交通十字路口的PLC模糊控制

【摘要】随着城市化进程的逐步加快，城市交通问题已经成为中国各大城市共同面对的难题。交通系统是一个随机性、模糊性和不确定性较强的复杂系统，采用不依赖精确数学模型的模糊控制方法设计交通控制系统，能较好地解决目前城市交通问题。另外可编程序控制器作为自动化系统的重要组成部分，可以较好的实现交通十字路口的模糊控制。基于PLC交通十字路口的模糊控制是以近端传感器和远端传感器记录的车辆数为输入量，以延时时间为输出量，采用离散量化等级的方法表示隶属度函数，最终通过最大隶属度法求取精确的控制量。本设计针对单个十字路通灯，以PLC为核心控制元件，构造合适的模糊控制器，根据实时交通状况决定延时时间，有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。

【关键词】模糊控制；交通灯；可编程序控制器；最大隶属度

随着城市化进程的逐步加快，城市交通问题已经成为中国各大城市共同面对的难题。越来越多的现象表明，城市交通拥挤往往突出表现在城市道路交叉口处，很多平面交叉口的通行能力不足相关路段的平均通行能力的50%。因此，道路资源充分利用与否的关键是交叉口资源的利用，它作为城市交通控制系统的研究，引起了国内外众多研究机构的关注[1]。

传统的十字路通灯控制，通常的做法是事先经过车辆流量的调查，运用统计的方法将两个方向红绿灯的延时预先设置好。然而，实际上车辆流量的变化往往是随机的、模糊的、不确定的，有的路口在不同的时段甚至可能产生很大的差异。即使是经过长期运行，仍然会发生这样的现象：绿灯方向几乎没有什么车辆，而红灯方向却排着长队等候通过。这种流量变化的偶然性是无法建立准确模型的，统计的方法已不能适应迅猛发展的交通现状，更为现实的需求是有一种能够根据实时交通状况决定信号周期的系统。

为此，采用不依赖精确数学模型的模糊控制方法设计交通灯控制系统，能较好解决以上问题[2]。另外随着众多高科技技术在日常生活的普遍应用，城市空中各种电磁干扰日益严重，为保证交通控制的可靠、稳定，选择能够在恶劣的电磁干扰环境下正常工作的PLC是必要的[3]。

1.交通十字路口模糊控制器设计

十字路通流分为东、西、南、北四个方向，每个方向的近端和远端分别设置了传感器，分别统计经过近端传感器的车辆数和经过远端传感器的车辆数。为了简化运算，可将东西方向合并为一组，南北合并为一组，分别取两个方向中的最大值作为其传感器的输入值，并可将其看成东西方向的关键车流和南北方向的关键车流，具体设置如图1所示。

1.1 模糊控制器结构设计

本文根据控制系统的要求，采用多变量模糊控制系统，将近端传感器记录的车辆数和远端传感器记录的车辆数，两个变量作为模糊控制器的输入变量，将延时时间作为输出量。结构设计如图2所示。

1.2 输入、输出变量模糊化

为实现模糊控制，在设计时将系统的绿灯时间分为三部分：一部分是采样时间（取15秒）；一部分是闪烁时间（取5秒）；最后一部分是模糊决策的延时时间（由实时交通状况决定）。车辆在绿灯期间通过路口的速度不超过20km/h，则15秒内通过近端传感器的车辆约为15辆。远端传感器设在距离近端传感器100米处较恰当，那么远端传感器记录的车辆数最多为20辆。模糊决策输出的延时时间，根据实际取36秒比较合适[4]。

对近端传感器记录的车辆数、远端记录的车辆数及延时时间的模糊子集、语言变量、论域定义如下：

近端传感器记录的车辆数的模糊集合A为{很少，少，中等，多，很多}，设定其相应的语言变量为{NB，NS，O，PS，PB}，其论域X为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

远端传感器记录的车辆数的模糊集合B为{很少，少，中等，多，很多}，设定其相应的语言变量为{NB，NS，O，PS，PB}，其论域Y为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

延时时间的模糊集合C为{很短，短，适中，长，很长}，设定其相应的语言变量为{NB，NS，O，PS，PB}。其论域Z为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

将输入、输出精确量转换到[-6，6]区间，结果如表1，表2，表3所示。

1.3 建立模糊控制规则

本文在设计时是根据实际经验及有关知识，建立模糊控制规则表，如表4所示。

1.4 模糊推理算法及模糊控制表的建立

根据模糊控制规则的得到的控制量仍是模糊量，还要经过模糊判决即模糊决策，将模糊量转化为精确量，这一过程称为清晰化，又称为去模糊化[5]。本文采用最大隶属度法，将控制量由模糊量变为精确量。

然后将计算好的控制量制成如表5所示的控制表，并存储在CPU的存储区的变量存储区V中[6]。

2.交通十字路口PLC模糊控制系统设计

2.1 系统设计方案

根据交通灯的控制规律，结合模糊控制思想，设计其控制时序图，如图3所示。

2.2 硬件设计

根据系统设计方案，将系统硬件连线图设计为如图4所示，Q0.0为东西红灯，Q0.1为东西绿灯，Q0.2为东西黄灯，Q1.0为南北绿灯，Q1.1为南北黄灯，Q1.2为南北红灯。输入端的1M，输出端的1M，2M全部接地。1L+，2L+全部接24V电源。

由于没有实际传感器输入，所以在硬件设计时，另外设置了四个输入按钮，通过输入按钮产生的脉冲个数，模拟近端传感器和远端传感器记录的车辆数。

3.总结

本文以PLC为核心控制元件，构造合适的模糊控制器，根据相关经验确定隶属度函数、模糊控制语言值，建立模糊控制规则，采用最大隶属度法解模糊，使用较简便的模糊控制查询表，实现交通灯延时时间的输出。

本系统在设计时最明显的特点是设计方法和思路简单易懂，但是忽略了一些次要因素，导致系统控制不是十分的准确和完美。所以，系统在有些地方还需改进，通过不断完善设计，才会使系统在运行环境中更加可靠与稳定。

参考文献

[1]罗秀云，蒲云.我国城市交通发展的研究与思考[J].铁道运输与经济，2004，26（7）：1003-1421.

[2]邓宜阳.用PLC实现十字路通灯的模糊控制[J].成都大学学报：自然科学版，2001.

[3]李艳杰，于艳秋等.S7-200 PLC原理与实用开发指南[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]丁金婷.基于PLC的交通十字路口模糊控制[J].仪器仪表学报，2006（S3）.

[5]Holmblad，I.P.and Ostergaard，J.J Fuzzy Logic Contorl： Operator Experience Applied In Automatic Process Control，FLS Review，45（1981）：11-16.

[6]李敬兆，张崇巍.基于PLC直接查表式实现的模糊控制器研究[J].电工技术杂志，2001.

[7]高钦和.PLC应用开发案例精选（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2008.

作者简介：章喆（1983—），男，湖北襄阳人，大学本科，助理工程师，现供职于国电长源荆门热电厂，研究方向：自动化。