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1、 南京理工大学交通工程4概述123模糊控制基础模糊控制器设计单点信号模糊控制南京理工大学交通工程单点智能控制 交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，因此其数学模型的建立非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法来描述，经典控制方法很难取得满意的控制效果。计算机技术、网络技术、信息技术和智能控制技术的日臻完善促进了城市交通控制技术的发展。计算机的出现和广泛应用促成了人工智能技术研究的热潮。智能技术由于具有良好的非线性逼近能力，不依赖精确的数学模型，能模仿人的思维等突出优点，因而吸引了很多研究者试图利用智能计算的手段来寻求交通控制的解决方案。近年来，针对传统交通控制系统的固有缺陷和局限
2、性，国内外学者把人工智能中的专家系统、人工神经网络、模糊系统、智能算法等实用技术相继推出并应用到交通工程领域。南京理工大学交通工程单点智能控制 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，专家系统技术在一些交通控制系统中被用来监视、跟踪、分析、解释和处理阻塞问题，或用于相位结构的调整与左转相位的选择等。2.人工神经网络人工神经网络具有良好的非线性逼近能力，并具有自适应、自组织和学习的功能，被广泛应用于模式识别、数据分析与处理等工程领域。近年来，国内外学者就人工神经网络技术在道路交通控制领域
3、的应用进行了较为深入的研究，这些工作主要包括基于人工神经网络的交通流预测、阻塞识别和路线导航系统对司机选线的影响模型、以交通流最优化为目标的交叉路口的自学习动态适应性控制系统、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研究等。南京理工大学交通工程单点智能控制 3.模糊控制模糊逻辑与模糊推理是一种处理不确定性和非线性等复杂问题的有力工具，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。模糊控制被认为是城市道路交通智能控制最有发展前景的研究方向，国内外学者从不同的角度进行研究，建立了各种性能的交通模糊控制算法与模型，应用于干线和区域交通模糊控制。4.智能算法在解决实时交
4、通控制系统中的模型设计与计算问题时，可以通过智能算法进行全局搜索，确定控制参数，有效避免可能由此引起的交通方案组合爆炸现象。南京理工大学交通工程单点智能控制 智能控制为解决交通控制问题带来了新的希望。智能控制是一种具有学习、抽象、推理、决策等功能，并能根据环境的变化作出恰当适应性反应的控制技术。模糊逻辑用于城市交通系统的控制，给城市交通控制的研究带来了希望。由于模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，适用于非线性、时变及滞后系统得控制。在众多的智能交通控制方法中，基于模糊逻辑的城市交通信号控制占有特别重要的地位。模糊控制能够模拟人的思维，控制方式直观简单，不需被控对象的精确数学模型，避免了求
5、解算法复杂、难以实现实时性的难题，为城市单路口交通信号控制提供了一条切实可行的途径。 南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 模糊性总是伴随复杂性而出现的，复杂性意味着因素的多样性，联系的多样性。事物的普通联系造成了事物的复杂性和模糊性。模糊性也起源于事物的发展变化性，变化性就是不确定性。过渡阶段的事物表现为从属于到不属于的变化过程的渐进性。日常生活中的成年人、青年人、高个子、冷与热等等都是一些不分明的模糊的概念，对这样的概念，传统的集合论显得无能为力， 1965年美国控制论专家L.A.Zadeh首次提出模糊集合的概念，引入了“隶属函数”来描述差异的中介过度开始为研究模糊性规律提供数学规律
6、。 南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 经典集合论中任意一个元素与任意一个集合之间的关系，只是“属于”或“不属于”两种，两者必居其一而且只居其一。它描述的是有明确分界线的元素的组合。U=u|u为自然数且1u5南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 但是，对于诸如“速度的快慢”、“年龄的大小”、“温度的高低”等模糊概念。经典集合对事物只用“1”、“0”简单地表示“属于”或“不属于”的分类；而模糊集合则用“隶属度(Degree of membership)”来描述元素的隶属程度，隶属度是0到1之间连续变化的值，没有明确的界限。0 15 25 40冷热(T)1.0舒 适 温 度 C0 1
7、5 25 40(T)1.0冷热舒适 温度C经典集合：14.99C属于“冷”；15.01 C属于舒适。与人的感觉一致吗？南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 定义：设X是论域，X上的一个实值函数用 来表示，即对于 ， 称为x对模糊集合A的隶属度（x隶属于A的程度），而 称为隶属函数。南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 18成年人（模 糊集合）正式法定年龄 （普通集合）年龄x南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 例：设A是远大于0的实数集合（显然A是模糊集合，而论域X表示全部实数集合），X中任一元素x隶属模糊集合A的隶属度A (x)可由下式来定义：A (x)=0 x 0 x05
8、 10 200.2 0.5 0.8X0,1A (x)南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 设X1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10，以A表示“小的数”，则A表示为：向量表示法：序偶表示法：Zadeh表示法：南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 模糊集合是用隶属度函数描述的。隶属度函数是模糊集合的特征函数（取值范围在0,1区间）由于模糊集理论的研究对象具有”模糊性”和经验性,因此找到一种统一的隶属度计算方法是不现实的。确定隶属度函数的方法具有主观性，但主观的反映和客观的存在有一定的联系，是受客观制约的。南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 确定隶属度函数应遵
9、守的基本原则：（1）表示隶属度函数的模糊集合必须是凸模糊集合南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 确定隶属度函数应遵守的基本原则：（2）变量所取隶属度函数通常是对称和平衡的203050709500.20.40.60.81速度Degree of membership适中低高5100很低很高南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 确定隶属度函数应遵守的基本原则：（3）隶属度函数要符合人们的语言顺序，避免不恰当的重叠速度南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 隶属度函数确立的方法：（1）模糊统计法：论域U上的一个确定的元素v0是否属于一个可变动的清晰集合A*作出清晰的判断。（2）例证法
10、：从有限个隶属度值，来估计U上的模糊集A 的隶属度函数（3）专家经验法：根据专家的经验对每一现象产生的各种结果的可能性程度，来决定其隶属度函数。（4）二元对比排序法：通过对多个事物之间的两两对比，来确定某种特征下的顺序，由此来决定这些事物对该特征的隶属函数的大体形状南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 隶属度函数确立的方法：（1）模糊统计法基本思想：论域U上的一个确定的元素v0是否属于一个可变动的清晰集合A*作出清晰的判断。对于不同的实验者，清晰集合A*可以有不同的边界。但它们都对应于同一个模糊集A。年轻人17-30岁20-35岁模糊集A 清晰集A1*清晰集A2*所有人论 域 Xv0南京
11、理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 例：用模糊统计法确定27岁的人属于“青年人”模糊集合的隶属度。调查统计结果如下：182517301728182516351425183018351835162515301835173518251825183520301830163020351830183015251830152816281830183016301835182518251628183016301628183518351727162815281630192815301526172515361830173018351635152515251828163015281835183017281835
12、152818301525152518301624152516321527183516251828162818301835183018301730183018351630183517251530182517301425182618291835182818301825163517291825173016281830162815301535153020302030162517301530183016301828183516301530183518351830173016351730152518351530152515301830172518291828南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 由调
13、查统计结果可知，共调查统计129次，其中27岁的人属于“青年人”这个边界可变的普通集合的次数为101次。根据模糊统计规律计算隶属度为：由表可分别计算出1535岁的人属于模糊集合“青年人”的隶属度，计算结果如下表： 年龄隶属次数隶属度年龄隶属次数隶属度年龄隶属次数隶属度15270.2122129129800.6216510.3923129130770.6017670.5224129131270.21181240.96251280.9932270.21191250.97261030.8033260.20201291271010.7834260.2021129128990.7735250.19南京理
14、工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 根据计算结果，以年龄为横坐标，隶属度为纵坐标，绘出隶属函数曲线如图所示。年龄（岁）1520253035隶属度10南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 所求隶属函数曲线与降半哥西型函数曲线较相似，降半哥西型隶属函数为：修改降半哥西型隶属函数参数，使其函数曲线与所求隶属函数曲线非常接近。此时取=1/25，a=24.5，=2。参数修改后的降半哥西型函数即为模糊集合“青年人”的隶属函数。即：南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 （4）二元对比排序法二元对比排序法分为：相对比较法、对比平均法、优先关系定序法、相似优先对比法。相对比较法：论域U中元素v1,
15、 v2, vn ，要对论域中的元素按某种特征进行排序，首先，在二元对比中建立比较等级，然后用一定的方法进行总体排序，以获得各元素对于该特性的隶属函数。南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 设论域U中的一对元素(v1, v2)， 在v1和v2的二元对比中，v1具有某特征的程度用gv2(v1)表示，v2具有某特征的程度用gv1(v2)表示。且满足： 0 gv2(v1) 1 、 0 gv1(v2) 1 令：且定义g(vi /vj ) =1，当i=j时。 以g(vi /vj ) (i , j=1,2)为元素构造相及矩阵G:南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 推广： n个元素 的相及矩阵G: 对矩阵G的每一行取最小值，然后按大小排序，可得各元素对某特征的隶属函数。南京理工大学交通工程单点感应控制-模糊控制 例： 设论域U= v1,v2,v3,v0,其中v1表示长子，v2表示次子，v3表示三子，v0表示父亲。长子和次子相对来说，与父亲的相似程度：长子：0.8 次子：0.5次子和三子相对来说，与父亲的相似程度：次子：0.4 三子：0.7长子和三子相对来说，与父亲的相似程度：长子：0.5 次子：0.3求儿子与父亲相似的隶属度函数。解：二元对比关
