基于模糊理论的高速公路智能控制系统探讨

陈晓玲

（承德市交通运输局通信管理处，河北 承德 067000）

基于模糊理论的高速公路智能控制系统探讨

陈晓玲

（承德市交通运输局通信管理处，河北 承德 067000）

针对高速公路的交通拥挤、交通事故等现象，在高速公路控制系统中引入模糊控制理论，提出基于模糊理论的高速智能控制系统。通过对交通流进行分析，根据高速交通系统的随机性和动态性，引入模糊理论，设定参数确定高速入口匝道的调节率，实现对匝道的实时控制，为提高高速公路通行能力和道路服务水平提供了新途径。

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、行车速度高、方便交通的特点，是现代化的必要交通设施。目前，高速公路的控制策略一般为入口、出口匝道控制，主线交通控制及通道交通控制。由于入口匝道控制进入高速公路的流量，因此,对入口匝道的控制是目前最有效也是应用最广泛的一种控制方式。但由于整个高速交通系统包含人、车及道路三部分，和三者相互交叉作用共同形成的一个系统，使得该系统具有明显的时变性和非线性、不确定性[1]，因此,传统的控制方式很难实现对高速系统的精准控制。本文引入模糊控制理论，根据操作人员的经验和当前系统的运行状态，归纳出一套完整的控制规则，通过对入口匝道的调节率进行调节，实现对高速交通系统的智能控制。

2 交通流理论

为了更好的控制对象，需要对控制对象的状态进行了解和描述，对于高速公路来说，交通流是描述高速公路的运行状态，广义上还包括各种运行状态下的车流和人流。根据描述的状态可分为连续畅通状态和断流状态[2]。当交通流处于连续畅通状态时，高速公路上的车流和人流不受其他因素的影响。交通流处于断流状态时表示车辆遇到道路指示灯、可变限速标志、情报板管制时，车速降低或者停止。交通流类似于液体流动的模型，因此可以利用研究液体的理论来研究交通流。

2.1 交通流特征参数

交通流参数是高速公路上管理的要素，会因各类交通流

影响而发生变化，其设定主要依据交通流的各类特征，高速公路上的交通主要存在三个特性：双重性，交通管制约束司机，但司机可自行改变车速和车距；约束性，司机将受到车辆和高速公路的限制，可能造成车辆间相互影响产生道路拥堵；行驶的车辆在速度和线路上存在差异。因此,可将高速的交通流特征参数归结为车流量、密度和速度[3]。

2.2 交通流运行特征

对于交通流的运行状态研究，选取高速的主线路段，该路段不受其他匝道的影响。交通流的运行特征可分为横向和纵向特征。横向特征指的是车辆的横向动态，即车辆在主线上的变换车道；纵向特征指的就是车辆的纵向动态，这里包括车辆的速度变化，运行状态等等。除了单一车辆的横向、纵向状态，高速公路基本路段交通流的特征还包括车与车之间的关系，包括超车、跟随等等。这些交通特征的关系如图1所示。

图1 交通特征模型图

在高速公路行进中，不考虑横向干扰，变车道主要由于快车跟随慢车行驶，速度较快的车辆为了保持较高速度，会采用超车的方式，根据不同人的行业不同，对速度的需求不同，在主干线上采用分车型分车道的控制方式，控制车速不同的车辆在适合自己的车道上行驶。

3 高速入口的匝道控制

车辆进入匝道、快速道的过程可以分为两步，首先车辆由普通公路进入匝道，开往加速车道；经过加速车道进入高速主干道。对高速的入口匝道控制就是控制入口匝道进入主干道的交通流，对第一步进行调整，让入口匝道驶入主干道的交通量在该路段的通行能力范围之内，使下游的主线流量交通顺畅。这种控制方式称为交通流量控制。对于第二步，由于车速较快，主要在安全上进行控制，尽量减少汇入车辆对主干道车辆的影响，此控制称为交通流汇入控制。本系统主要针对流量控制中的单点控制，确定入口匝道驶进高速公路主干道的车辆使该入口匝道附近加速车道、主线的交通状况达到最好。

3.1 模糊控制理论

模糊控制算法是一种模仿人类思维的控制算法，实现控制的方式不需要建立数学模型，而是利用工程技术人员在某控制领域的经验制定模糊规则，实现控制时首先将采集的数据模糊化作为模拟量的输入，按照模糊规则进行模糊分析，得出输出量，加入模糊编辑器。模糊控制系统组成如图2。

图2 模糊控制结构图

3.2 高速公路入口匝道控制模糊控制器的设计

为了获得车辆的实时数据，在高速公路主线和入口匝道上设立车间器。车间器的布置位置图如图3所示，车检器1～8主要对主线的车辆进行检测，车间器的距离在6m左右即可，车间器9检测等候车辆，10检测车辆是否到达连接处，11为了检测公路与匝道交汇处的车辆。

图3 线圈车检器布置图

首先依据高速公路入口匝道和模糊控制理论的控制原理，设定高速公路入口匝道控制的模糊控制器结构简图如图4所示。

图4 匝道模糊控制系统

利用车检器获取高速公路入口匝道上游与下游的交通量及车量速度，以及高速公路入口车辆的等待车辆的长度与占有率。模糊控制器利用监测到的数据进行研究，根据模糊算法、专家经验为积淀的推理，以及评价当前交通流的状态，得出输出量，该输出量将是入口匝道的控制数据，调节匝道控制

设备来控制进入高速公路主干道的车流量。

3.2.1 确定输入量与论域

此次设计将论域区间设定为[-E,E]，[-C,C]，[-U,U]，控制器采用e，ec为输入的双输入，以Δμ为单一输出的控制器。将[-n,-n+1,-n+2,...,0,...,n-1,n]设定为子集论域，n的大小反应系统的复杂程度，当n较小时，说明系统较简单，反之，则系统越复杂，

3.2.2 模糊分割

将子集{NB，NS，ZE，PS，PB}设定为输入量和输出量子集，按NB负大，NS负小，ZE零，PS正小，PB正大进行分割，采用三角隶属函数对隶属度进行描述，误差e的隶属函数如图5所示。

图5 隶属函数图

通过三角函数得到的e，ec，Δμ隶属度如表1所示。

表1 隶属度表

3.2.3 控制规则

一般的计算机语音称为形式语言，该语言是具有规则和意义的，不会出现模糊的概念。然而模糊规则则常使用模糊性的语言，也可以理解为模糊规则就是有一些列的模糊语言组成。这个系统的模糊控制也不是特别分明，出现误差时也不是必须消除，一般会会从误差的大小和系统的稳定性两方面考虑是否进行消除误差。模糊控制的具体语句通常如下所述。

1）if e=NBand ec=NBthen Δu=PB;

2）if e=NBand ec=NSthen Δu=PS;

3）if e=NBand ec=ZEthen Δu=PS;

常用规则如表2。

表2 规则对应表

3.2.4 模糊控制推理

根据if e=NBandec=NB then Δu=PB;求模糊关系Ri；根据表1，得相应的隶属函数：

模拟量输出为U*=（E*·EC*）·R*，E*，EC*为e，ec对应的隶属度向量得到的输出量为向量值，利用加权平均法将其清晰化即可得最终的准确值。

3.3 系统仿真

安装在入口匝道上游、入口匝道下游和入口匝道上的传感器，可检测出交通流量、占有率、速度等数据信息。高速公路入口匝道模糊控制器的输入量有6个，这6个输入量分别为: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)，控制器的输出量有一个为入口匝道调节率MR(MeteringRate)，通过MATLAB进行仿真，采用6组不同的输入量进行仿真，采用的数据及仿真得到的结果如表3所示。

表3 仿真结果

由上述仿真结果可得随着高速公路的拥挤程度的加剧，入口匝道的调节率逐步降低，该模糊控制器取得了比较理想的结果。

4 结论

通过在匝道上安装传感器实时获得匝道的交通流量、占有率及速度等数据，通过高速入口匝道模糊控制器进行模糊控制，及时调整高速入口的匝道调节率，随着高速公路的拥挤程度的加剧，及时降低入口匝道的调节率，提高高速公路通行能力和道路服务水平。

【1】马明辉,杨庆芳.高速公路主线与匝道协调控制方法[J].哈尔滨工程大学学报.2015(12)：54-58.

【2】温旭丽,马香.城市道路可变车道设置方法研究[J].公路交通科技(应用技术版).2014(12)：78-80.

【3】吴明,范东涛.高速公路入口匝道动态响应调节算法设计[J].交通信息与安全.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

陈晓玲（1979～），女，内蒙古赤峰人，工程师，从事高速公路机电工程研究,（电子信箱）58907522@qq.com。