基于PLC的實現道路十字路口交通燈模糊控制系統

1 引言

　傳統的十字路口交通控制燈，通常是事先經過交通流量的調查，運用統計的方法將兩個方向紅綠燈的延時預先設置好，然后實際的變化卻是未知的，所以常常出現綠燈方向幾乎沒有什么車輛，而紅燈方向卻排著長隊等候通過的調度失控。本文據此提出模糊智能交通路口指揮調度控制系統。

2 交通十字路口傳感器的設置

　在十字路口的四個方向(e、s、w、n)的近端j(斑馬線附近)和遠端y(距斑馬線約100米處)各設置一個傳感器，分別統計通過該處的車輛數。

　 近端的傳感器用于記錄綠燈期間通過路口的車輛數(記為x)；遠端的傳感器用于記錄紅燈期間進入路口排隊等候的車輛數(記為y)。為了簡化運算，可以將兩個相對的方向(n與s、w與e)的x、y值合并為一組，分別取兩個方向之最大者。

3 模糊控制器的設計

　 本模糊控制系統設計的核心是模糊控制器的設計，設計模糊控制器主要是求取模糊控制表。

　 3.1 系統分析

　確定控制器的輸入變量和輸出變量以及它們的數值變化范圍。輸入變量為x、y，輸出變量為t。綠燈期間車輛通過路口的速度不超過20公里/小時，則在15秒時間內通過的最大車輛數約為15輛。則x的變化范圍為0～15。當遠端和近端傳感器之間距離約為100米時，考慮一般車輛車身長度連同兩車輛間距平均5米左右，所以100米內可能停留等待的車輛數最多可達到100/5=20輛，于是紅燈方向排隊等待的車輛數y變化范圍為0～20。本系統的輸出就是兩個方向的紅黃綠燈，還有斑馬線處人行橫道的紅綠燈以及按前進方向分得更細的綠燈相互間關系及兩個方向的輸出關系最終歸結到對當前綠燈的延時t。根據現場測試，輸出變量t的變化范圍為15～60。

　 3.2 模糊化方法的選擇與確定

　為了實現模糊控制，需要將綠燈時間分為兩部分：其一是固定的1o秒作為路口車輛狀態參數的采集時間t1；其二是根據兩個方向車輛流量變化進行模糊決策的延時t2。綠燈期間車輛通過路口的速度不超過10m/s，則在10s內通過的最大車輛數約為l5。以紅綠燈轉換瞬間為計時起點，記錄10s內通過的車輛數作為變量x的論域，取(0-15)，并將它分為三個模糊子集：少、中等、多。其從屬函數設計如圖2所示。

　 紅燈期間排隊等候車輛數(y)的模糊化， 輸出量模糊分類都采用三角形屬函數的設計。

　 3.3 模糊規則的設計

　 當兩個方向的狀態處于同一量級時，如同為多，或同為中等，或同為少時，綠燈的延時t2均取“短”，如表1所示,其目的是保證雙方流量相差不多的情況下，盡快地均衡疏散。

　 3.4 模糊推理算法與解模糊

　 從模糊規則得到的結果仍然是模糊量，還要經過模糊推理算法還原為精確量才能輸出。本設計采用當今模糊控制算法的主流算法—簡易模糊推理算法。對于每個確定的輸入x和y值對應不同的模糊子集，具有不同的從屬度。由此而激活的多條模糊規則以取小的策略求出各輸出于模糊集的從屬度，然后再采用重心法(加權平均法)解模糊，求出t2的精確值：

　 式中：μi為確定的x、y輸入值所對應的不同模糊子集的從屬度；ti為輸出各模糊子集所對應的重心值。

4 系統設計

　 4.1 系統硬件設計

　模糊控制器采用三菱的fx2n型plc，通過編程來實現交通調度過程控制。圖3所示的模糊控制系統數據采集及a/d轉換由模擬量輸入模塊fx2n-2ad完成，d/a轉換由模擬量輸出模塊fx2n-2da完成。

　其中y10-y12是東西方向紅綠燈的控制線路,y13-y15則是南北方向的控制線路,yo-y7則是控制7段顯示器的控制線路。

　 4.2 軟件設計

　 plc編程能力強，可以將模糊化.模糊決策和解模糊方便地用軟件來實現，基于交叉路口車輛等待長度的變周期交通模糊控制器模糊判決子程序的算法流程如圖4所示。