摘 要

近年来机动车数量的快速增长给城市道路交通带来巨大压力，随之而来的城市交通拥挤及阻塞问题不仅会造成出行者时间的浪费，也带来了相应的经济问题和环境问题。当前城市道路交通信号灯主要采用定时控制方式，这种控制方式无法较好地适应车流量变化较大的交通状况，因此，设计智能控制算法对交通信号实行智能控制具有必要性。

本文研究了一种基于车流量的交通灯智能控制算法，根据道路路口的车辆排队长度对绿灯时间进行智能控制，从而显著降低车辆延误时间。本文设计采用模糊算法作为核心算法实现了排队长度的模糊输入和绿灯时间的模糊决策及输出，并搭建了集成VISSIM、Excel VBA和MATLAB软件的仿真平台进行交通模拟仿真，验证了该交通信号智能控制算法的有效性、智能性和自适应性。

关键词：模糊算法；智能控制；交通信号控制

Abstract

In recent years, the rapid growth of the number of motor vehicles has brought great pressure to the urban road traffic, and the following traffic jam problem will not only cause the waste of travelers' time, but also bring the corresponding economic and environmental problems. At present, the timing control mode is mainly used in urban traffic lights, which cannot adapt to the traffic situation with large variation of traffic flow. Therefore, it is necessary to design intelligent control algorithm to implement intelligent control of traffic signals.

In this paper, a traffic light intelligent control algorithm based on traffic flow is studied, which can control the green time intelligently according to the queue length of vehicles at road intersections, so as to significantly reduce the delay time of vehicles. In this paper, the fuzzy algorithm is used as the core algorithm to realize the fuzzy input of the queue length and the fuzzy decision and output of the green time. A simulation platform integrating VISSIM, Excel VBA and MATLAB software is built for traffic simulation, which verifies the effectiveness, intelligence and adaptability of the intelligent control algorithm of traffic signal.

Key Words：Fuzzy algorithm；Intelligent control；Traffic signal control

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1交通信号控制系统发展概况 1

1.2.2交通灯智能控制算法研究进展 2

1.3本文研究内容 5

第2章 基于模糊算法的交通灯智能控制模型 6

2.1交通信号控制基本理论 6

2.1.1交通相位与控制步伐 6

2.1.2信号时间参数 7

2.1.3交通流参数 8

2.1.4评价参数 8

2.1.5信号定时控制 9

2.1.6信号智能控制 9

2.2模糊算法基本原理 10

2.2.1模糊数学概述 10

2.2.2模糊集合定义与运算 10

2.2.3隶属度函数 11

2.2.4模糊语言与模糊命题 11

2.3交通灯模糊控制模型 12

2.3.1模糊控制基本思想 12

2.3.2输入及其模糊化 13

2.3.3输出及其模糊化 15

2.3.4模糊控制规则 15

2.4本章小结 16

第3章 集成Vissim-Excel VBA-Matlab的仿真平台 17

3.1仿真系统结构及流程 17

3.1.1 仿真系统软件介绍 17

3.1.2仿真系统结构及流程 18

3.2交通路网仿真 19

3.2.1路网模型构建 19

3.2.2车流仿真 20

3.3模糊控制算法实现 22

3.3.1模糊控制系统构建 23

3.3.2模糊控制输入输出关系 24

3.4 仿真主控程序 26

3.4.1程序接口模型与函数 26

3.4.2主控程序设计 27

3.5本章小结 29

第4章 交通灯智能控制算法仿真结果分析 30

4.1仿真运行结果 30

4.2定时控制和智能控制效果对比 33

4.3不同车流量下的自适应性 34

4.4本章小结 35

第5章 结论与展望 36

5.1主要结论 36

5.2展望 36

参考文献 37

附录A MATLAB模糊算法程序代码 39

附录B Excel VBA主控程序代码 42

附B1 仿真基本函数代码 42

附B2 仿真主程序代码 44

附B3 用户界面程序代码 49

致 谢 52

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

根据公安部2020年统计发布的数据显示，2013年以来我国机动车及汽车保有量呈现逐年增长趋势，2019年中国机动车保有量达3.48亿辆，其中汽车保有量达2.6亿辆，同比2018年（扣除报废注销量）增长了8.83%。机动车数量的快速增长给城市道路交通带来了巨大压力，使城市交通拥挤及阻塞问题日益凸显。城市交通问题不仅会造成出行者时间的浪费，也带来了相应的经济问题和环境问题。据统计，在我国人口数量达到百万以上的大型城市中，每年交通拥堵造成的经济损失约1600 亿人民币，约为我国国内生产总值（GDP）的3.2%^[1]。同时，城市交通问题也加重了废气污染、土地资源短缺等环境问题。

为了解决城市交通拥堵问题，我们不仅需要优化城市空间结构、改进交通布局规划和提高人们交通安全意识，还要建立一套完备高效的交通智能控制体系。对于城市道路，交通信号灯在交通疏导中发挥至关重要的作用。目前，我国大多数城市的路口交通信号灯一般采用固定红绿灯时间配比的方式进行控制，这种控制方式是按照通常情况下各车道的稳定车流量大小进行时间设置，比较适合车流量可以预测并且相对稳定的交通区域。但随着城市的建设发展，交通状况日益复杂多变，而且交通的车流量不是一成不变的，时常会出现较大波动。在面对复杂多变的交通状况时，这种定时控制的方式在交通流量出现短暂的大幅度波动变化时不能较好地适应交通状况，可能造成红绿灯时间分配失衡，容易产生严重的交通延误，甚至堵塞，无法有效地发挥道路交通的最大运输能力。