基于PLC的新型模糊控制交叉口車流疏導(dǎo)系統(tǒng)*

陸大同,唐淳杰,楊 超

(1.百色職業(yè)學(xué)院， 廣西 百色 533000； 2.柳州城市職業(yè)學(xué)院，廣西 柳州 545036)

基于PLC的新型模糊控制交叉口車流疏導(dǎo)系統(tǒng)*

陸大同1,唐淳杰2,楊 超1

(1.百色職業(yè)學(xué)院， 廣西 百色 533000； 2.柳州城市職業(yè)學(xué)院，廣西 柳州 545036)

針對(duì)高峰期交叉路口擁堵現(xiàn)狀，基于PLC設(shè)計(jì)了一款新型的車流疏導(dǎo)系統(tǒng).基于固定參數(shù)模糊控制的方法不能適應(yīng)交通流非均勻分布情況，提出了一種云隨機(jī)優(yōu)化的模糊控制方法，在現(xiàn)有交通控制系統(tǒng)的基本模型和框架內(nèi)，給出了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，搭建了一套交叉口實(shí)時(shí)疏導(dǎo)系統(tǒng).結(jié)果顯示，該系統(tǒng)有效解決了高峰期車流不平衡問題，并縮短了車輛通行的延誤時(shí)間，有效提升了交叉口的通行能力.

交通工程；PLC控制；模糊邏輯；相位控制

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，轎車逐漸成為普通家庭的消費(fèi)產(chǎn)品之一，我國汽車購買量的增長速度一直處于世界領(lǐng)先地位，直接結(jié)果就是引起了各個(gè)地方的交通堵塞問題，特別是上下班高峰期的交叉口通信能力急劇降低.[1-2]因此，對(duì)交叉口信號(hào)燈的精確有效控制是疏導(dǎo)交通流的關(guān)鍵因素之一.較早的研究主要是通過建立精確的數(shù)學(xué)模型，通過收集數(shù)據(jù)信息進(jìn)行相關(guān)模型參量的訓(xùn)練和優(yōu)化，一定程度上提供了交叉口控制方法，但是這種預(yù)先人為設(shè)定的模型，無法滿足日益增長的車流需求，并且受隨機(jī)干擾影響較大.文獻(xiàn)[2]首次提出了采用模糊控制的方法進(jìn)行交叉口信號(hào)控制，隨后，J.Favilla、A.Machion對(duì)已有的模糊控制方法進(jìn)行優(yōu)化處理，并提出了相應(yīng)的自適應(yīng)策略.[3-4]文獻(xiàn)[5]在此基礎(chǔ)上提出了兩級(jí)模糊控制方法，并對(duì)控制的結(jié)果進(jìn)行了仿真分析.文獻(xiàn)[6]提出了四相位模糊控制方法，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和控制精度.雖然這些研究中建立的模型和提出的分析方法在理論上為緩解交叉口交通擁擠現(xiàn)象提供了有效的解決思路和可行方法.但是存在兩點(diǎn)不足：1)這些研究多數(shù)都是基于相位固定的控制假設(shè)，但是在實(shí)際的路況中，交叉口的交通流分布往往是不均勻的，這種固定相位的控制方法一定程度上造成了空間和時(shí)間上的浪費(fèi)；2)多數(shù)研究都是基于仿真進(jìn)行分析，沒有給出相關(guān)可行的硬件設(shè)計(jì)思路和驗(yàn)證.

筆者針對(duì)固定輸入?yún)⒘磕：刂品椒ǖ娜毕?，提出了一種云優(yōu)化的模糊控制方法，并在現(xiàn)有交通控制系統(tǒng)的基本模型和框架內(nèi)，給出了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，搭建了一套交叉口實(shí)時(shí)疏導(dǎo)系統(tǒng).最后，針對(duì)交叉口高峰期車流平衡問題以及車輛延誤時(shí)間及通行能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析.

1 控制原理分析

1.1 模糊控制實(shí)現(xiàn)方法

(1)

(2)

(3)

1.2 云優(yōu)化模糊控制分析

模糊化的具體實(shí)現(xiàn)就是將輸入信號(hào)的精確數(shù)值通過模糊規(guī)則處理變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制信號(hào)，具體的實(shí)現(xiàn)方式就是通過有效的模糊隸屬度函數(shù)輸出相應(yīng)的修正值.

云模型可以表示為C(Ex，En，He)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]的研究，相關(guān)的計(jì)算可以表示為

(4)

(5)

1.3PLC控制實(shí)現(xiàn)分析

基于前面的分析，PLC控制的主要目的是實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的精確延時(shí)和分析，并進(jìn)行相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)的分析.根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究，可以將相應(yīng)的合成輸出結(jié)果表示為

E(t)=L1(t)L2(t)R

(6)

其中，R為模糊輸出的總體邏輯關(guān)系，在實(shí)際的編程中假設(shè)通信車輛的相位長度為Li，且后續(xù)的相位車流為Li+1，同樣將其范圍設(shè)置在[0,Qmax]，滿足Qmax{0,1,2,…,10}，基于模糊輸出結(jié)果的基礎(chǔ)上獲取的車輛平均延誤時(shí)間是衡量信號(hào)控制方案優(yōu)劣的重要指標(biāo).為了減少隨機(jī)噪聲引起的誤差，采用多周期平均的方法進(jìn)行計(jì)算，本文周期選擇為6，基于前面的分析，根據(jù)式(5)的結(jié)果，可以將云優(yōu)化后的目標(biāo)函數(shù)表示為

(7)

(8)

基于云優(yōu)化處理實(shí)現(xiàn)的控制原理如圖1所示.

圖1 云優(yōu)化的模糊控制實(shí)現(xiàn)原理框圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)性能需求，疏導(dǎo)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括PLC云優(yōu)化控制機(jī)構(gòu)，交通管理分析軟硬件設(shè)計(jì)、通信交換模塊.總的系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 交叉口疏導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3顯示了相應(yīng)的交通流量疏導(dǎo)框圖.其中，具體的云優(yōu)化PLC控制系統(tǒng)已經(jīng)在第2節(jié)中進(jìn)行了詳細(xì)的分析，該部分主要針對(duì)軟硬件設(shè)計(jì)以及通信模塊進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的分析.

圖3 硬件設(shè)計(jì)的交通流量疏導(dǎo)方案框圖

2.1 軟件模塊設(shè)計(jì)

與PLC接口的硬件控制芯片主要是采用LQFP-44的STC125A60S2進(jìn)行并聯(lián)處理，與單片機(jī)的連接主要是通過RS485進(jìn)行PLC控制指令的接收.控制算法的指令設(shè)置為云模糊控制器的輸出參量，其中：Q1為主干道信號(hào)狀態(tài)R(紅)、Y(黃)、G(綠)；Q2為支干道信號(hào)狀態(tài)r(紅)、y(黃)、g(綠)，相應(yīng)的邏輯函數(shù)分析為：[10]

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

通信的目的主要是監(jiān)控和報(bào)警，通過監(jiān)控將路口的狀態(tài)通過無線的方式進(jìn)行傳遞(目前的3G和4G通信基本上都可以提供這種實(shí)時(shí)的需求)，本設(shè)計(jì)主要采用4G-LTE的方式進(jìn)行無線傳輸，將路口信息與PLC控制總行進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享.

3 實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，采用VISSIM仿真軟件和PLC控制單元結(jié)合進(jìn)行實(shí)際的系統(tǒng)仿真，并基于C語言設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制程序.用于實(shí)驗(yàn)分析一段交叉路口的實(shí)際數(shù)據(jù)性質(zhì)如表1所示.實(shí)驗(yàn)中將本文方法同文獻(xiàn)[6]的方法進(jìn)行了綜合比較.

表1 實(shí)驗(yàn)輸入及輸出值

從圖4中的擬合曲線可以看出，車速大小對(duì)流量的影響較小，本文通過云優(yōu)化處理以后，處理車輛的通行能力有一定程度的提升，整個(gè)通行過程與車速本身的關(guān)系并不明顯.四個(gè)方向的整體通行能力實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果如表2所示，基于本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的交叉口平均車輛延誤時(shí)間有所改善.

圖4 實(shí)驗(yàn)分析擬合曲線

表2 幾種延誤時(shí)間的控制比較

Tab.2ComparisonofSeveralDelayTimeControl

車輛平均到達(dá)速率/(peu/s)交叉口車輛平均延誤時(shí)間/s次數(shù)東-西西-東南-北北-南定時(shí)控制文獻(xiàn)[6]方法本文方法11/31/31/31/35.815.425.421/21/4.51/31/3.55.584.844.7631/21/21/31/3.55.955.265.241/21/21/31/3.55.964.904.65

通過整個(gè)系統(tǒng)的測試結(jié)果可以看出，在交叉口出現(xiàn)加大的車輛流動(dòng)的時(shí)候，本文方法的延誤時(shí)間最短，整體提升了近10%.但是本系統(tǒng)的最大的優(yōu)點(diǎn)是基于現(xiàn)有的交通控制平臺(tái)的升級(jí)，因此，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，能夠在當(dāng)前情況下緩解道路交叉口的交通壓力.

4 結(jié)論

針對(duì)交叉口高峰期通行車流量情況下的車輛疏導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出了一種基于PLC控制的新型車輛疏導(dǎo)系統(tǒng).采用一種云隨機(jī)模糊優(yōu)化控制參數(shù)的方法，在現(xiàn)有交通控制系統(tǒng)的基本模型和框架內(nèi)，給出了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，搭建了一套交叉口實(shí)時(shí)疏導(dǎo)系統(tǒng).最后的結(jié)果顯示，本文方法能夠有效緩解高峰期車流不平衡問題，并有效縮短通行時(shí)間.針對(duì)目前社會(huì)交通擁堵嚴(yán)重的情況，具有較好的應(yīng)用價(jià)值.

[1] J Favilla， A Machion， F Gomidel. Fuzzy Traffic Control : Adaptive Strategies[J]. Fuzzy Systems， Second，1993，28: 506-511.

[2] 陳森發(fā)，陳洪，徐吉謙.城市單路口交通的兩級(jí)模糊控制及其仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，1998，4:35-40.

[3] Jarkko Niittymaki， Ville Kononen. Traffic Signal Controller Based On Fuzzy Logic[C]. Systems， Man， and Cybernetics， IEEE International Conference， 2000，5:3578-3581.

[4] 徐良杰，王煒.信號(hào)交叉口行人過街時(shí)間模型研究[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2005 (1):111-115.

[5] 徐良杰，王煒，俞斌.信號(hào)交叉口非機(jī)動(dòng)車及行人交通控制研究[J].交通工程信息學(xué)報(bào)，2004(6):102-108.

[6] AlOKaisy A F， Stewart J. A New approach for developing warrants of protected left-turn phase at signalized intersections[J]. Transportation Re2search Part A : Policy and Practice， 2011， 35(6):561-574.

[7] Leden Larsa1Pedestrian risk decrease with pedestrian flow1A case study based on data from signalized intersections in Hamilton Ontario[J]. Accident Analysis and Prevention， 2012， 34(4):457-464.

[8] 畢曉君，劉國安.基于云差分計(jì)劃算法的約束多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,33(8)：1-7.

[9] 韓強(qiáng)，劉治平，劉家壯.城市交叉口智能控制系統(tǒng)的研究[J].系統(tǒng)工程，2014 (6):83-86.

[10] 王玉嬌，李長城.基于3G通訊和PLC的交通信號(hào)控制[J].公路交通科技，2014,31(6)：138-142.

[責(zé)任編輯 蘇 琴]

[責(zé)任校對(duì) 黃祖賓]

New Fuzzy Control Intersection Traffic Flow Guidance System based on PLC

LU Da-tong1,TANG Chun-jie2,YANG Chao1

(1.BaiseVocationalandTechnicalCollege,Baise533000,China；2.LiuzhouCityVocationalCollege,Liuzhou545036,China)

In view of current situation of peak intersection congestion, this paper designs a new type of traffic flow guidance system based on PLC. In order to solve the problem of fixed parameters of fuzzy control method based on non-uniform distribution can not adapt to traffic flow, this paper proposes a cloud random optimization method of fuzzy control in the existing within the framework of the basic model and traffic control system, gives the hardware and software of the control system design and realization method of real-time guidance system to build a set of intersection. Results showed that the system effectively solve the rush hour traffic imbalance, and traffic delay time is shortened, effectively improve the traffic capacity of intersection.

traffic engineering; PLC control; Fuzzy logic; Phase control

2016-09-20.

廣西教育廳科研課題 (KY2016YB 778)；廣西教育廳科研課題(KY2016YB779).

陸大同(1969-)，男，百色職業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：電工電子技術(shù)、機(jī)電一體化. 通信作者：唐淳杰(1978-)，男，碩士，柳州城市職業(yè)學(xué)院副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù).

U491.5

A

1673-8462(2016)04-0077-04