基于模糊控制的智慧城市路口交通灯配时优化方法.pdf
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1、162 Academic Papers学术交流影 响 有 影 响 的 人 基于模糊控制的智慧城市路口交通灯配时优化方法李 斌,傅正阳,郑江萍(杭州市公安局交通警察支队西湖大队,浙江 杭州 310000)摘要:为缓解城市交通压力,进一步规范交通灯配时标准,通过求解与 PID 控制器模型相关的整定参数,实现对模糊控制方法的完善,根据实时交通状态选择关键动作指令,联合奖励值函数确定优化指数取值范围,完成对城市路口交通灯配时优化方法的设计。实验结果表明,优化方法作用下的红灯、绿灯配时均值分别为61s 和 34s,与实验所选路口交通灯配时标准基本一致,能够适当缓解城市交通压力。关键词:智慧城市;路口交通
2、灯;配时标准;模糊控制;优化指数中图分类号:U121 文献标识码:A 文章编号:1673-8098(2023)05-0162-030 引言近年来,随着智慧城市的不断发展,城市交通面临的压力逐渐增大,特别是在路况复杂的交通路口,容易因为交通灯配时标准不合理而出现拥堵现象。针对该问题,陈海洋等1引入克隆选择算法,对克隆抑制算子与种群刷新算子进行改进,将交通灯状态设置问题转换成克隆选择算法搜索最优解问题,实现智慧城市路口交通灯配时优化,但该方法在实际应用中优化效果不佳,路口仍出现拥堵问题。陈小红等2研究了不确定交通需求下的交叉口信号配时区间优化模型,通过构建信号配时参数区间非线性多目标规划模型,采用
3、多层嵌套遗传算法求解方式实现对交叉口信号配时区间的优化,但该方法的控制效果也不理想。本文引入模糊控制理论,设计了一种新型的智慧城市路口交通灯配时优化方法,切实提高了智慧城市路口交通灯配时优化效果,缓解了交通路口的拥堵情况。1 模糊控制方法1.1 PID 控制器PID 控制器的运行是根据输入信号的比例、积分以及微分关系,实现对目标对象按需控制的目的。PID 控制器模块可以使待控对象的被占用时长趋于合理,与单纯积分控制的应用思想基本类似。在实现同等比例控制各个目标对象的同时,可以使下级设备保持自由运行状态,对传输信号的控制作用相对较轻,当信号样本单次输入量较大时,PID 控制器的运行速度会明显下降
4、。为了保证待控对象的运行能力,在选择信号样本时应控制目标信号的单次输出总量,PID 控制器结构模型如图 1所示。图 1 PID 控制器连接结构 设 表示模糊性参数,c 表示信号分配特征(辆),该特征通过信息增益提取,表示待分配信号在单位时间内的累积均值(辆/min),表示传输信号的实时系数(min),联系上述物理量,可将 PID 控制器的运行表达式定义为:(1)式(1)中:W 表示 PID 控制器输出。如果 0 成立,表示信163NO.5/OCTOBER.2023交通建设与管理 影响有影响的人 号传输方向与正负极标记方向相同;如果 0 成立,则表示信号传输方向与正负极标记方向相反。1.2 整定
5、参数由于 PID 控制器的运行会同时受到两种信号源的影响,在规范路口交通灯配时标准时,易出现信号传输行为混乱而造成控制效果不佳。为了避免上述情况的发生,可以根据 PID 控制器元件的实时运行特点,求解整定参数并联合相关物理参量,完善模糊控制方法的应用流程3。整定参数,是对参数指标的整合与判定,前者意在将所有可能的物理参数聚合在一起,通过集中计算的方式选定最优解结果;后者则是在所有可能最优解中进行持续搜索,在去除局部干扰项参数后,得到唯一全局的最优解结果。在对路口交通灯配时优化过程中,只有保证整定参数求解结果的唯一性,才能实现对信号灯响应时长的准确分配,其整定参数的计算应满足如下表达:Y W(/
6、)/1 I2/(q1 q2 qn)2 (2)式(2)中:Y 表示整定参数的唯一解,表示所选信号参量的控制系数,表示所选信号参量的模糊标记指征(辆),、表示两个不相等的信号导入参数,I 表示实时整定向量(辆/min),表示方向性参数,q1、q2、qn表示 n 个不同的数值解(min/辆)。为了充分发挥模糊控制方法的应用能力,在对方向性参数进行取值时应尽量避免取得零值或与零接近的物理参数。2 智慧城市路口交通灯配时策略优化在模糊控制方法基础上确定路口的实时交通状态,选择既定动作指令并联合奖励值函数,求解优化指数参量,实现对智慧城市路口交通灯配时策略的优化。2.1 交通状态智慧城市管理理念中,当交通
7、路口拥塞程度达到一定数值水平后,当前路口便不具备再容纳其他车辆通行的能力。模糊控制理论认为,路口交通状态会受到时间、季节、温度等多项外界因素的影响,因此在制定交通灯配时策略时,可以适当调整信号灯的响应时长4。在优化交通灯配时策略时,交通状态只能作为一项参考变量。设 表示拥塞参数,lmax表示交通灯配时参数的最大取值结果(s),lmin表示交通灯配时参数的最小取值结果(s),kmax表示单位时间内的最大车辆容纳数值(辆/min),kmin表示单位时间内的最小车辆容纳数值(辆/min)。在上述物理量的支持下,联合式(2),可将智慧城市路口的交通状态求解表达式定义为式(3):(3)式(3)中:P 表
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