本發明涉及信號燈智能控制的技術領域，特別是一種單交叉口信號燈的二級泛邏輯智能控制方法及控制系統。

背景技術：

中小城市的交通網中，大多數的單交叉路口是由兩條車流量較小的道路交叉或者一主一次道路交叉而成，一般采用二相位交通信號燈，其二相位示意圖如圖2和圖3所示。令橫向道路為x方向道路，縱向道路為y方向道路，利用交通路口普遍具備的視頻采集設備實現交通數據的采集，采集到的信息主要包括x方向的車流長度x(k)，x方向的車流強度λ_x(k)，y方向的車流長度y(k)，y方向的車流強度λ_y(k)，其中k指第k個控制周期，車流長度x(k)和y(k)分別指x方向和y方向的車輛數目，車流強度λ_x(k)和λ_y(k)分別指每分鐘經過x方向和y方向固定監測點的車輛數。傳統的交叉路口信號燈控制方法采用模型控制或預先人為地設定多套方案，由于信號相位、配時方案的參數既定,不能跟隨交通量的變化,導致交叉口常存在綠燈方向無車輛通行,紅燈方向等待車輛較多的情況；即使采用模糊控制等智能控制方法，也無法很好地模擬交通警察在路口進行實際交通控制的過程，信號燈控制器的控制決策只依賴于路口各方向上的交通情況，沒有像交通警察那樣綜合考慮某時段內各方向交通情況的關系，導致高峰情況下無法及時自適應地調節信號燈，無法合理分配交通流達到減小延誤率的效果。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種延誤率小、控制程度合理、能很好模擬交通警察控制過程的單交叉口信號燈的二級泛邏輯智能控制方法及控制系統。

為了實現上述目的，本發明所采取的技術手段是：

單交叉口信號燈的二級泛邏輯智能控制方法，單交叉路口信號燈控制的每一個控制周期內包括以下步驟：

步驟一，計算輸入量，根據交通控制系統中單交叉路口控制目標以及檢測器檢測到的當前交通狀況，獲得控制系統的輸入變量包括x方向的車流長度誤差E_x、車流強度誤差EC_x，y方向的車流長度誤差E_y，車流強度誤差EC_y；

步驟二，輸入量的泛化，對步驟一中4個輸入變量進行泛化，將其轉化為控制器工作論域上的對應值E_x'、EC_x'、E_y'和EC_y'，4個輸入變量的泛化因子為k₁、k₂、k₃和k₄；

步驟三，綜合決策，為包含第一級控制和第二級控制的二級泛邏輯智能控制模塊，第一級控制和第二級控制由不同類型的泛組合模型構成，其中第一級控制指對x方向和y方向的控制，第二級控制是指對第一級控制結果的組合；

綜合決策模塊根據步驟二中泛化了的輸入量E_x'、EC_x'以及E_x'和EC_x'的耦合關系h₁、控制決策門限基于[-8,8]區間上的零級泛組合運算模型，確定x方向的控制輸出u₁'，根據泛化了的輸入量E_y'、EC_y'以及E_y'和EC_y'的耦合關系h₂、控制決策門限基于[-8,8]區間上的零級泛組合運算模型，確定y方向的控制輸出u₂'；然后根據x方向和y方向交通情況的耦合關系h₃，控制決策門限基于[-8,8]區間上的線性加權零級泛組合運算模型對u₁'和u₂'進行組合，確定x方向的綠燈延時△t'；

步驟四，逆泛化，將步驟三中得到的x方向的綠燈延時△t'通過逆泛化因子k₅將其轉化為綠燈延時論域上的時間量△t，計算方法為

Δt＝k₅Δt′；

步驟五，信號燈控制，假設信號燈x方向上一控制周期的綠燈時間為t₀，根據步驟四得到的綠燈延時時間△t，獲得實際綠燈時間作用于x方向的信號燈，綠燈時長為t，即t＝t₀+Δt，本控制周期的控制任務完成。

所述的步驟一中，單交叉路口控制目標包括x方向的最佳車流長度為x₀，y方向的最佳車流長度為y₀，x方向的最佳車流強度為λ_x0和y方向的最佳車流強度為λ_y0；當前交通狀況包括x方向的當前車流長度x(k)，y方向的當前車流長度y(k)，x方向的當前車流強度λ_x(k)和y方向的當前車流強度λ_y(k)；控制系統的輸入變量包括x方向的車流長度誤差E_x、車流強度誤差EC_x，y方向的車流長度誤差E_y，車流強度誤差EC_y；計算方法為

E_x＝x(k)-x₀

EC_x＝λ_x(k)-λ_x0

E_y＝y(k)-y₀

EC_y＝λ_y(k)-λ_y0

其中k指第k個控制周期。

所述的步驟二中，對4個輸入變量進行泛化，計算方法為

E_x′＝k₁E_x

EC_x′＝k₂EC_x

E_y′＝k₃E_y

EC_y′＝k₄EC_y。

所述的步驟三中，第一級控制中，x方向控制和y方向控制均使用零級泛組合運算模型

其中a＝-8，b＝8，m＝(3-4h)/(4h(1-h)),h∈[0,1]；

x方向控制器的輸入量為E_x'和EC_x'，對應零級泛組合運算模型的輸入量x和y，控制參數h₁反映了E_x'和EC_x'的耦合關系，從0到1對應為最大吸引力和最大排斥力的過渡，控制參數為對x方向控制的決策門限，反映了控制器所模擬的交通警察的控制特點，從0到1對應為最低要求和最高要求的過渡，一般警察對應對x方向車流長度和強度控制要求較高的警察對應對x方向車流長度和強度控制要求較低的警察對應其控制輸出為u₁'；

y方向控制器的輸入量為E_y'和EC_y'，對應零級泛組合運算模型的輸入量x和y，控制參數h₂反映了E_y'和EC_y'的耦合關系,從0到1對應為最大吸引力和最大排斥力的過渡，控制參數為對y方向控制的決策門限，反映了控制器所模擬的交通警察的控制特點，從0到1對應為最低要求和最高要求的過渡，一般警察對應對y方向車流長度和強度控制要求較高的警察對應對y方向車流長度和強度控制要求較低的警察對應其控制輸出為u₂'；

在第二級控制中，對x方向和y方向控制器的輸出u₁'和u₂'用[-8,8]區間上的線性加權零級泛組合運算模型進行組合，其形式為

其中，α表示x方向信號控制的加權系數，β表示y方向信號控制的加權系數，β＝1-α，α和β反映了對x方向和y方向交通控制的優先級，即給予交叉路口不同方向以不同的控制優先級，參數h₃表示u₁'和u₂'的耦合關系，從0到1對應為最大吸引力和最大排斥力的過渡，反映了x方向交通情況和y方向交通情況的關系，該關系與城市規劃、城市各功能區域分布、交通流主體的作息時間密切相關，控制參數為對整個路口控制的綜合決策門限，反映了控制器所模擬的交通警察的控制特點，從0到1對應為最低要求和最高要求的過渡，一般警察對應對兩個方向車流長度和強度控制要求較高的警察對應對兩個方向車流長度和強度控制要求較低的警察對應

所述的控制方法中，各個參數的優化基于遺傳算法，遺傳算法適應值設計時給不同控制目標以不同的控制優先級，以反映控制快速性和穩定性的要求，適應值函數設計為

其中，w₁表示對x方向車流長度控制的優先級，w₂表示對x方向車流強度控制的優先級，w₃表示對y方向車流長度控制的優先級，w₄表示對y方向車流強度控制的優先級，實際控制時可以像交通警察控制一樣，根據當前車流狀況確定w_i的值，其中，如果對車流強度的控制優先級設置大，則交通控制的快速性要求更高；如果對車流長度的控制優先級設置大，則交通控制的穩定性要求更高。

包括依次連接的檢測器、計算輸入量模塊、泛化處理模塊、綜合決策模塊、逆泛化處理模塊、執行機構和交通信號燈，檢測器為視頻采集設備，交通控制中心通過對采集到的視頻數據分析得到當前路口各方向的車流長度和車流強度狀態，根據車流長度和車流強度狀態，利用二級泛邏輯控制器決策出x方向的綠燈延時，基于有線或無線通訊方式，該綠燈延時傳送給執行機構，用于控制被控對象，被控對象為交通信號燈。

本發明的有益效果是：

1、在決定單交叉路口交通信號控制方案時，綜合考慮了某時段內路口的交通流情況、路口交叉方向的車流情況之間的關系，單方向上車流長度和車流強度之間的關系，以及不同時段對各控制目標的不同控制優先級。該信號燈控制方法基于泛邏輯學，以[-8,8]區間上的加權形式的泛組合運算模型和基本泛組合模型構建決策核心。

2、在單交叉路口信號燈控制的每個控制周期內：首先，對路口的交通狀況進行采樣，得到控制器的輸入量，即兩個方向的車流長度和車流強度；其次，對兩個方向的車流長度和車流強度進行泛化，轉化為泛組合模型工作區間上的對應量；再次，基于以各類泛組合模型為核心的泛邏輯控制器，根據泛化了的兩個方向的車流長度和車流強度進行決策，通過第一級控制和第二級控制，獲得交通信號燈在x方向的綠燈延時△t'；接著，對△t'進行逆泛化，得到對應的實際綠燈延時△t；最后，將該綠燈延時△t作用于信號燈，完成該控制周期的信號燈控制。

3、在控制過程中，采用了能更好模擬交通警察控制時思維邏輯的泛組合運算模型，該模型不僅能綜合考慮交叉路口各方向的交通情況，還考慮到了各方向交通情況之間的關系、不同方向的控制優先權，其中，各方向上交通情況之間的關系在實際控制中與城市規劃、城市功能區域分布、交通主流人群作息時間密切相關，該關系在控制器中用參數h_i(i＝1,2,3)反映，h_i(i＝1,2,3)反映了相應狀態量的耦合關系,從0到1對應為最大吸引力和最大排斥力的過渡。

4、單交叉口信號燈的控制能模擬不同交通警察進行路口交通控制的差異性，該差異性在控制器中用參數反映，為路口控制的決策門限，從0到1對應為最低要求和最高要求的過渡，一般警察對應對控制要求較高的警察對應對控制要求較低的警察對應

5、單交叉路口信號燈的泛邏輯控制決策綜合考慮了不同方向的控制優先級，體現在用線性加權泛組合模型對兩個方向的控制輸出進行綜合，這與交通警察在實際控制中的方法更為接近。

6、單交叉口信號燈泛邏輯控制器中的控制參數的優化采用離線的不等權的參數優化方法，主要基于遺傳算法，遺傳算法適應值設計中體現了控制效果快速性和穩定性的不同要求和側重。

附圖說明

圖1是本發明的流程圖。

圖2是二相位交通信號燈相位一示意圖。

圖3是二相位交通信號燈相位二示意圖。

圖4是本發明中控制器系統的結構示意圖。

具體實施方式

本發明為一種單交叉口信號燈的二級泛邏輯智能控制方法及控制系統，在控制過程中，采用了能更好模擬交通警察控制時思維邏輯的泛組合運算模型，該模型不僅能綜合考慮交叉路口各方向的車流長度和車流強度，還考慮到了單方向上車流長度和車流強度之間的關系、路口交叉方向的車流情況之間的關系、不同方向的控制優先權，其中，路口交叉方向的交通情況之間的關系在實際控制中與城市規劃、城市功能區域分布、交通主流人群作息時間的密切相關。

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。

具體實施例，如圖1所示，工作過程如下：

步驟一、計算輸入量

根據交通控制系統中單交叉路口控制目標(x方向的最佳車流長度x₀，y方向的最佳車流長度y₀，x方向的最佳車流強度λ_x0和y方向的最佳車流強度λ_y0)以及檢測器檢測到的當前交通狀況(x方向的當前車流長度x(k)，y方向的當前車流長度y(k)，x方向的當前車流強度λ_x(k)和y方向的當前車流強度λ_y(k))，獲得控制系統的輸入變量：x方向的車流長度誤差E_x、車流強度誤差EC_x，y方向的車流長度誤差E_y，車流強度誤差EC_y。計算方法如下。

E_x＝x(k)-x₀

EC_x＝λ_x(k)-λ_x0

E_y＝y(k)-y₀

EC_y＝λ_y(k)-λ_y0

其中k指第k個控制周期。

步驟二、輸入量的泛化

對4個輸入變量進行泛化，將其轉化為控制器工作論域上的對應值E_x'、EC_x'、E_y'和EC_y'。4個輸如變量的泛化因子為k₁、k₂、k₃和k₄。計算方法如下。

E_x′＝k₁E_x

EC_x′＝k₂EC_x

E_y′＝k₃E_y

EC_y′＝k₄EC_y

步驟三、綜合決策

單交叉口信號燈的二級泛邏輯智能的綜合決策模塊是由不同類型的泛組合模型構成的，第一級控制指對x方向和y方向的控制，第二級控制是指對第一級控制結果的組合。

第一級控制中，x方向控制和y方向控制均使用零級泛組合運算模型

其中a＝-8，b＝8，m＝(3-4h)/(4h(1-h)),h∈[0,1]。

x方向控制器的輸入量為E_x'和EC_x'，對應零級泛組合運算模型的輸入量x和y，控制參數h₁反映了E_x'和EC_x'的耦合關系，從0到1對應為最大吸引力和最大排斥力的過渡，控制參數為對x方向控制的決策門限，反映了控制器所模擬的交通警察的控制特點，從0到1對應為最低要求和最高要求的過渡，一般警察對應對x方向車流長度和強度控制要求較高的警察對應對x方向車流長度和強度控制要求較低的警察對應其控制輸出為u₁'。

y方向控制器的輸入量為E_y'和EC_y'，對應零級泛組合運算模型的輸入量x和y，控制參數h₂反映了E_y'和EC_y'的耦合關系,從0到1對應為最大吸引力和最大排斥力的過渡，控制參數為對y方向控制的決策門限，反映了控制器所模擬的交通警察的控制特點，從0到1對應為最低要求和最高要求的過渡，一般警察對應對y方向車流長度和強度控制要求較高的警察對應對y方向車流長度和強度控制要求較低的警察對應其控制輸出為u₂'。

在第二級控制中，對x方向和y方向控制器的輸出u₁'和u₂'用[-8,8]區間上的線性加權零級泛組合運算模型進行組合，其形式為

其中，α表示x方向信號控制的加權系數，β表示y方向信號控制的加權系數，β＝1-α，α和β反映了對x方向和y方向交通控制的優先級，即給予交叉路口不同方向以不同的控制優先級，參數h₃表示u₁'和u₂'的耦合關系，從0到1對應為最大吸引力和最大排斥力的過渡，反映了x方向交通情況和y方向交通情況的關系，該關系與城市規劃、城市各功能區域分布、交通流主體的作息時間密切相關，控制參數為對整個路口控制的綜合決策門限，反映了控制器所模擬的交通警察的控制特點，從0到1對應為最低要求和最高要求的過渡，一般警察對應對兩個方向車流長度和強度控制要求較高的警察對應對兩個方向車流長度和強度控制要求較低的警察對應

綜合決策模塊根據步驟二中泛化了的輸入量E_x'、EC_x'、以及E_x'和EC_x'的耦合關系h₁、控制決策門限基于[-8,8]區間上的零級泛組合運算模型，確定x方向的控制輸出u₁'，根據泛化了的輸入量E_y'、EC_y'、以及E_y'和EC_y'的耦合關系h₂、控制決策門限基于[-8,8]區間上的零級泛組合運算模型，確定y方向的控制輸出u₂'，然后根據x方向和y方向交通情況的耦合關系h₃，控制決策門限基于[-8,8]線性加權零級泛組合運算模型對u₁'和u₂'進行組合，確定x方向的綠燈延時△t'。

步驟四，逆泛化

步驟三得到的x方向的綠燈延時△t'是控制器工作論域上的量，無法直接作用于信號燈，因此通過逆泛化因子k₅將其轉化為綠燈延時論域上的時間量△t，計算方法如下。

Δt＝k₅Δt′

步驟五，信號燈控制

假設信號燈x方向上一控制周期的綠燈時間為t₀，根據步驟4得到的綠燈延時時間△t，獲得實際綠燈時間作用于x方向的信號燈，綠燈時長為t，即t＝t₀+Δt。本控制周期的控制任務完成。

單交叉口信號燈的二級泛邏輯控制器中用到的控制參數有：x方向車流長度誤差E_x的泛化因子k₁、車流強度誤差EC_x的泛化因子k₂，y方向的車流長度誤差E_y的泛化因子k₃，車流強度誤差EC_y的泛化因子k₄，x方向控制器的輸入關系參數h₁，控制決策門限y方向控制器的輸入關系參數h₂，控制決策門限對兩個方向控制器輸出進行組合的泛組合運算模型的輸入關系參數h₃，對整個路口控制的綜合決策門限u₁'的加權系數α，△t'的逆泛化因子k₅，這些參數的優化基于遺傳算法，遺傳算法適應值設計時給不同控制目標以不同的控制優先級，以反映控制快速性和穩定性的要求，適應值函數設計如下。

其中，w₁表示對x方向車流長度控制的優先級，w₂表示對x方向車流強度控制的優先級，w₃表示對y方向車流長度控制的優先級，w₄表示對y方向車流強度控制的優先級，實際控制時可以像交通警察控制一樣，根據當前車流狀況確定w_i的值。具體來說，如果對車流強度的控制優先級設置較大，則交通控制的快速性要求更高，如果對車流長度的控制優先級設置較大，則交通控制的穩定性要求更高。

如圖4所示，單交叉口信號燈的二級泛邏輯智能控制方法的控制器系統，包括依次連接的檢測器、計算輸入量模塊、泛化處理模塊、綜合決策模塊、逆泛化處理模塊、執行機構和交通信號燈，檢測器為視頻采集設備，交通控制中心通過對采集到的視頻數據分析得到當前路口各方向的車流長度和車流強度狀態，根據車流長度和車流強度狀態，利用二級泛邏輯控制器決策出x方向的綠燈延時，基于有線或無線通訊方式，該綠燈延時傳送給執行機構，用于控制被控對象，被控對象為交通信號燈。本發明模擬了交通警察在交通路口進行實時交通指揮的方法和過程，是一種更接近于人類專家控制的智能控制方法，其主要特點是：1、單交叉路口信號燈的控制沒有將交叉方向上的交通情況簡單量化為相互獨立的狀態變量，在對信號燈控制信號綜合決策時還考慮了交叉方向上交通情況之間的關系，它們之間有天然耦合的關系，該關系與城市規劃、各功能區域分布、交通流主體的作息時間密切相關，在控制器中用控制參數h₃反映；2、單交叉口信號燈的控制考慮到了同一方向的車流長度和車流強度的關系，而不是將它們作為完全獨立的狀態變量，因為車流強度是單位時間內的車流長度，它們具有天然耦合關系，該關系在控制器中用參數h₁和h₂反映；3、單交叉口信號燈的控制能模擬不同交警進行路口交通控制的差異性，該差異性在控制器中用參數反映，為路口控制的決策門限，從0到1對應為最低要求和最高要求的過渡，一般警察對應對控制要求較高的警察對應對控制要求較低的警察對應4、單交叉路口信號燈的泛邏輯控制決策綜合考慮了不同方向的控制優先級，體現在用線性加權泛組合模型對兩個方向的控制輸出進行綜合，這與交通警察在實際控制中的方法更為接近；5、單交叉口路口信號燈泛邏輯控制器中的控制參數的優化采用離線的不等權的參數優化方法，主要基于遺傳算法，遺傳算法適應值設計中體現了控制效果快速性和穩定性的不同要求和側重。