一、引言
 
    交通信號控制系統(tǒng)是一個非線性的復(fù)雜巨系統(tǒng)。因此，像SCOOT和SCAT系統(tǒng)那樣以精確的數(shù)學(xué)模型或預(yù)設(shè)方案為基礎(chǔ)進(jìn)行交通信號控制有時效果不盡如人意。而交通信號控制又直接影響著整個交通系統(tǒng)的運行。所以國內(nèi)外學(xué)者都紛紛采用各種方法來優(yōu)化交通信號控制方案。本文提出一種將模糊控制與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的自組織學(xué)習(xí)方法對單個交叉路口的交通信號進(jìn)行實時控制。
 
    模糊控制的特長在于能夠充分利用學(xué)科領(lǐng)域的知識，能以一定的規(guī)則數(shù)來表達(dá)知識具有邏輯推理能力，在技能處理上比較擅長。模糊技術(shù)不僅能處理精確信息，也能處理模糊信息或其它不明確信息，能實現(xiàn)精確性聯(lián)想及映射。其缺點是完全依賴專家制定的大量控制規(guī)則，不具備學(xué)習(xí)功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性描述、大規(guī)模并行分布處理能力及高度魯棒性和學(xué)習(xí)與聯(lián)想等特點，適用于非線性時變大系統(tǒng)的模擬與在線控制。它在認(rèn)知處理、模式識別方面有很強的優(yōu)勢。主要缺點是結(jié)構(gòu)難以確定，訓(xùn)練樣本要求多且準(zhǔn)確，訓(xùn)練周期長，而且不能提供一個明確的用于網(wǎng)絡(luò)知識表達(dá)的框架。
 
    模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是為發(fā)揮各自的優(yōu)勢把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制進(jìn)行有機結(jié)合。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行模糊信息處理，可使得模糊規(guī)則的自動提取及模糊隸屬函數(shù)的自動生成成為可能。從而，克服神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以確定以及模糊控制無自學(xué)習(xí)能力的缺點，使模糊系統(tǒng)成為一種自適應(yīng)的模糊系統(tǒng)。
 
    二、模糊控制策略
 
    模糊控制策略是模糊控制的核心。本文結(jié)合專家經(jīng)驗和計算機仿真，對單個交叉路口采用如下模糊控制策略。
 
    對單個交叉路口而言，當(dāng)交通需求較小時，信號周期應(yīng)短些。但一般不能少于P×15秒（P為相位數(shù)）以免某一方向的綠燈時間小于15秒使車輛來不及通過路口影響交通安全。當(dāng)交通需求較大時，信號周期應(yīng)長些。但一般不能超過120秒，否則某一方向的紅燈時間將超過60秒，駕駛員心理上不能忍受。當(dāng)交通需求很小時，一般按最小周期運行；當(dāng)交通需求很大時，只能按最大周期控制。此時，車輛堵塞現(xiàn)象已不可避免。根據(jù)專家經(jīng)驗和計算機仿真，單個交叉路口的模糊控制算法可描述為：

     ①步驟1 從相位ｉ開始，分別指定各相位的最大綠燈時間 ；

     ②步驟2 先給該相位以最短綠燈時間， ＝ΔＧ＝15秒；

     ③步驟3 在ΔＧ內(nèi)測得放行車道上的交通需求，設(shè)其為 ；

     ④步驟4 若 小于某一給定的值ｒ或累積綠燈時間 ，則將綠燈轉(zhuǎn)到下一相位，回到步驟2，否則繼續(xù)；

     ⑤步驟５　根據(jù) 值的大小來確定綠燈延長時間ΔG，若 小，則少量延長綠燈時間，若 大，則大量延長綠燈時間。由此建立模糊控制規(guī)則。設(shè)延長的綠燈時間為ΔG，若 ，則 ；否則該相位的綠燈時間為 ，回到步驟3。

     算法中的交通需求用交叉口停止線前的排隊長度即停止線前相隔一定距離（通常為80至100ｍ）的兩檢測器之間的車輛數(shù)來表示。然后，用下述方法建立模糊控制規(guī)則。將測得的隊長l可看作模糊變量 ，其論域為：Ｌ＝｛1，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21｝，取7個語言值： （很長）， （長）， （較長）， （中等）， （較短）， （短）， （很短）。綠燈追加時間ΔＧ同樣看作模糊變量 ，其論域為：G＝｛3，7，11，15，19，23，27，31，35｝，取7個語言值： （很多）， （多）， （較多）， （適中）， （較少）， （少）， （很少）。根據(jù)專家的控制經(jīng)驗一般可總結(jié)出下列７條控制規(guī)則，若 ，則 ，i=1,…,7。根據(jù)模糊理論可知，一個完整語言控制策略是由很多不同的語言控制策略所組成的。由7條語言控制策略可組成單輸入單輸出語言控制策略，每條控制策略可用模糊關(guān)系矩陣表示。
 
    三、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
 
    1．模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    本文的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為四層，用 、 表示第 （ =1，2，3，4）層第 個結(jié)點的輸入輸出。

     ①輸入層：n個結(jié)點，輸入式為 ，表示單個交叉路口各個方向的排隊長度；輸出式為 ， 。

     ②模糊化層：mn個結(jié)點分為n組，輸入輸出為 ， ， 。其中 是模糊化層成員函數(shù)， ， 分別為Gaussian函數(shù) 的中心和寬度。
 
    ③去模糊化層：m個結(jié)點，每個結(jié)點輸入輸出為 ， ，j=1，2，…，m；i=1，2，…，n。
 
    ④輸出層：1個結(jié)點，輸入輸出式為 ，其中 表示第三層第j個結(jié)點到輸出層結(jié)點的耦合權(quán)值， 是單個交叉路口某一方向下一周期的綠燈延長時間ΔＧ。

    2．模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法

    模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)函數(shù)為 ，式中 是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實際輸出的單個交叉路口某一方向下一周期的綠燈延長時間， 是綜合專家經(jīng)驗和計算機仿真得出的最佳綠燈延長時間。 
 
    四、仿真實驗
 
    本次仿真實驗所采用的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如下：
  
    顯然，輸入層結(jié)點數(shù)n選取12。利用廣義交互驗證法確定m=4。權(quán)值 隨迭代而更新并且一般是收斂的，但若其初始值太大會使網(wǎng)絡(luò)很快飽和。另外，初值對收斂速度也有影響，故選取 初始值為0。一般 ， 的初值只要不是過大，對網(wǎng)絡(luò)整體性能的影響不大，通常可選在（-0.05,0.05），故取 為0， 為0.01。學(xué)習(xí)率 若選得太小會使網(wǎng)絡(luò)參數(shù)修改量過小，收斂緩慢。若選得太大雖可加快學(xué)習(xí)速度，但可能導(dǎo)致在穩(wěn)定點附近的持續(xù)振蕩難以收斂。目前理論上還沒有確定學(xué)習(xí)率的方法，只能通過試探來選取。經(jīng)過多次試探取 ＝0.025， ＝0.0015較合適。
 
    本次仿真實驗選取北京市成府路和學(xué)院路的交叉口作為仿真實驗對象來校驗?zāi)：窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。把從北京市交管局獲得的2004年1月1日至2004年3月31日該路口的線圈檢測數(shù)據(jù)作為校驗數(shù)據(jù)。在Paramics微觀仿真平臺中建立該路口的仿真模型。選取前10天的數(shù)據(jù)，并利用專家經(jīng)驗和計算機仿真得出的最佳配時方案對模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。然后，把實測數(shù)據(jù)和由模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實時生成的配時方案輸入仿真模型進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果表明，采用該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成的信號配時方案，仿真模型中交叉路口的平均排隊長度比實際減少12％。
 
    五、結(jié)論
 
    交通信號控制系統(tǒng)是一個非線性的復(fù)雜巨系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法進(jìn)行優(yōu)化有時效果很不理想。而模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在優(yōu)化此類系統(tǒng)方面有其獨特的優(yōu)勢。本文利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線滾動生成單個交叉路口的信號配時方案。仿真實驗結(jié)果表明該模型是有效的。在接下來進(jìn)一步的研究中，筆者將利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)交通信號的線控和面控。