1 概述

為了解決城市交通擁擠的問題，需要從供求兩個方面來采取措施：一是加強城市道路的基礎建設，二是要充分利用、提高現(xiàn)有路網(wǎng)的利用效率。目前，國內(nèi)的城市交通燈大多數(shù)都是采用固定的綠信比（一個信號相位的有效綠燈時長與周期時長之比），不能滿足交叉路口車輛的時變性要求。

模糊控制技術作為智能控制的重要分支之一，它的最大特點是針對各類具有非線性、強耦合、不確定性、時變的多變量復雜系統(tǒng)，在各個控制領域中得到廣泛的應用，并取得良好的控制效果。在城市道路中存在大量的平面交叉路口，交叉路口一般可以分成十字形、X形、T行、Y行和多路交叉形，本文以十字形交叉路口作為研究對象。

在平面交叉路口上某一支或者幾支交通流所獲得的通行權(quán)稱為信號權(quán)，簡稱相位。一個周期內(nèi)有幾個信號相位，則稱該信號系統(tǒng)為幾相位系統(tǒng)。本文以雙向6車道4相位系統(tǒng)為例。第1相位東西方向交通流直行，第2相位東西方向交通流左轉(zhuǎn)，第3相位南北方向交通流直行，第4相位南北方向交通流左轉(zhuǎn)，所有右轉(zhuǎn)方向交通流不予控制。其交通運行圖如圖1所示。

圖1 4相位交通運行圖

2 模糊控制器的設計

模糊控制器通常包括模糊化接口、數(shù)據(jù)庫、規(guī)則庫、模糊推理機和解模糊接口5部分，如圖2所示。

圖2 模糊控制器的組成

2.1 隸屬度函數(shù)

為了完成輸入的模糊化，必須知道輸入精確值對模糊化的隸屬度函數(shù)，如取7個，即PL（正大）、PM（正中）、PS（正?。?、ZE（零）、NS（負?。?、NM（負中）、NL（負大）。在精度要求比較高的情況下可以采用正態(tài)分布，一般情況下可取三角形或者梯形，本文采用三角形的隸屬度函數(shù)。

在紅燈期間，取線圈感應取為100 m，車身及車距平均距離取5 m，將測得的車輛排隊長度P看作模糊變量。其論域為：
P={1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21}
取7個語言值，其賦值表如表1所列。

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表1 P賦值表

當前相位車隊長度與下一相位的車隊長度之差Q作為綠燈延遲的修正值。其論域為：
Q={-12，-9，-6,3,0,3,6,9,12}
取7個語言值，其賦值表如表2所列。

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表2 Q賦值表

一般情況下，為了避免車輛來不及通過，綠燈時間不低于20 s；為了避免車輛等待時間太長，綠燈時間不超過60 s。綠燈的追加時間看作模糊量g?？偟淖芳訒r間的論域為：
T={4,8,12,16,20,24,28,32,36}
取7個語言值，其賦值表如表3所列。

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表3 T賦值表

2.2 車輛檢測器

采用環(huán)形線圈式，金屬線圈埋在地下，構(gòu)成LC振蕩回路。受車身鐵磁材料的影響，電感量發(fā)生變化，根據(jù)電感不同可知車輛通過時的脈沖，從而推算出車輛通過的頻率。

2.3 控制器的設計

本文采用二維模糊控制器，二維指的是模糊控制器的輸入變量有兩個，而控制器的輸出只有一個。這類模糊規(guī)則的一般形式為：
IF X1 IS Ai AND X2 IS Bi THEN Y IS Ci

由控制規(guī)則得到模糊控制規(guī)則表，如表4所列。

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表4 模糊控制規(guī)則表

3 模糊控制的FPGA實現(xiàn)

3.1 Spartan3A/3AN介紹

FPGA具有性能好、規(guī)模大、可重復編程、開發(fā)投資小等優(yōu)點，在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中應用得越來越廣。使用Xilinx的Spartan3A/3AN FPGA時，ISE是必備的設計工具。它可以完成開發(fā)的全部流程，包括設計輸入、仿真、綜合、布局布線、生成BIT下載文件、配置和在線調(diào)試等[4]。本文采用EElements ISE Development Kit開發(fā)套件和ISE10.1軟件設計工具，建立模糊控制交通燈系統(tǒng)工程，如圖3所示。

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圖3 模糊控制交通燈系統(tǒng)工程圖