（计算机软件与理论专业论文）城市道路交通模糊智能监控系统的设计与研究.pdf

摘要 城市道路交通智能监控技术是当日订控制领域和交通工程领域的研究热点之 一。随着人工智能、自动控制技术、计算机技术和通讯技术的迅速发展，各种 交通模型和分析综合方法层出不穷，新的理论和研究成果不断出现，并已在实 际工程应用中显示出巨大的威力和发展潜力。 城市交通系统本身是一个具有严重非线性、随机性、时变性、不确定性的复 杂系统，而采用先进的信息技术、通信技术和控制技术等高新技术开发的智能 交通系统可以大幅度提高交通网络的运行效率，是解决交通拥挤问题的最经济 最有效的办法。传统的城市控制方法，如j s b a r a s 建立的城市交通数学模型， 由于该系统模型考虑因素全面( 系统变量较多) ，所以其准确度较高。但求解时计 算量大，维数多。因而只能采用简化算法，得到次最优的结果，因此效果并不 好。在交叉路口的交通信号控制中，如何科学有效地根据对交叉路口交通流特 征和排队延误规律，设计出较为先进的交通信号配时方案以提高交叉路口的控 制效率，成为了当前城市交通控制系统的重要课题之一。 模糊控制是模糊逻辑在控制领域中的应用。既不是指被控对象是模糊的，也 不是指控制器是模糊的，它是指在知识、概念上的模糊性。虽然控制算法是通 过模糊语言描述的，但是它说完成的任务是完全确定的。模糊控制是以模糊集 合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术，其最 大特征是：能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规 则，然后用这些规则去控制系统。因此，模糊控制特别适用于数学模型未知的、 复杂的非线性系统的控制。 本文通过对模糊控制系统组成和结构的认真分析，对模糊控制器设计进行了 详细地研究。模糊控制器设计需要确定模糊控制器结构、对精确输入量的模糊 化、模糊控制算法设计和输出信息的模糊判决四个步骤。在模糊控制方案的设 计中，我们以信号交叉口交通控制理论为基础，依据常识和经验设计了模糊控 制规则，并应用在交叉口信号控制器中，提高交叉口控制效率。 关键词：智能交通，模糊控制，信号灯控制，城市道路交通 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n i q u ef o ru r b a nr o a d w a yt r a f f i ci s a ni m p o r t a n t t o p i ci nc o n t r o ld o m a i na n dt r a f f i ce n g i n e e r i n gd o m a i n w i t h t h ef a s td e v e l o p m e n to f a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ( 舢) ，a u t o m a t i c c o n t r o l ，c o m p u t e r a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s ，m a n yt r a f f i cf l o wm o d e l i n g a n da n a l y s i sb ys y n t h e s i si nr e c e n ty e a r t h e i r a p p l i c a t i o n s i n e n g i n e e r i n gh a v e b e e ns h o w ni t st r e m e n d o u sp o w e r sa n dh u g e p o t e n t i a l s r o a d w a yt r a f f i cs y s t e mi s an o n 1 i n e a r i t y ，r a n d o m i c i t y ，c h a n g e a b l e ， u n c e r t a i n t ya n dc o m p l e xs y s t e m t h en e wi n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m w h i c ha d o p ta d v a n c e di n f o r m a t i o nt e c h n i q u e ，c o m m u n i c a t i o ns k i l l a n d c o n t r o lt e c h n i q u et h e s en e wt e c h n o l o g y ，c o u l ds t r o n g l yi m p r o v eo p e r a t i o n e f f i c i e n c vo ft r a f f i cn e t w o r ka n di s t h eb e s tw a yt oh a n d l ec i t yt r a f f i c p r o b l e m t r a d i t i o n a lw a y st od e a lw i t hc i t yt r a f f i cp r o b l e m ，e g m a t h e m a t i c sm o d e l o fc i t yt r a f f i cs y s t e mm a d eb yj s b a r a s ，c o n s i d e rl o t sa s p e c t so ff a c t o r s ，t h u s ，h a v e h i g h l vv e r a c i t y h o w e v e r , i tc o n s u m e sl o n gt i m et oc a l c u l a t e t h e r e f o r e ，t h eo n l y w a vt od e a lw i t ht h i sp r o b l e mi sa d o p ts i m p l em a t h e m a t i cm e t h o d sa n dt r y t 0g e tt h eb e s tr e s u l t h o w e v e r ，t h ee f f e c ti sn o ta sg o o da sh o p e d s o ，i ti s av e r yi m p o r t a n tt a s kt od e s i g na ni m p r o v e dt r a f f i c - s i g n a l - t i m i n gs y s t e m w h i c hh a sc o n s i d e r e dc h a r a c t e r s o fc r o s s w a ya n dr u l eo fw a i t i n g ，t o i m p r o v ee f f i c i e n c yo fc r o s s w a y f u z z vc o n t r o li sa na p p l i c a t i o no ff u z z yl o g i ci nt h ef i e l do fc o n t r 0 1 i t sn e i t h e r t h a tt h eo b j e c tc o n t r o l l e di sf u z z y , n o rc o n t r o l l e ri sf u z z y i tm e a n s t h ef u z z i n e s so n t h ek n o w l e d g ea n dc o n c e p t t h ec o n t r o la l g o r i t h mi s d e s c r i b e db yf u z z yl a n g u a g e ， b u ti ts a i dt h a tt h et a s ki sc o m p l e t e l yi d e n t i f i e d f u z z yc o n t r o l i sac o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nf u z z ys e tt h e o r y , a m b i g u o u sl a n g u a g e v a r i a b l e sa n df u z z yl o g i c i t sb e s tf e a t u r ei s ：i t c a nc h a n g et h ee x p e r i e n c ea n d k n o w l e d g eo fo p e r a t o r so re x p e f l si n t oc o n t r o lr u l e s d e s c r i b e db yt h el a n g u a g e v a r i a b l e s a n di tc o n t r o lt h es y s t e mb yt h e s er u l e s s of u z z yc o n t r o li sp a r t i c u l a r l y a p p l i c a b l e t ot h ec o n t r o lo ft h en o n l i n e a rs y s t e m sw h i c h a r eu n k n o w na n d i l c o m p l i c a t e dm a t h e m a t i c a lm o d e l s w eg o td e t a i l e r sr e s e a r c h e si n d e s i g no ff u z z yc o n t r o l l e rt h o u g h c l e a r l ya n a l y z ei nc o m p o s eo fd e s i g no ff u z z yc o n t r o l l e r d e s i g no ff u z z y c o n t r o l l e rn e e d sf o u r s t e p s ：c l a r i f y i n g f r a m e w o r ko f f u z z yc o n t r o l l e r ， o u t o f f o c u sa c c u r a t ei n p u t ，o u t o f - f o c u sd e s i g no fc o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c ， a n do u t - o f - f o c u so u t p u ti n f o r m a t i o n d u r i n gt h ed e s i g no fp r o j e c ti nf u z z y c o n t r o l l e r ，w eb a s e do nt h et h e o r yo ft r a f f i cc o n t r o li nc r o s s w a y ，a n du s i n g t h ec o m m o nk n o w l e d g ea n de x p e r i e n c et oi m p r o v ee f f i c i e n c yo fc o n t r o li n c r o s s w a y k e y w o r d ：i n t e l l i g e n tt r a f f i c ，f u z z yc o n t r o l l i n g ，s i g n a lc o n t r o l l i n g ，u r b a n r o a d w a yt r a f f i c 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期：渺。乒，2 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 。 根密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：丝丝竺。 武汉理j ：大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 交通拥挤以及由之导致的时间损失、能源消耗、交通事故和环境问题所造成 的巨大损失己成为世界各国政府和人民所面临和必须解决的问题【。近年来，理 论和实践证明采用先进的信息技术、通信技术和控制技术等高新技术开发的智 能交通系统可以大幅度提高交通网络的运行效率，是解决交通拥挤问题的最经 济最有效的办法。据统计，智能交通系统( i t s ) 技术的应用可以减少1 0 的废 气排量，2 0 的交通延时，3 0 的停车次数。美国l o s a n g e l e s 地区和t e x a s 州在 i t s 技术方面投资的效益成本比率分别是1 6 ：1 和2 2 ：1 ，收益非常显著。而这一 切，都是在基本上没有进行道路建设和引入新的高速车道的情况下取得的。这 充分说明了为什么近年来发达国家竞相投资i t s 技术的研发和应用1 2 0 】。 1 2i t s 研究背景 智能交通系统，简称i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ) ，作为一个概念性名 词出现于2 0 世纪9 0 年代初，但其思想早在2 0 世纪3 0 年代已有萌芽，当时美 国通用汽车公司和福特汽车公司倡导和推广过“现代化公路网”的构想，而2 0 世 纪6 0 年代出现的静态路径诱导、计算机交通控制技术等都可谓是i t s 的雏形， 不过当时其重要性并不明显，没有受到人们足够的重视1 4 l 。随着经济的发展和 人民生活水平的提高，交通活动已成为人们生活中的重要组成部分。 从上世纪9 0 年代以来，汽车工业的发展推动了交通的发展，城市道路 建设、高速公路的铺设以及路网的形成，使交通不断繁荣。交通的发 展，促进了人类社会的不断进步，社会的进步，又促进了交通设施的 建设、交通工具的改进1 5 剖。随着近2 0 年来计算机技术、通讯技术、信息技 术的飞速发展，将人、车、路综合起来，用系统的观点进行思考，并把先进的 计算机、通讯、控制和信息技术运用于交通系统的智能交通系统就很自然地诞 生了。i t s 不仅可提高运营率，减少事故率，并带来减少能源消耗、降低大气污 武汉理： 人学硕士学位论文 染的社会效益，而且可促进智能化交通电子设备的开发，形成一个新型的交电 产业，带来巨大的经济利益。因此，近几年来世界各国都竞相投资i t s 的 研发和应用1 7 1 。 1 3 国外交通监控系统现状 i t s 在日本的发展始于7 0 年代。从1 9 7 3 年至u 1 9 7 8 年，日本成功地开展了一 个叫动态路径诱导系统的实验。在这个实验中，车上的驾驶员可以根据装在车 上的显示器上所显示的道路交通堵塞状况及诱导方向，选择自己到达目的地的 最佳路线。从8 0 年代中期到9 0 年代中期的1 0 年间，日本相继完成了道路与车辆 之问通信系统、交通信息通信系统、宽区域旅行信息系统、超智能车辆系统、 安全车辆系统以及新交通管理系统等方面的研究。在此基础上，1 9 9 4 年1 月，由 日本警察厅、通产省、运输省、邮电省和建设省等五个部门联合成立了日本道 路交通车辆智能化推进协会用以推动i t s 在日本的发展1 8 l 。 应该说，美国交通系统的智能化研究是最早的，始于本世纪6 0 年代末，那 时叫做电子路径导向系统( e r g s - e l e c t r o n i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ) 。中间暂 停了十多年，到8 0 年代中期后以加州交通部门研究的驾驶员寻路系统获得了成 功为契机，在美国全国开展了被称为智能化车辆一道路系统( i n t e l l i g e n tv e h i c l e h i g h w a ys y s t e m ，简称i v h s ) 的研究。1 9 9 1 年，成立了美国智能交通系统协会 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns o c i e t y o f a m e r i c a ) ，主要宗旨是帮助并加速智能交通 系统在政府和民间企业的发展，从而有力地促进了美国智能交通系统研究的发 展。1 9 9 1 年，美国总统签署了综合提高陆上交通效率法案( 且1 i s t e a ，又称“冰茶 法案”) ，把开发研究智能化车辆一道路系统作为国策并给予充足的财政支持。 1 9 9 4 年将美国i v h s 改为美国i t s ，以表明这方面的研究开发不仅限于车辆和道 路，而可以推广到一切交通工具和交通中所组成的智能化系统。当然，就目前 来讲，主要还是以道路交通为对象1 9 j 。 在1 9 9 3 年春召开的i v h sa m e r i c a 年会上，代表们提出了召开智能交通系统 世界大会的最初倡议。响应这一倡议，欧洲道路交通通信技术应用促进组织 e r l l c 0 建议1 9 9 4 年在法国巴黎召开第一次智能交通系统世界大会，并决定 i t s 世界大会在欧洲、美国和亚洲轮流举行，每年召开一浏坶1 1 】。 2 武汉理。r 大学硕十学位论文 1 4 智能交通在的我国发展 1 4 1 我国的城市交通状况 与国外相比，我国对i t s 的发展还不够重视，目前国内的交通控制相当落后， 以至于国内的城市交通状况形成了畸形落后和不胜负荷的局面i l2 j ： ( 1 ) 城市道路结构不合理 目前中国城市交通以路上交通为主，大多数城市道路空间结构属平面交通状 态，形成“人车混行，快慢车混驶”的特点。道路系统布局多采用简单的平面方格 形式，难以适应交通系统现代化管理的需要。路网功能的结构层次混乱，主、 次干道和支线比例失调，衔接关系紊乱，使干线道路难以发挥其功能。 ( 2 ) 交通出行结构失调 中国城市交通主要由各种机动车、非机动车和行人构成，形成特殊的三元混 合交通结构。交通方式可分为两大类，即公共交通和私人交通。其中公共交通 由公共汽车、地铁、出租车组成；私人交通主要由自行车、摩托车，私人汽车 及步行交通构成。由于这些交通方式的自身特点，使它们能够在系统中共存。 另外，由于系统所具有的自组织能力，并在外界交通环境的协同作用下，形成 了各种交通方式间的制约与平衡。因此，对某一种交通方式来说，不能任其自 由发展，否则会破坏这种平衡状态，使其系统出现问题。 目前中国城市的交通结构，由于公共交通畸形落后、不胜负荷的局面，在一 定程度上刺激了私人交通的发展，目前主要体现在对自行车、私人汽车交通需 求的急剧增长，使交通方式间比例严重失调。据调查，大部分城市公交车与自 行车出行比例为1 ：9 或更严重，导致的结果是巨大的自行车流，特别是上下班 高峰期间，事如潮涌，并与机动车争道抢行，阻碍正常交通。这种局面反过来 又影响了公共交通的服务水平，由于大量出行被自行车吸引，使公共交通经营 陷入困境，低劣的服务水平又增大了广大群众的不信任感，又增加了对私有交 通的倾向。这更加重了城市交通系统的紊乱，成了一个恶性循环。 ( 3 ) 交通管理技术水平低，交通事故频繁。 我国城市交通管理和交通安全的现代化设施很少。以北京与东京比较，两市 都有一个交通控制中心，但北京交通控制中心管理路口数目仅是东京的3 ，交 通标志数是东京的7 ，人行横道数是东京的4 8 ，人行天桥数是东京的3 6 ， 3 武汉理工大学硕士学位论文 地下人行通道是东京的5 。我国的交通事故率居高不下，万车事故死亡率北京 为6 人，而东京仅为1 9 人，美国和英国分别为2 6 和2 7 。 1 4 2 我国智能交通的发展策略 针对以上提到的问题，因此我国近期研究i t s 应从以下几个方面进行：( 1 ) 实时检测技术；( 2 ) 交通状态预测与判断系统；( 3 ) 路线引导与控制系统；( 4 ) 交通信息系统；( 5 ) 信息传输网络；( 6 ) 交通信息显示网络；( 7 ) 系统可靠性； ( 8 ) 法规和人员培训【l 引。 开发i t s 要适合我国的交通特点，结合我国的国情，研究有中国特色的智能 交通系统。我国的交通特点是：( 1 ) 机动车与非机动车混行；( 2 ) 自行车数量 大；( 3 ) 机动车数量增长快；( 4 ) 国产机动车速度、路网容纳能力和交通宣传 力度都非常有限等。因而我国的交通发展策略应该是智能交通与科学管理相结 合，在有步骤地建立智能交通的同时，加强动态和静态交通的管理，增强人们 的现代交通意识，使现代科学管理发挥更好的社会效益【体1 5 】。 今后，道路的建设将会向立体交通发展，高速公路将成为连接城市间的纽带。 智能交通将提供电子路标、信息提示、紧急电话、气象预告等服务，形成一个 安全畅通的道路网络。智能化将是未来交通科技的发展趋势，而智能监控系统 作为当前国际公路交通科技发展重点，正在世界各国不断地发展和完善。 1 5 本文主要内容 本课题主要是为了解决城市交通流量的增大，使得交通灯控制器满足现代交 通流量的多变性问题。根据交通信号灯控制的特点，把模糊控制算法应用于交 通灯控制器上。具体内容如下： 第2 章智能控制相关技术。首先介绍了自动化理论的发展，然后介绍了 智能控制系统的主要特点及智能控制理论，最后提出了模糊控制理论的特点， 并详细阐述了模糊控制的基础理论。 第3 章信号灯智能控制系统的理论基础。首先介绍了交通信号灯控制的 理论基础，包括交通信号控制系统的发展，交通信号控制的基本参数，城市道 路平面交叉路口的类型，交通信号的控制类型，交通流信息的检测方法及单交 叉路口多相位交通信号的控制方法。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章模糊控制器的设计与研究。介绍了模糊控制的系统结构，给出了 精确量模糊化和模糊控制算法设计的推理过程，并进行了l 级、i i 级模糊控制器 的设计。 第5 章路口交通信号控制机系统的设计。给出了路口交通信号机系统的 硬件构成及系统软件的设计方法，并给出了系统各主要模块的流程图。 1 6 本章小结 本章介绍了本论文的研究背景，国外交通监控系统的现状及国内城市交通状 况，并提出我国智能交通的发展策略。使用城市公路智能交通监控系统能改善 交通系统的运行情况，运用先进的信息通信提高交通效率及安全性，减少交通 事故。 5 武汉理工人学硕士学位论文 第2 章智能控制相关技术 2 1 自动化理论的发展 自动控制理论发展至今已有一百多年的历史。随着各个阶段的工业和现代科 学技术的飞速发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳 定性与适应能力的要求越来越高，应用范围也更加广泛。特别是上世纪8 0 年代 以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速度进展，推动了控制理论 研究的深入开展，并进入了新时代。回顾自动控制理论发展的历史，可以看到 这是一个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到 高级智能的发展过程。控制科学的发展水平，在受到人类社会己有的知识水平 和技术手段制约的同时，又反过来极大地促进了人类社会的知识进步和技术革 新【1 6 。1 引。 自动控制理论在工业生产中的应用，大致经历了三个发展阶段1 1 9 l 。 ( 1 ) “经典控制理论”阶段； 经典控制理论基于被控对象的精确数学模型来解决线性定常单输入单输出 ( s i s o ) 控制系统的设计与分析问题，也出现了串级、前馈补偿等系统，主要采用 传递函数、频率特性和根轨迹为基础的频域分析方法，包括e j r o u t h h u r w i t z 代数判据、h n y q u i s t 稳定性判据与对数频率特性综合等。对于非线性系统，采 用描述函数分析法和一般不超过两个变量的相平面分析法。经典控制理论目前 仍在工业过程中发挥着重要的作用，解决了许多控制问题。但对于解决大规模 的复杂控制问题仍远远不够。 ( 2 ) “现代控制理论”阶段； 随着电子计算机的出现和迅速发展，信息处理能力的不断提高，由于航天飞 行器等空间技术开发的需要，6 0 年代出现了以状态空间为基础的现代控制理论， 包括线性系统理论，最优控制理论，系统辨识和随机控制理论等几个主要分支。 系统可以是线性的或非线性的，定常的或时变的。它用一组一阶微分方程代替 经典理论中的一个高阶微分方程式来描述系统，并且把系统中各个变量均取为 时间t 的函数，因而属于时域分析方法。现代控制理论可以解决多输入、多输出 6 武汉理t 大学硕士学位论文 ( m i m o ) 系统分析设计问题，但其分析综合方法都是在取得控制对象数学模型基 础上进行的，而数学模型的精确程度对控制系统性能的影响很大，往往由于某 种原因对象参数发生变化使数学模型不能准确地反映对象特性，无法达到期望 的控制指标。为解决这个问题，自适应控制、鲁棒控制的研究便成为控制理论 的研究热点。 8 0 年代由加拿大的z a m e s 等人创始的h o 设计理论，是鲁棒性设计的重要发 展，目前仍然是控制界研究的热门课题。这些方法原则上还是没有摆脱基于数 学模型的定量化思想，理论上远非完善。 传统控制，包括经典反馈控制、现代控制理论和大系统理论等，在应用中遇 到不少难题。传统控制面临的问题是： 传统控制系统的设计和分析是建立在精确的系统数学模型基础上的，而实 际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，一般无法 获得精确的数学模型。 研究这些系统时，必须提出并遵循一些比较苛刻的假设，而这些假设在应 用中往往与实际不相吻合。 对于某些复杂的和包含不确定性的控制过程，根本无法用传统数学模型来 表示，即无法解决建模问题。 为了提高控制性能，传统控制系统可能变得很复杂，从面增加了设备的初 投资，降低系统的可靠性。 ( 3 ) “大系统理论”和“智能控制理论”阶段； 2 0 世纪7 0 年代，针对工业生产规模，过程参数和控制回路多的特点，出现 了分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 又称集散系统，是集计算 机技术，控制技术，通讯技术和图形显示等技术于一体的计算控制系统。控制 理论与其他学科相互交叉，相互渗透，向着纵深方向发展，从而开始形成了第 三代控制理论，即大系统理论和智能控制理论。复杂的工业过程本身机理十分 复杂，而且干扰多，难以建立精确的数学模型来满足闭环最优控制的要求，同 时，这类过程目前已有的控制策略或是过于复杂，难以实行在线控制，或是过 于粗糙，不能满足高水平的控制要求。解决这类问题的重要途径之一就是将人 工智能，控制理论和运筹学三者相结合的智能控制。 智能控制系统是近2 0 年来发展起来的- - l - j 新兴学科，是控制理论发展的高 级阶段，它简化了建模手续，算法简单，主要用来解决那些用传统方法难以解 7 武汉理t 火学硕士学位论文 决复杂系统的控制问题，可明显地提高了控制系统的品质，己成为当前国内外 控制领域研究热点之一( 孙增圻，1 9 9 7 ) 。 由于控制理论研究不再局限于简单定常系数线性系统模式，而是研究更为复 杂的各类系统，要求控制理论能处理更加复杂的系统控制问题，提供更加有效 的控制策略。这些大型复杂的系统有大型工业生产过程、计算机集成制造系统、 交通运输系统、柔性机器人和空间飞行的各类复杂设施等。这些系统既有系统 运行行为和特性上的复杂性，也有不确定性导致的复杂性。同时也有系统多模 式集成和控制策略方面的复杂性。对这类系统的研究涉及到非线性、鲁棒性、 具有柔性结构的系统和离散事件动态系统等，并且需要对它们进行相对独立研 究，也必须按照具体工程问题把它们中几个方面集成加以研究。 2 2 智能控制系统的主要特点 智能控制的研究对象具备不确定性的模型，高度的非线性，复杂任务的要求。 它将认知系统研究的结果与常规的系统控制方法加以有机的结合，实现规划、 决策、学习等智能功能【2 0 j 。其主要特点有： ( 1 ) 智能控制系统一般是以知识表示的非数学广义模型和数学模型相结合 的混合控制过程。它适用于含有复杂性，不完全性，模糊性，不确定性和不存 在己知算法的生产过程。它根据被控动态过程特征辨识，采用开闭环控制和定 性与定量控制结合的多模态控制方式。 ( 2 ) 智能控制器具有分层信息处理和决策机构。它实际上是对人工神经网 络结构或专家决策机构的一种模仿。复杂的大系统中，通常采用任务分块，控 制分散方式。智能控制核心在高层控制，它对环境或过程进行组织决策和规划， 实现广义求解。要实现此任务需要采用符号信息处理，启发式脑思维接近。低 层控制也属智能控制系统不可缺少的一部分，一般采用常规控制。 ( 3 ) 智能控制器具有非线性。这时因为人的思维具有非线性，作为模仿人 的思维进行决策的智能控制也具有非线性。 ( 4 ) 智能控制器具有变结构特点。在控制过程中，根据当前的偏差及偏差 变化率的大小和方向，在调整参数得不到满足时，以跃变方式改变控制器的结 构，以改善系统的性能。 ( 5 ) 智能控制具有总体自寻优特点。由于智能控制器具有在线特征辨识、 8 武汉理 ：大学硕士学位论文 特征记忆和拟人特点，在整个控制过程中计算机在线获取信息和实时处理并给 出控制决策，通过不断优化参数和寻找控制器的最佳结构形式以获取整体最优 控制性能。 智能控制系统具有学习功能、适应功能、组织功能。对于复杂的任务和分散 的传感信息具有自组织和决策的功能，该组织功能表现为系统具有相应的主动 性和灵活性，即智能控制器可以在任务要求的范围内，自行决策，主动地采取 行动，而当出现多目标冲突时，在一定的限制下，控制器可有权自行裁决。 、 2 3 智能控制的相关理论 智能控制理论是研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律， 研制具有某些拟人智能的工程控制与信息处理系统的理论，是近年来新发展起 来的一种控制技术，是人工智能在控制上的应用。智能控制的概念和原理主要 是针对被控对象、环境、控制目标或任务的复杂性提出来的，它是依据人的思 维方式和处理问题的技巧，解决那些目前需要人的智能才能解决的复杂的控制 问题。被控对象复杂性体现为模型的不确定性，高度非线性，分布式的传感器 和执行器，动态突变，多时间标度，复杂的信息模式，庞大的数据量，以及严 格的特性指标等。而环境的复杂性则表现为变化的不确定性和难以辨识【2 。 一般认为，智能控制的方法包括专家系统、人工神经网络、模糊系统、遗传 算法等。回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械 化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代【2 2 彩】。 ( 1 ) 专家系统 专家系统具有便于运用结构化、模型化方法和推理模型、充分吸收人类专家 经验和实现辅助决策的特点。针对交通阻塞成因与交通流运行的相互影响关系， 专家系统技术在s a g e 和c l a i r e 系统中被用来监视、跟踪、分析、解释和处 理阻塞问题，而在s c i i 和p r o p e r 系统中专家系统技术分别被用于相位结构的 调整和左转相位的选择。 ( 2 ) 人工神经网络 人工神经网络擅长于解决非线性数学模型问题，并具有自适应、自组织和学 习功能，广泛应用于模式识别、数据分析与处理等方面。m s d o u g h e r t y 等专门 就人工神经网络技术在道路交通控制领域的应用主要包括交通流预测、阻塞识 9 武汉理t 大学硕十学位论文 别和路线导航系统对司机选线的影响模型等进行了研究；c j b a m a r d 等利用b p 网络模型，分别以交通流密度和不同相位的绿时作为输入、输出，直接建立起 交通模式与信号方案之间的内在联系，从而实现了以交通流最优化为目标的三 相位孤立交叉路口的自学习动态适应性控制系统；c l e d o u x 则提出了基于神经 网络的实时适应性城市交通信号控制系统的交通仿真模型。此外，人工神经网 络被广泛应用于阻塞的识别过程中。 ( 3 ) 模糊系统 模糊逻辑是一种处理不确定性、非线性等问题的有力工具，特别适用于表示 模糊及定性知识，与人类思维的某些特征相一致，故嵌入到推理技术中具有良 好效果。我国学者贺国光等运用模糊控制技术实现了实时获取的交通路况信息 和信号配时方案之间的对应选择关系，并将其改进为基于模糊逻辑的分布式智 能实时城市交通控制系统。有的学者则基于模糊逻辑识别的事件检测算法进行 研究。由于模糊逻辑与人工神经网络技术互相补充，通常二者结合应用。j w h 与z d o n g 基于模糊神经网络结构来构建智能系统知识推理模块，以完成实时动 态交通控制，此间，人工神经元网络用于训练有关数据自动生成模糊子系统的 成员函数，模糊系统则用来执行模糊模式分类，二者的有机结合使各自优势得 到充分发挥，并弥补了相互的不足。k k a g o l a n u 等则利用模糊规则与算法更新 相位及绿时，实现了针对孤立路口的智能控制器，其中也把人工神经元网络用 于训练有关数据以自动生成模糊子系统的成员函数。此外，还有国内外许多学 者也提出了各种性能的模糊控制器。 ( 4 ) 遗传算法 遗传学通过运用仿生原理实现了在解空间的快速搜索，广泛用于解决大规模 组合优化问题。在解决实时交通控制系统中的模型及计算问题时，可以通过遗 传算法进行全局搜索和确定公共周期；也可以利用遗传算法来解决面控系统中 各交叉路口信号控制方案的最优协作问题，有效避免可能由此引起的交通方案 组合爆炸后果。 2 4 模糊控制理论的特点 所谓模糊控制，是指模糊逻辑在控制领域中的应用称为模糊控制。既不是指 被控对象是模糊的，也不是指控制器是模糊的，它是指在知识、概念上的模糊 1 0 武汉理j 大学硕七学位论文 性。虽然控制算法是通过模糊语言描述的，但是它说完成的任务是完全确定的。 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机 数字控制技术，其最大特征是：能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语 言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。因此，模糊控制特别适 用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制1 2 4 1 。 模糊控制具有许多传统控制无法比拟的优点【舀2 7 】： ( 1 ) 不需要建立被控对象的精确数学模型。对于复杂的生产过程，有时难 以建立精确的数学模型，模糊语言是一种方便的近似，模糊控制直接利用对被 控过程的参数现状及其发展趋势观测和判断所产生的定性感觉，来构成控制算 法，在系统设计时不需要建立被控对象的数学模型，是解决不确定性系统的一 种有效途径。所以使用语言方法，不需要精确的数学模型。这样对难以取得精 确数学模型的复杂过程控制系统，语言能很近似的描述。 ( 2 ) 模糊控制是一种基于规则的控制。它是在操作人员控制经验的基础上 实现对系统的控制，通过对现场操作人员或者有关专家的经验、知识以及操作 数据进行归纳和总结，形成一定的规则参与控制过程。模糊控制方法对于有控 制经验但非专业的工作者更易于掌握。 ( 3 ) 模糊控制的鲁棒性较强，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明 显，即对参数变化不灵敏。模糊控制采用的不是二值逻辑，而是一种连续的多 值逻辑，所以当系统参数变化时，能较容易实现稳定的控制，适用于非线性、 时变、时滞系统的控制。 ( 4 ) 模糊控制对过程的参数变化具有较强的适应性。经研究结果表明，对 于确定的控制对象，用模糊控制与用p i d 控制的效果相当。而对于非线性、时 变以及时滞这一类不确定性系统，模糊控制有较好的控制作用。同时对非线性、 噪音和纯滞后有较强的抑制作用，过程的动态响应品质优于常规的p i d 控制。 ( 5 ) 系统的规则和参数整理方便。只要通过对现场的工业过程进行定性的 分析，就能比较好地建立语言变量的控制规则和系统的控制参数，而且参数的 适用范围较广。具有专家经验的控制人员易于通过人机界面使用自然语言将模 糊控制条件语句加入整个控制环节上，使得控制效果更加出色。 ( 6 ) 模糊控制易于实现。对有一定的操作经验的操作者或现场工程人员来 说，模糊控制方法易于掌握。模糊控制的软硬件实现都比较方便，对于基本的 模糊控制器，由离线计算得到控制查询表，运行时只需进行简单的查表运算， 武汉理工大学硕士学位论文 提高了控制系统的实时性。 模糊控制技术具有上述的特点，因而吸引越来越多研究者的注意，研究范围 从单纯的模糊数学到模糊理论应用、模糊系统及其硬件集成。模糊控制理论在 理论和应用上以及取得了引人瞩目的成果，成为控制理论及应用的重要组成部 分，同时在实际的工业中以及其他应用领域的过程控制中越来越发挥重要的作 用【捌。 2 5 模糊控制的基础理论 2 5 1 模糊和模糊控制的概念 在现实生活中一些概念是有明确意义的，比如说“建筑物”、“一个”、“机器” 等，对于这些明确的概念，在数学中可以用经典集合来表示。但现实生活中并 不是所有的概念都是明确的，例如“老年人”这个概念，不可能在年龄轴上划定一 个区间，规定在这个区间内的就是老年人。再比如，某人说“今天的温度真高”， 但对于另一个人来说，气温很舒适，“今天的气温不算高”。类似于这样的问题， 对于不同的人来说可能就有不同的答案。面对这类大量存在于客观实际的模糊 现象，人们使用经典数学来描述遭遇了实质性的困难【3 9 】。 1 9 6 5 年美国加州大学伯克莱学院的z a d e h 教授首次发表了关于模糊集的论 文，从而奠定了模糊数学的基础。1 9 6 8 - 1 9 7 3 年间又先后提出语言变量、模糊 条件语句和模糊算法等概念和方法，使得某些以往只能用自然语言的条件语句 形式描述的手动控制规则可采用模糊条件语句形式来描述，从而使这些规则成 为在计算机上可以实现的算法。在过去4 0 多年里，对模糊集合和模糊控制的理 论研究和实际应用广泛而活跃。目前，模糊理论己经在自动控制、人工智能、 图像识别、气象研究等领域发挥了重要作用。需要特别指出的是，尽管模糊理 论描述的现象可能是模糊的，但理论本身却是精确的。 模糊控制是模糊理论在控制领域的应用，是智能控制的主要方法之一。概括 地说，模糊控制模仿操作人员的控制过程( 包括控制经验和知识) ，用语言规则来 描述控制规律。这里的语言规则在模糊系统中就是所谓的i f t h e n 规则。例如， 如果汽车速度快，则给油门施加较小的力，这就是一个模糊i f t h e n 规则。由 于模糊控制无需知道被控对象的数学模型，所以在控制具有不确定性和具有强 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 非线性对象时，较经典控制方法有着无法比拟的优势。自从1 9 7 3 年英国教授e h m a m d a n i 首先将模糊集合理论成功地应用于锅炉和蒸气机的控制以来，模糊 控制己形成了产业化趋势，尤其在家用电器行业的应用己相当成熟，日本、欧 美等国家的模糊家电已相当普及。 这里由传感器获得的三个输入都为精确量，而模糊规则使用的是自然语言， 可以称为模糊量，因此需要将精确量转化成模糊量，这一步骤称为模糊化。同 样的，模糊规则的输出为模糊语言变量，而实际的控制参数应该为精确值。所 以还需要将模糊量转换为精确值，这一过程称为反模糊化。这就是模糊控制器 的基本工作过程。 2 5 2 模糊集合和隶属函数 一般地，给定一个论域，把具有某种确定性质且彼此可以区别的对象组成的 一个整体称为集合。若用a 代表论域x 中的一个集合，x 表示论域中一个元素， 则把x 属于a 记为x a ；否则x 不属于a ，记为x 杈。即论域中的任一元素， 要么属于某个集合，要么不属于该集合，决不会出现含混不清的情况。然而现 实生活中时刻存在着模糊概念，如“运行状况良好”、“水温有点高”等，它们的边 界都是不明确的。z a d e h 创立的模糊集合为解释这种模糊概念提供了可能。这种 模糊集合的边界是模糊的，允许论域中的某些元素部分属于该集合，只要规定 该元素属于这个集合的程度即可【删。 模糊集合定义为：给定论域x 中的一个模糊集，是指对任意x x ，都为 其指定一个数( x ) 【0 ，1 】与之对应，这个数称为x 对a 的隶属度。 作出一个映射： x _ 【o ，1 】，x - - - , # a ( x ) ，称匙为a 的隶属函数。由模 糊集合的定义可知，论域x 上的模糊子集a 完全由隶属函数a ( x ) 来表征。x 对模糊子集a 的隶属程度由( x ) 在闭区间【o ，1 】的取值大小来反映。( x ) 的值 越接近1 ，表示x 从属于a 的程度越大；反之，( x ) 的值越接近0 ，则表示x 从属于a 的程度越小。显然，( x ) 的值为 0 ，1 ) 时，隶属函数怠己蜕变成一 个清晰集合的特征函数，模糊集合也就蜕变成为一个清晰集合。因此，可以这 样概括清晰集合和模糊集合间的互变关系，即模糊集合是清晰集合在概念上的 拓展，清晰集合是模糊集合的一种特殊形式。隶属函数则是特征函数的扩展， 特征函数是隶属函数的一个特例。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 3 模糊关系 ( 1 ) 普通二元关系和关系矩阵 关系是集合理论中的一个重要概念，是描述客观事物之间联系的数学模型。 如果对集合x ， y 的元素之间的搭配【( x ，y ) ，x x ，y e y 】施加某种限制，这 时构成的集合就是直积x x y 的一个子集。该子集具有某种特定性质，反映了x ， y 元素之间的某种特定关系。关系的定义如下：设x 与y 是两个非空集合，集 合x ，y 的直积x x y 的一个子集r 称为x 到y 的一个二元关系，简称关系。 关系r 的特征函数为： ，、1 1 ，“功r 钮嘛功2 1o ，( x 力薯r