當(dāng)前相對(duì)最優(yōu)的相位設(shè)計(jì)方案如圖2所示，即南北直行、南北左右轉(zhuǎn)、東西直行和東西左右轉(zhuǎn)，行人和非機(jī)動(dòng)車可以在第1相位和第3相位開通時(shí)順利通行。本文將以此為研究對(duì)象。

2 交通信號(hào)新型兩級(jí)模糊控制思想
    新型兩級(jí)模糊控制方案的整體控制圖如圖3所示，先通過車輛檢測器檢測出當(dāng)前所有處于紅燈相位的等待車輛數(shù)和各車流方向自上次綠燈以來的紅燈持續(xù)時(shí)間，然后將檢測出來的交通流數(shù)據(jù)傳送到新型兩級(jí)模糊控制器。

    第一模糊控制級(jí)接收到車輛檢測器檢測出的紅燈相位等待車輛數(shù)和紅燈持續(xù)時(shí)間后，經(jīng)過該模糊控制級(jí)處理推出當(dāng)前各紅燈相位的繁忙度，從而可以確定出在當(dāng)前綠燈相位跳轉(zhuǎn)前一瞬間下一個(gè)該亮綠燈的等待相位。同時(shí)，找出繁忙度最大的2個(gè)相位，并返回去得到這繁忙度最大的2個(gè)相位的交通流數(shù)據(jù)(即這兩相位的相位等待車輛數(shù))。
    第二模糊控制級(jí)通過對(duì)繁忙度最大的兩個(gè)相位的交通流數(shù)據(jù)處理后，推出下一個(gè)綠燈等待相位的綠燈時(shí)間，并將該綠燈時(shí)間傳到交通顯時(shí)信號(hào)燈上。當(dāng)?shù)鹊缴弦痪G燈相位亮完綠燈后立即讓第一級(jí)模糊控制選出的綠燈等待相位顯示綠燈，同時(shí)使其顯示綠燈時(shí)間，其顯示時(shí)間即為第二級(jí)模糊控制確定出的綠燈時(shí)間。這樣周而復(fù)始的運(yùn)行，即可很好地對(duì)交通流進(jìn)行實(shí)時(shí)智能控制了。
    另外，還充分考慮到在實(shí)際交通信號(hào)控制中，控制方案應(yīng)人性化且適用性強(qiáng)。對(duì)此，對(duì)其紅綠燈顯時(shí)控制系統(tǒng)做了如下規(guī)定：顯示綠燈的相位顯示準(zhǔn)確的綠燈運(yùn)行時(shí)間；對(duì)于紅燈相位，只對(duì)下一個(gè)綠燈相位就是它的紅燈相位顯示時(shí)間，且只在當(dāng)前綠燈相位綠燈時(shí)間即將結(jié)束前瞬間(假定5 s)，使其顯示準(zhǔn)確的紅燈倒計(jì)時(shí)間。顯示了紅燈時(shí)間的相位即表示下一相位該它通行，而其他不顯時(shí)間的紅燈相位，表示需要多等待，下一相位不是它。這樣充分發(fā)揮了現(xiàn)有顯時(shí)交通信號(hào)裝置的優(yōu)勢，更易遵守，更具人性化，更適用于實(shí)際交通情況。

3 新型兩級(jí)模糊器的設(shè)計(jì)
3．1 第一級(jí)模糊控制器的設(shè)計(jì)
    該模糊級(jí)為紅燈相位選擇模塊，該模塊為雙輸入單輸出模糊控制，其兩個(gè)輸入為：當(dāng)前處于紅燈相位的等待(排隊(duì))車輛數(shù)(qr)和各車流方向自上次綠燈以來的紅燈持續(xù)時(shí)間(tr)，輸出為各紅燈相位的繁忙度(Ur)。
    qr的基本論域?yàn)閇0，30]，離散論域?yàn)閧1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14}，在離散論域上定義5個(gè)模糊子集{很短、短、中等、長、很長}；
    tr的基本論域?yàn)閇0，120]，離散論域?yàn)閧1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12}，在離散論域上定義5個(gè)模糊子集{很短、短、中等、長、很長}；Ur的基本論域?yàn)閇0，6]，離散論域?yàn)閧1，2，3，4，5，6}，在離散論域上定義5個(gè)模糊子集{很低、低、中等、高、很高}。
    qr，tr，Ur模糊子集的隸屬度函數(shù)如圖4所示，模糊控制規(guī)則如表1所示。

3．2 第二級(jí)模糊控制器的設(shè)計(jì)
    該模糊級(jí)為確定綠燈延時(shí)模塊，該模塊為雙輸入單輸出模糊控制，其中兩個(gè)輸入為：當(dāng)前繁忙度最大相位的排隊(duì)長度(dc)和該相位與繁忙度第二大相位的排隊(duì)長度的差值(長度差xc)，輸出為該相位的綠燈延時(shí)(tL)。
    假定每個(gè)相位的最小綠燈時(shí)間Gmin=10 s，則相位綠燈總時(shí)間Gtime=Gmin+tL。
    dc的基本論域?yàn)閇0，30]，離散論域?yàn)閧1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14}，在離散論域上定義8個(gè)模糊子集{很長、較長、長、偏長、偏短、短、較短、很短)；xc的基本論域?yàn)閇0，30]，離散論域?yàn)閧O，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12}，在離散論域上定義7個(gè)模糊子集{很大、大、較大、中等、較小、小、很小}；tL的基本論域?yàn)閇0，50]，離散論域?yàn)閧1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13}，在離散論域上定義7個(gè)模糊子集很{很長、長、較長、中等、較短、短、很短}。
    dc，xc，tL模糊子集的隸屬度函數(shù)如圖5所示，模糊控制規(guī)則表見表2。

4 仿真研究
    為了驗(yàn)證新型兩級(jí)模糊控制器的控制效果，用Matlab結(jié)合VB編寫了新型兩級(jí)模糊控制的仿真程序，并與當(dāng)前廣泛運(yùn)用的感應(yīng)控制和定時(shí)控制進(jìn)行了比較。假定路口各方向車輛到達(dá)交叉口是隨機(jī)的且服從均勻分布，利用VB中的隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生12個(gè)方向車流每秒鐘到達(dá)的車輛數(shù)，到達(dá)率為0～0．4輛／s，設(shè)某車流紅燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G燈后車輛以1輛／s的速率離開等候的車隊(duì)，以通過交叉口的平均車輛延誤作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。分別對(duì)新型模糊控制、感應(yīng)控制和定時(shí)控制在不同的交通條件下各進(jìn)行10次仿真比較，每次仿真時(shí)間均為1 200 s，10次仿真的平均結(jié)果如表3所示。

    從仿真結(jié)果表3中可知，采用新型兩級(jí)模糊控制方法從整體控制效果上看，在平均車輛延誤上比感應(yīng)控制方法提高了13．290 8％，比定時(shí)控制方法提高了22.820 1％，可見優(yōu)勢明顯。

5 動(dòng)態(tài)模擬演示
    為了使其更具可觀性與實(shí)用性，更易于運(yùn)用到交通現(xiàn)場，我們還對(duì)新型兩級(jí)模糊控制進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬演示。其動(dòng)態(tài)模擬演示圖如圖6所示。

    可以對(duì)交通參數(shù)進(jìn)行隨意設(shè)定從而實(shí)現(xiàn)不同情況下的動(dòng)態(tài)模擬，在演示圖中可以通過繁忙度知道下一綠燈相位應(yīng)為何相位，通過當(dāng)前相位可以知道正處于綠燈的相位，且由綠燈時(shí)間可知整個(gè)相位的總綠燈時(shí)間，由綠燈剩余時(shí)間可以準(zhǔn)確的知道其剩余綠燈時(shí)間。這樣就使新方案更具可觀性與實(shí)用性。對(duì)于實(shí)際交通流時(shí)，只需把檢測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入，通過新型兩級(jí)模糊控制器就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線控制了。

6 結(jié)語
    本文確定當(dāng)前相對(duì)最優(yōu)的交叉口平面幾何設(shè)計(jì)與相位設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)出一種更適用于實(shí)際情況的新型兩級(jí)模糊控制方案。另外，利用Mat-lab軟件和VB編程軟件對(duì)新方案進(jìn)行了仿真比較，驗(yàn)證了新方案的有效性和優(yōu)越性，同時(shí)還對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬演示，使其更具可觀性與真實(shí)性，更易于運(yùn)用到交通現(xiàn)場。該新方案實(shí)用性強(qiáng)、易于推廣、利于環(huán)保。只需在現(xiàn)有的交通控制系統(tǒng)中把新型控制程序輸入其交通控制的微型計(jì)算機(jī)中，即可實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)在線控制，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的高速處理與計(jì)算能力。也大大降低了交通信號(hào)設(shè)備的改造費(fèi)用，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，交通流的通暢、車輛排隊(duì)時(shí)間的縮短能有效地減少汽車尾氣的排放量，更能適應(yīng)當(dāng)前全球的低碳經(jīng)濟(jì)計(jì)劃。