基于模糊理論的高速公路智能控制系統(tǒng)探討

陳曉玲

（承德市交通運(yùn)輸局通信管理處，河北 承德 067000）

基于模糊理論的高速公路智能控制系統(tǒng)探討

陳曉玲

（承德市交通運(yùn)輸局通信管理處，河北 承德 067000）

針對(duì)高速公路的交通擁擠、交通事故等現(xiàn)象，在高速公路控制系統(tǒng)中引入模糊控制理論，提出基于模糊理論的高速智能控制系統(tǒng)。通過對(duì)交通流進(jìn)行分析，根據(jù)高速交通系統(tǒng)的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性，引入模糊理論，設(shè)定參數(shù)確定高速入口匝道的調(diào)節(jié)率，實(shí)現(xiàn)對(duì)匝道的實(shí)時(shí)控制，為提高高速公路通行能力和道路服務(wù)水平提供了新途徑。

高速公路；模糊控制；匝道；交通流

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.033

1 引言

高速公路具有通行能力大、行車速度高、方便交通的特點(diǎn)，是現(xiàn)代化的必要交通設(shè)施。目前，高速公路的控制策略一般為入口、出口匝道控制，主線交通控制及通道交通控制。由于入口匝道控制進(jìn)入高速公路的流量，因此,對(duì)入口匝道的控制是目前最有效也是應(yīng)用最廣泛的一種控制方式。但由于整個(gè)高速交通系統(tǒng)包含人、車及道路三部分，和三者相互交叉作用共同形成的一個(gè)系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)具有明顯的時(shí)變性和非線性、不確定性[1]，因此,傳統(tǒng)的控制方式很難實(shí)現(xiàn)對(duì)高速系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。本文引入模糊控制理論，根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，歸納出一套完整的控制規(guī)則，通過對(duì)入口匝道的調(diào)節(jié)率進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速交通系統(tǒng)的智能控制。

2 交通流理論

為了更好的控制對(duì)象，需要對(duì)控制對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行了解和描述，對(duì)于高速公路來說，交通流是描述高速公路的運(yùn)行狀態(tài)，廣義上還包括各種運(yùn)行狀態(tài)下的車流和人流。根據(jù)描述的狀態(tài)可分為連續(xù)暢通狀態(tài)和斷流狀態(tài)[2]。當(dāng)交通流處于連續(xù)暢通狀態(tài)時(shí)，高速公路上的車流和人流不受其他因素的影響。交通流處于斷流狀態(tài)時(shí)表示車輛遇到道路指示燈、可變限速標(biāo)志、情報(bào)板管制時(shí)，車速降低或者停止。交通流類似于液體流動(dòng)的模型，因此可以利用研究液體的理論來研究交通流。

2.1 交通流特征參數(shù)

交通流參數(shù)是高速公路上管理的要素，會(huì)因各類交通流

影響而發(fā)生變化，其設(shè)定主要依據(jù)交通流的各類特征，高速公路上的交通主要存在三個(gè)特性：雙重性，交通管制約束司機(jī)，但司機(jī)可自行改變車速和車距；約束性，司機(jī)將受到車輛和高速公路的限制，可能造成車輛間相互影響產(chǎn)生道路擁堵；行駛的車輛在速度和線路上存在差異。因此,可將高速的交通流特征參數(shù)歸結(jié)為車流量、密度和速度[3]。

2.2 交通流運(yùn)行特征

對(duì)于交通流的運(yùn)行狀態(tài)研究，選取高速的主線路段，該路段不受其他匝道的影響。交通流的運(yùn)行特征可分為橫向和縱向特征。橫向特征指的是車輛的橫向動(dòng)態(tài)，即車輛在主線上的變換車道；縱向特征指的就是車輛的縱向動(dòng)態(tài)，這里包括車輛的速度變化，運(yùn)行狀態(tài)等等。除了單一車輛的橫向、縱向狀態(tài)，高速公路基本路段交通流的特征還包括車與車之間的關(guān)系，包括超車、跟隨等等。這些交通特征的關(guān)系如圖1所示。

圖1 交通特征模型圖

在高速公路行進(jìn)中，不考慮橫向干擾，變車道主要由于快車跟隨慢車行駛，速度較快的車輛為了保持較高速度，會(huì)采用超車的方式，根據(jù)不同人的行業(yè)不同，對(duì)速度的需求不同，在主干線上采用分車型分車道的控制方式，控制車速不同的車輛在適合自己的車道上行駛。

3 高速入口的匝道控制

車輛進(jìn)入匝道、快速道的過程可以分為兩步，首先車輛由普通公路進(jìn)入匝道，開往加速車道；經(jīng)過加速車道進(jìn)入高速主干道。對(duì)高速的入口匝道控制就是控制入口匝道進(jìn)入主干道的交通流，對(duì)第一步進(jìn)行調(diào)整，讓入口匝道駛?cè)胫鞲傻赖慕煌吭谠撀范蔚耐ㄐ心芰Ψ秶畠?nèi)，使下游的主線流量交通順暢。這種控制方式稱為交通流量控制。對(duì)于第二步，由于車速較快，主要在安全上進(jìn)行控制，盡量減少匯入車輛對(duì)主干道車輛的影響，此控制稱為交通流匯入控制。本系統(tǒng)主要針對(duì)流量控制中的單點(diǎn)控制，確定入口匝道駛進(jìn)高速公路主干道的車輛使該入口匝道附近加速車道、主線的交通狀況達(dá)到最好。

3.1 模糊控制理論

模糊控制算法是一種模仿人類思維的控制算法，實(shí)現(xiàn)控制的方式不需要建立數(shù)學(xué)模型，而是利用工程技術(shù)人員在某控制領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)制定模糊規(guī)則，實(shí)現(xiàn)控制時(shí)首先將采集的數(shù)據(jù)模糊化作為模擬量的輸入，按照模糊規(guī)則進(jìn)行模糊分析，得出輸出量，加入模糊編輯器。模糊控制系統(tǒng)組成如圖2。

圖2 模糊控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 高速公路入口匝道控制模糊控制器的設(shè)計(jì)

為了獲得車輛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在高速公路主線和入口匝道上設(shè)立車間器。車間器的布置位置圖如圖3所示，車檢器1～8主要對(duì)主線的車輛進(jìn)行檢測(cè)，車間器的距離在6m左右即可，車間器9檢測(cè)等候車輛，10檢測(cè)車輛是否到達(dá)連接處，11為了檢測(cè)公路與匝道交匯處的車輛。

圖3 線圈車檢器布置圖

首先依據(jù)高速公路入口匝道和模糊控制理論的控制原理，設(shè)定高速公路入口匝道控制的模糊控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 匝道模糊控制系統(tǒng)

利用車檢器獲取高速公路入口匝道上游與下游的交通量及車量速度，以及高速公路入口車輛的等待車輛的長度與占有率。模糊控制器利用監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，根據(jù)模糊算法、專家經(jīng)驗(yàn)為積淀的推理，以及評(píng)價(jià)當(dāng)前交通流的狀態(tài)，得出輸出量，該輸出量將是入口匝道的控制數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)匝道控制

設(shè)備來控制進(jìn)入高速公路主干道的車流量。

3.2.1 確定輸入量與論域

此次設(shè)計(jì)將論域區(qū)間設(shè)定為[-E,E]，[-C,C]，[-U,U]，控制器采用e，ec為輸入的雙輸入，以Δμ為單一輸出的控制器。將[-n,-n+1,-n+2,...,0,...,n-1,n]設(shè)定為子集論域，n的大小反應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，當(dāng)n較小時(shí)，說明系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，反之，則系統(tǒng)越復(fù)雜，

3.2.2 模糊分割

將子集{NB，NS，ZE，PS，PB}設(shè)定為輸入量和輸出量子集，按NB負(fù)大，NS負(fù)小，ZE零，PS正小，PB正大進(jìn)行分割，采用三角隸屬函數(shù)對(duì)隸屬度進(jìn)行描述，誤差e的隸屬函數(shù)如圖5所示。

圖5 隸屬函數(shù)圖

通過三角函數(shù)得到的e，ec，Δμ隸屬度如表1所示。

表1 隸屬度表

3.2.3 控制規(guī)則

一般的計(jì)算機(jī)語音稱為形式語言，該語言是具有規(guī)則和意義的，不會(huì)出現(xiàn)模糊的概念。然而模糊規(guī)則則常使用模糊性的語言，也可以理解為模糊規(guī)則就是有一些列的模糊語言組成。這個(gè)系統(tǒng)的模糊控制也不是特別分明，出現(xiàn)誤差時(shí)也不是必須消除，一般會(huì)會(huì)從誤差的大小和系統(tǒng)的穩(wěn)定性兩方面考慮是否進(jìn)行消除誤差。模糊控制的具體語句通常如下所述。

1）if e=NBand ec=NBthen Δu=PB;

2）if e=NBand ec=NSthen Δu=PS;

3）if e=NBand ec=ZEthen Δu=PS;

常用規(guī)則如表2。

表2 規(guī)則對(duì)應(yīng)表

3.2.4 模糊控制推理

根據(jù)if e=NBandec=NB then Δu=PB;求模糊關(guān)系Ri；根據(jù)表1，得相應(yīng)的隸屬函數(shù)：

模擬量輸出為U*=（E*·EC*）·R*，E*，EC*為e，ec對(duì)應(yīng)的隸屬度向量得到的輸出量為向量值，利用加權(quán)平均法將其清晰化即可得最終的準(zhǔn)確值。

3.3 系統(tǒng)仿真

安裝在入口匝道上游、入口匝道下游和入口匝道上的傳感器，可檢測(cè)出交通流量、占有率、速度等數(shù)據(jù)信息。高速公路入口匝道模糊控制器的輸入量有6個(gè)，這6個(gè)輸入量分別為:上游占有率UO(UpstreamOccupancy)、上游速度US (UpstreamSpeed)、上游流量UF(UpstreamFlow)、下游占有率DO(DownstreamOccupancy)、下游速度DS(DownstreamSpeed)和匝道占有率RO(RampOccupancy)，控制器的輸出量有一個(gè)為入口匝道調(diào)節(jié)率MR(MeteringRate)，通過MATLAB進(jìn)行仿真，采用6組不同的輸入量進(jìn)行仿真，采用的數(shù)據(jù)及仿真得到的結(jié)果如表3所示。

表3 仿真結(jié)果

由上述仿真結(jié)果可得隨著高速公路的擁擠程度的加劇，入口匝道的調(diào)節(jié)率逐步降低，該模糊控制器取得了比較理想的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過在匝道上安裝傳感器實(shí)時(shí)獲得匝道的交通流量、占有率及速度等數(shù)據(jù)，通過高速入口匝道模糊控制器進(jìn)行模糊控制，及時(shí)調(diào)整高速入口的匝道調(diào)節(jié)率，隨著高速公路的擁擠程度的加劇，及時(shí)降低入口匝道的調(diào)節(jié)率，提高高速公路通行能力和道路服務(wù)水平。

【1】馬明輝,楊慶芳.高速公路主線與匝道協(xié)調(diào)控制方法[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào).2015(12)：54-58.

【2】溫旭麗,馬香.城市道路可變車道設(shè)置方法研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版).2014(12)：78-80.

【3】吳明,范東濤.高速公路入口匝道動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)算法設(shè)計(jì)[J].交通信息與安全.2011(03)：60-64.

StudyonIntelligentControlSystem of ExpresswayBased onFuzzy Theory

CHENXiao-ling
(CommunicationManagement Department,ChengdeCommunicationsAdministration,Chengde 067000，China)

Aiming at the phenomena of traffic congestion and traffic accidents,the fuzzy control theory is introduced into the freeway control system,and the high speed intelligent control system based on the fuzzy theory is proposed.The analysis through the traffic flow, accordingtothestochasticanddynamicnatureoftherapidtransitsystem,theintroductionoffuzzytheory,settingparametersthatdetermine thehigh-speedentrancerampoftheregulation,torealizetherealtimecontroloframp,forimprovingtrafficcapacityandtheservicelevelof theroadprovidesanewway.

expressway;fuzzycontrol;ramp;trafficflow

U412.36+6;U414

A

1007-9467（2016）07-0132-03

2016-03-06

陳曉玲（1979～），女，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，從事高速公路機(jī)電工程研究,（電子信箱）58907522@qq.com。