自适应模糊逻辑交通灯管理系统的设计

王振华

（大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连116028）

自适应模糊逻辑交通灯管理系统的设计

王振华

（大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连116028）

交通灯管理低效会导致严重的交通瘫痪以及大气污染，给人们的生活造成巨大的困扰。固定时长的交通灯机制是与现实交通情况相矛盾的。文中设计了一种交通灯变换机制针对车辆抵达路口数量的不一致性通过模糊逻辑控制器自动进行灵活调整。并设计了固定时长与自适应时长交通灯系统的对比实验，结论表明，基于模糊逻辑管理器的自适应交通灯系统比固定时长交通灯系统更具优势。

交通灯；自适应；模糊逻辑；控制

目前全球机动车数量激增，以我国为例，近十年每年的汽车总量增加约为20%，随着机动车数量的改变，人们的出行方式也产生了巨大的变化，交通基础设施建设也应与时俱进，与当前的交通方式相适应。因此，需要升级现有的交通管理系统以便更好的适应急剧增加的汽车数量。

避免交通拥堵能有效降低燃油消耗不仅具有经济效益，同时对环境保护也有着积极的意义。然而，增大的车流量导致城市交通拥堵的状况每天都在发生。若交通灯不能实时有效地调节车流量，会使拥堵的时间大幅增长。

基于上述问题，文中研究采用模糊逻辑基于实际交通规则对多种来源的交通数据收集整理，并对交通行为进行分析，设定情境对真实交通状况仿真，提出了一种自适应交通灯系统，优化了交通灯时长变换机制，可有效提高现有道路的容量和车流量，减少拥堵。

1 自适应交通灯系统

大多针对交通灯控制的研究集中在控制循环序列，文中则是将实际交通情况抽象为一个交叉点，并以此作为依据控制信号灯，使控制更加精确。自适应交通灯将根据交叉路口的实际情况调整绿灯的持续时间，从而达到疏导拥堵的目的。绿灯的时长由模糊逻辑系统的数学模型结合变量而确定。例如，在特定交叉点且车流量大的情况下，系统将给予该路口较长时间的绿灯，反之在某些车流量小的路口，绿灯持续时间较短。由此能使系统更具灵活性以适应实际的交通特性。

2 设计规则介绍

本研究在设计规则时做了如下假定：

1）孤立丁字路口，车辆从A，B，C 3个方向行驶而来，如图1所示。

2）在此系统中没有黄灯。

3）每辆车通过路口需要3 s。

4）不考虑驾驶员思考延迟时间。

5）所有车辆间距相等。

6）绿灯最长时间为60 s。

图1 丁字路口模型

3 实验设计

针对单行丁字路口设计了一种模糊逻辑控制器。3个路口如图1所示。选择车辆数和车辆百分比作为交通灯控制器的两个模糊输入变量。这两个变量将实时变化，并被带入数学模型中。输出模糊变量为绿灯持续时间，也将随着车辆数而改变。由此建立了基于模糊输入变量模糊规则得出理想绿灯持续时间的方程。若无车辆在特定路口通过，则该自适应交通灯将循环跳转。最长绿灯时间，将通过20辆机动车包括直行、左转、右转三种方式通过丁字路口。

4 输入输出隶属函数

自适应交通灯系统经由两路模糊输入和一路模糊输出组成。车辆数有4个隶属函数，车辆百分比有3个隶属函数。

表1 模糊输入变量与模糊输出变量

图2表示了隶属函数的语义变量表达。可以看出，y轴上表示隶属函数中每个模糊变量的真值[1]。X轴为隶属函数的输入模糊变量值，论域为对车辆的量化感知。而输出模糊变量的论域为绿灯时长，单位为s。从图2可看出，16辆车被定义为“SH”（super high）此时模糊集合被认为是满隶属。11辆车被定义“H”（high）。对于输出模糊变量，“Low”集仅有1个隶属，出现在15 s的区域，同时“Medium”集出现在30 s的区域。该隶属函数的配置来源于人们对日常实际交通系统和环境的观察，并抽象为数学模型。然而，模糊集合的隶属函数宽度和中心则能根据不同的交通状况而改变。例如，若某路口绿灯超过60 s，“SH”集中的数值将会变大。另一方面，在拥堵的路口，隶属函数宽度将被降低。由此可以得出，在模糊逻辑控制中，从一个模糊集合到另一个模糊集合是平滑过渡，因此从一种控制到另一种控制会出现集合相互交叠的情况。若不存在交叠的模糊集合，则该控制近似于二阶控制，而过多的交叠说明过于模糊。

图2 自适应交通灯系统隶属函数

5 自适应交通灯与固定时长交通灯的比较

通过与固定时长交通灯系统对比能了解自适应交通灯的特性。采用近似数学模型对两种类型的交通灯控制系统进行模拟仿真。

输入的测试数据由24组车辆数据组成分别表示一天之中24个小时内，不同时段平均每分钟通过路口的车辆数。图3所示测试输入数据，每种颜色表示不同结点的车辆数。

隶属函数和模糊逻辑规则在前文中已有描述。从数学模型的模拟中，两种交通灯系统的工作状况如图4中所示。从图中可以看出，自适应交通灯系统具有更短的结点等待时间。实时状态下，这将代表着交通灯减少了交通拥堵。自适应交通灯还能在更短的时间内，运行完成这24组输入数据，交通灯系统所用时间与固定时长系统所用时间的比值约为7: 10，由此说明自适应交通系统时间效率比固定时长交通灯系统提高了约30%。即仅1小时以内，通行相同数量的车辆，自适应交通灯系统比固定时长交通灯系统节约了近20分钟的时间，这使得整个城市交通更加高效。

与此同时，对燃油消耗以及对环境的污染也同时显著减小。

图3 车流量输入图

图4 自适应交通灯与固定时长交通灯对比

6 结束语

通过基于数学模型的对比仿真实验，对固定时长交通灯系统和自适应时长交通灯系统进行对比。测试结果表明，自适应交通灯系统通过相同数量机动车比固定时长交通灯所需时间更短，效率提高。这将有效减小因交通灯效率低下所引起的道路负荷增大，交通拥堵以及通行速度慢的情况，缩短了车辆在路口的等待时间，不仅减少了燃油消耗，同时也降低了噪声与环境污染。

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Design of adaptive fuzzy logic traffic light system

WANG Zhen-hua
（School of Electrical Engineering and Information，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China）

Inefficient management of traffic lights can cause serious traffic congestion and air pollution. And bring people's lives great distress.Traffic lights fixed length mechanism is contradictory with the reality of the traffic situation.This paper presents a traffic light system for converting the number of vehicles arrived at the intersection of inconsistency flexibly adaptive automatically by fuzzy logic controller.Comparative Experiment was designed with a fixed length of time long traffic light system adaptive，conclusion shows that the adaptive traffic light system manager based on fuzzy logic have more advantages than the fixed length of the traffic lights system.

traffic lights；adaptive；fuzzy logic；control

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0175-03

2016-02-22稿件编号：201602088

王振华（1990—），男，山东新泰人，硕士研究生。研究方向：嵌入式开发与控制。