基于模糊控制的智能交通灯教学实验平台设计

基于模糊控制的智能交通灯教学实验平台设计

王永红

（广州市信息工程职业学校，广东广州

510610）

*

摘要：针对我国城市交通灯几乎都是单一固定的时序，容易造成交通堵塞的问题，采用模糊控制算法，设计一种根据车辆滞留

量动态调整交通灯时序的智能交通灯教学实验平台。经过模拟调试，达到很好控制效果，有效解决交通堵塞问题，提高道路通行能力，为实现智能化交通提供一定参考。关键词：模糊控制；智能交通灯；车辆滞留量中图分类号：TP29

文献标识码：A

文章编号：1009－9492(2019)02－0046－03

DesignofIntelligentTrafficLightsTeachingExperimentalPlatform

BasedonFuzzyControl

（GuangzhouInformationEngineeringVocationalSchool，Guangzhou510610，China）

Abstract:Aimingattheproblemoftrafficcongestioncausedbythesinglefixedtimesequenceofurbantrafficlightsinourcountry，a

WANGYong-hong

teachingexperimentplatformofintelligenttrafficlightswasdesignedbyusingfuzzycontrolalgorithmtodynamicallyadjustthetimesequenceoftrafficlightsaccordingtotheamountofvehicledetention.Throughsimulationanddebugging，itachievesgoodcontrolintelligenttraffic.

effect，effectivelysolvesthetrafficjamproblem，improvestheroadcapacity，andprovidesacertainreferencefortherealizationofKeywords:fuzzycontrol；intelligenttrafficlights；volumeofvehicledemurrage

0引言

目前我国城市的交通灯几乎都是单一固定的时序，随着城市发展及机动车量的不断增加，这种控制方式很容易造成交通拥挤。因此，设计一种根据车辆滞留量动态调整交通灯时序的智能交通灯教学实验平台，解决交通拥挤问题，为实现智能化交通提供一定参考。

护方便的三菱小型PLC机型FX2N-32MR，车辆滞留量检测系统主要用于检测车辆滞留量和传输数据。

2车辆滞留量检测系统

车辆滞留量检测系统选择M77V无线地磁传感器、M77J无线地磁接收器、FX2N-232-BD通信板等设备，完成车辆滞留量检测和数据传输。

1总体方案

智能交通灯教学实验平台主要包括触摸屏、交通灯、控制器、车辆滞留量检测系统4部分，智能交通灯教学实验平台总体方案如图1所示。

2.1车辆滞留量检测

某一方向等待绿灯的车辆数量为该方向的车辆滞留量，车辆滞留量检测采用M77V无线地磁传感器进行车辆检测，地磁传感器安装示意图，如图2所示。在南北方向，当车辆经过地磁传感器1时，就会发送1个脉冲给PLC，PLC中数据寄存器D0中数值加1，当车辆经过地磁传感器2时，也会发送1个脉冲给PLC，PLC中数据寄存器

图1智能交通灯教学实验平台总体方案

D0中数值减1，D0中数值为南北方向的车辆滞留量；同样道理，D1中数值为东西方向的车辆滞留量。

触摸屏主要完成系统启动、停止及实时监控等功能，采用黄、绿、红3种颜色的交通灯模拟交通管制，控制器选择具有很强的电磁抗干扰能力、联网通信能力强［1］、维

*广州市教育局青少年科技教育资助项目（编号：0201）收稿日期：2018－08－26

2.2数据传输过程

数据传输过程采用异步串行通信方式［2］，当车辆经过M77V无线地磁传感器时，通过无线载波，M77J无线地磁

46王永红：基于模糊控制的智能交通灯教学实验平台设计智能与自动化向车辆滞留量减去东西方向车辆滞留量的最大值，根据实际路况来定，Dmin=-20，Dmax=20。将输入论域离散化，输入的离散论域，如表1所示，经过离散将输入划分为9个等级，记为X={-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}。

表1

X-20~-15-14~-11图2

地磁传感器安装示意图

-10~-8等级-4-3-2输入的离散论域X-7~-5-4~45~7等级-101X8~10等级23411~1415~20接收器对应端口闭合，通过无线载波，M77J无线地磁接收器将数据传输给FX2N-232-BD通信板，FX2N-232-BD通信板使用无协议通信将数据传输给PLC［3］，数据传输过程，如图3所示。

亮的时间的最小值，Tmax是南北方向绿灯亮的时间的最大

将Y基本论域确定为[Tmin，Tmax]，Tmin是南北方向绿灯

值，在这里设定Tmin=-0s，Tmax=64s。由于输出变量Y为连续变化，所以通过比例因子K=64/8=8，将输出论域离散为9个等级，记为Y={0，1，2，3，4，5，6，7，8}。

根据智能交通灯模糊控制器特点，考虑到控制规则的

灵活细致，兼顾系统简单易行，语言变量采用{NB，NS，ZE，PS，PB}5个元素的词集［7］，隶属度函数采用三角分

图3

数据传输过程

布函数。根据隶属度函数，参考行业专家经验，结合智能交通灯交通具体情况，进行必要调整后建立相应语言变量隶属度赋值表，X隶属度赋值表，如表2所示，Y隶属度赋值表，如表3所示。

表2

X隶属度赋值表

等级-410000-3-21000表3

-10.50.5000000100100.50.50020000.413000.70.804000013模糊控制算法设计

由于交通控制具有强非线性、时变性和随机性的特点［4］，难以通过建立精确数学模型的传统方法进行控制

［5］

，可以采用不依赖于控制对象或者过程精确数学描述

语言值NBNSZEPSPB的模糊控制，将人对交通指挥策略转化为机器语言所描述的控制算法，模拟人的思维对十字路口各个车道的车辆滞留量进行分析［6］，实现十字路口交通灯的时序动态调整控制。

留量，选择X=D0-D1作为输入变量，将南北方向绿灯亮的模糊控制器，如图4所示。

D0为南北方向的车辆滞留量，D1为东西方向的车辆滞

0.80.70000.4时间Y作为输出变量，这样就构成一个一维模糊控制器，

Y隶属度赋值表

等级语言值NBNSZE图4

模糊控制器

PSPB0100000.80.600010.31000230.20.5000400100500.50.20060000.317000.60.808000013.1模糊化

滞留量减去东西方向车辆滞留量的最小值，Dmax是南北方

将X基本论域确定为[Dmin，Dmax]，Dmin是南北方向车辆

3.2模糊推理

根据当前输入的模糊子集，按照模糊控制规则进行模

47智能与自动化机电工程技术2019年第48卷第02期糊推理［8］，得出模糊控制输出，这个过程称为模糊推理。根据实际经验，如果某相位车辆滞留量相对下一个相位车辆滞留量比较大，那么该相位绿灯亮时间就长，模糊控制规则描述为：IFXisATHENYisB，其中A为X隶属度矩阵，B为Y隶属度矩阵则由A到B的模糊关系矩阵R=A→B，通过模糊蕴含积运算法可以计算出模糊关系矩阵R，模糊关系矩阵R，如图5所示。

表5一个周期后南北相位和东西相位车辆滞留量相位南北东西固定配时/辆327模糊控制/辆1910通过分析表5数据，交通灯采用固定配时，车辆滞留量大车道容易发生堵车现象，车辆滞留量小车道绿灯分配时间没有充分利用；交通灯采用模糊控制，实现动态配时，车辆滞留量大车道绿灯分配时间相对多一些，车辆滞留量小车道绿灯分配时间相对少一些，这样就避免了车辆滞留量大车道发生堵车倾向，同时提高了车辆滞留量小车道的时间利用率，从而加大了道路的通行效率。

5结束语

智能交通灯教学实验平台采用模糊控制算法，不需要建立数学模型，能够根据车辆滞留量进行推理决策，动态调整交通灯时序，达到很好的控制效果，有效解决了交通

图5

模糊关系矩阵R

拥挤问题，提高了交通效率，实现了交通智能化控制。参考文献：

［1］三菱电机自动化（上海）有限公司.FX3U·FX3UC系列

编程手册［Z］.2005.用说明［Z］.2014.

［3］王兆义.小型可编程控制器实用技术［M］.北京：机

械工业出版社，2005.

［4］刘金琨.智能控制［M］.北京：电子工业出版社，［5］韦巍编.智能控制技术［M］.北京：机械工业出版

社，2016.

［6］董海鹰.智能控制理论及应用［M］.北京：中国铁道

出版社，2016.

［7］宋伯生.PLC编程实用指南［M］.北京：机械工业出

版社，2009.

［8］张宪霞.融合空间信息的三域模糊控制器［M］.北

京：电子工业出版社，2017.

作者简介：王永红，男，1974年生，陕西宝鸡人，大学本科，高级讲师。研究领域：智能控制技术。

(编辑：麦丽菊)

3.3精确化

模糊推理结果是输出模糊子集，为了得到一个确切的控制值去驱动执行机构，就必须将这个输出模糊子集进行转换，这个过程称为精确化计算。重心法是精确化计算方法之一，取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理的最终输出值，重心法具有更平滑的输出推理机制，对于具有m个输出量化级数的离散论域情况，即

v0=

［2］上海索德电子技术有限公司.M77J无线车辆检测器使

∑v

k=1

mk=1

m

k

μv(vk)

v

k

∑μ(v)

2016.

4模拟实验

在绿灯亮期间，车辆经过道口速度取约13km/h，道口取13m，假设当前南北相位和东西相位情况如表4所示。

表4相位南北东西当前南北相位和东西相位情况平均车流量/(辆·h-1)958482车辆滞留量/辆239交通灯循环周期为64s，采用固定配时方法，南北相位和东西相位的绿灯配时都为32s，采用模糊控制方法，南北相位绿灯亮时间为44s，东西相位绿灯亮时间为20s，一个周期后南北相位和东西相位车辆滞留量，如表5所示。

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