基于遺傳算法的單交叉口信號控制

宋　華　楊鳳英

[摘要]在交通控制中，交叉口各方向的交通流在不同時刻是不同的。針對這一特點，介紹一種基于遺傳算法的模糊控制系統，對單交叉口多相位信號進行動態控制。此系統是在模糊控制的基礎上采用遺傳算法，不斷改進模糊控制規則，對綠燈延長時間進行細微調整，實現實時控制。

[關鍵詞]多相位 實時控制 模糊控制 遺傳算法

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420054－01

一、引言

城市交通系統是隨機性大、影響因素多的復雜系統，采用模型控制或分時段定時控制的方案難以令人滿意。模糊控制是無模型控制方法，近年來在城市交通系統中得到了廣泛關注[1,2]。模糊控制規則是人們對被控對象模糊信息的歸納和操作經驗的總結，帶有一定的主觀性，對于復雜的交通流不一定是最優。本文利用遺傳算法對模糊控制規則進行尋優，以各相位排隊長度為輸入，以當前有通行權的車道的綠燈延時為輸出，控制目標是減少整個交叉口車輛的平均延誤。

二、問題描述

圖1為一個典型的單交叉路口交通流分布示意圖，圖中東、南、西、北4個方向，每個方向均有右行、直行和左行3個車道車流[3,4]。在每條車道入口處的路面下埋設兩個信號檢測器，構成一個檢測區，一個設在停車線處，用于檢測該道的車輛離開數；另一個設在距停車線一定距離處，用于檢測車輛到達數。檢測器對路口各個車道車流進行實時檢測，獲取車流量信息，為控制系統提供必要的數據。設置方式如圖1所示。

三、模糊控制器的設計

（一）設計思想

模糊控制器首先采用人工初始設置的控制規則進行模糊控制，同時歷史數據庫記錄各時間段的交通流數據。每經過一定的時間間隔，采用遺傳算法利用歷史數據庫中的數據對模糊控制規則進行尋優，找出適合于當前交通流的模糊控制規則，并且將調整后的控制規則送入模糊控制器加以更新。采用遺傳算法優化控制規則的模糊控制系統結構如圖2所示。

（二）控制系統的構成

當最近的連續三個信號周期內到達交叉口的車輛總數與上次啟動遺傳算法得到模糊控制規則時所對應的交叉口的車輛總數改變量超過某一閾值（本文取0.2）或某一相位車流量改變量超過某一閾值（本文取0.3）時，則啟動遺傳算法對相應的模糊規則進行調整，其結構圖如圖3所示。

（三）模糊控制器的設計

在用遺傳算法優化策略對模糊控制規則進行動態調整時，一般采用十進制編碼，因為它的可操作性強，易于譯碼及編程實現，且對于變異操作的種群穩定性比二進制編碼好，這里我們選用十進制編碼。對于模糊規則的編碼，約定運用語言變量的7種編碼：VS（很短）、S（短）、SP（較短）、C（中）、LP（較長）、L（長）、VL（很長），分別以十進制數1，2，3，4，5，6，7為代表。這樣得到的規則如表所示的二維實數數組。

在交通控制中，一般來說，當隊長較短時，信號周期則應短一些，但一般不能小于P×15秒（P為相位數）以免某一方向的綠燈時間小于15秒時車輛來不及通過路口影響交通安全；當隊長較長時，信號周期則應長一些，但一般不能超過200秒，否則某一相位的紅燈時間太長，駕駛員心理上不能承受。

四、仿真

采用MATLAB7.0對同一路口不同交通流量情況，分別采用定時控制、經典模糊控制和遺傳算法優化后的模糊控制進行仿真。參數如下：設交叉口環境為：六相位分別為東西直行、左轉和右轉，南北直行、左轉和右轉。左轉車流占車流的20%，綠燈期間路口通過率off_c為0.4pcu/s（輛/秒，以標準小汽車為單位），其仿真時間100分鐘，初始種群數m=40，被選取進行遺傳操作的個體數n=20，復制概率Pr=0.2，交叉概率Pe=0.6，變異概率Pm=0.15，迭代次數count=30。黃燈時間設置為3秒，隊長是用相隔一定距離的檢測器測量的，路口車輛通過率為12輛/秒，綠燈方向的排隊車輛數x論域的量化因子=0.15，紅燈方向的排隊車輛數y論域的量化因子

=1.1，綠燈的延長時間T論域的量化因子 =45/12=3.75。仿真結果見表2。

從表2可以看出在交叉口車輛到達情況相同的情況下，采用單純的模糊控制優于定時控制，而采用遺傳算法優化的模糊控制比單純的模糊控制有明顯的改善。

當車流密度較小時，單純的模糊控制和基于遺傳算法的優化控制與定時控制相比，略顯優勢，隨著車流密度的增加，新的方法明顯優于定時控制，車輛平均延誤減少了6.5%-25.3%，與單純的模糊控制相比，改善效果為車輛平均延誤減少了2.1%-8.5%。仿真結果表明該方法有效的減少了車輛的延誤時間，控制效果有明顯的改善。

五、結束語

本文表明運用遺傳算法對模糊控制規則進行優化是可行有效的。同時可以看出，對于多輸入單輸出的控制對象，人工設定模糊控制規則顯然是十分困難的，研究模糊控制規則的優化有著重要的研究和應用價值。

參考文獻：

[1]Pappis C P, Mamdani EHAfuzzy logic controllerfor a traf-fic junction[J].IEEETransactions on Systems, Man and Cy-bernetics,1977,(7):707-717.

[2]陳淑燕、陳森發、黃毅，單路口多相位交通信號模糊控制系統的設計[J].系統仿真學報，2002,14(7):961-963.

[3]溫惠英、尹宏賓、徐建閩，一種信號交叉口模糊交通控制方法，華南理工大學學報，vol.29,no.12,pp.22-25,2001.

[4]劉智勇，智能交通控制理論及其應用[M].北京：科學出版社，2003.