Нечетко-логическая система управления дорожным трафиком

Рассмотрим характерный пример разработки нечеткой системы моделирования транспортного трафика и управления им на перекрестках.

Концентрация транспортных средств на дорогах увеличивается день за днем во всем мире, особенно на больших городских территориях. Из-за этой проблемы пробки на дороге также увеличиваются. Возможное решение этой проблемы — оптимизация управления транспортными потоками с помощью интеллектуальной системы. Нечеткие контроллеры уже используются для многих индустриальных приложений, но для управлений транспортными потоками применяются редко. Использование пакета fuzzyTECH позволяет построить нечеткий контроллер светофора, который способен реализовать сложную функцию разгрузки транспортного узла. Входными данными для такого контроллера должны быть плотность транспортного потока и длина очереди. Они могут быть получены путем обработки изображений от следящих за потоками на перекрестках телекамер. Контроллер должен определить время включения и выключения зеленого, красного и желтого огней светофора согласно фактическим дорожным условиям. База нечетких правил должна формироваться экспертами, которые являются профессиональными регулировщиками транспортных потоков.

Один из вариантов нечеткого контроллера дорожного трафика был описан в работе [17]. В этом параграфе приведен адаптированный для русского читателя вариант такого контроллера и кратко описан процесс его проектирования в среде fuzzyTECH.

При разработке нечеткого контроллера предложено реализовать:

• • регулирование в реальном времени с целью уменьшения времени проезда перекрестка;
• • гибкое управление, основанное на текущих условиях трафика на перекрестке;
• • симуляцию для проверки и анализа эффективности разработанной нечеткой системы.

Были использованы следующие требования к управлению трафиком:

• • должны быть рассмотрены 4 изолированных направления потоков транспорта — с севера, запада, юга и востока;
• • в момент, когда потоки транспорта идут с севера и юга, трафик с востока и запада останавливается;
• • левые и правые повороты исключаются;
• • восточно-западное направление считается главным.

Входными переменными для контроллера являются: количество транспорта на стороне прибытия и количество транспорта в очереди.

Если с севера и юга горит зеленый свет, это сторона прибытия, и в это время восток и запад рассматриваются как сторона очереди, и наоборот. При этом 4 света светофора включаются в четырех последовательностях, причем продолжительность каждого света варьируется от 10 до 130 с в зависимости от величины пробки. Все 4 света светофора управляются по одному алгоритму.

Чтобы начать проектирование, следует вызвать двойным кликом по иконке Fuzzytech5.72 редактор проекта Project Editor. После этого необходимо выбрать File / Fuzzy Design Wizard… (FD VP) в главном меню.

Далее рассмотрим процесс проектирования нечеткого регулятора поэтапно.

1. Для определения нечетких переменных нужно вызвать Create New System и запустить диалог FDW. На рис. 14.9 показано окно диалога с введенными данными по входной переменной Arrival («Прибытие»). Здесь определены имя переменной, диапазон ее изменения, количество и имена термов. Таким же образом можно определить вторую входную переменную Queue («Очередь»), а также выходную переменную Allocated_time («Выделенное время»). После определения всех переменных необходимо открыть диалог FDW для определения метода дефаззификации выходной переменной Define Defuzzification.

Рис. 14.9. Окно для определения нечеткой переменной Arrival.

2. Для того чтобы определить блок правил Rule Base, нужно завершить определение переменных путем клика по [Next] в окне диалога или нажатия Return на клавиатуре. На рис. 14.10 показано окно FDW для определения блока правил, в котором нужно указать число блоков правил (здесь 1), активизировать создание этого блока правил в поле Create rule base и утвердить определение степени поддержки правил пользователем User-defined DoS value. После утвердительного соглашение о генерации специфического проекта в появившемся окне fuzzyTECH Confirm будет выведена структура системы со всеми определенными переменными и их связями (рис. 14.11).

Рис. 14.10. Окно для определения блока правил.

Рис. 14.11. Окно структуры нечеткой системы

3. Двойной клик по блоку любой переменной, представленной в структуре системы, позволит определить функции принадлежности термов переменной. На рис. 14.12 для примера показаны функции принадлежности термов переменной Queue (здесь использованы стандартные функции принадлежности треугольной формы).

Рис. 14.12. Функции принадлежности термов переменной Queue.

4. Как было показано в предыдущем параграфе, ввести нечеткие продукционные правила можно с помощью одного из редакторов правил, либо the Spreadsheet Rule Editor, либо Matrix Editor. На рис. 14.13 показан набор из 25 правил для нечеткого контроллера трафика, где все правила имеют степень поддержки, равную единице. Правила созданы при участии экспертов, которые хорошо представляют процесс светофорного регулирования трафика на перекрестке.

Рис. 14.13. Блок правил для нечеткого контроллера.

5. Для отладки системы необходимо перейти в окно интерактивной отладки путем выбора Debug / Interactive или клика по символу [Interactive] в строке панели инструментов fuzzyTECH. В этом режиме можно специфицировать значения входных переменных, если это нужно. Входные переменные можно изменять, как это нужно для отладки, и видеть их в окне наблюдения, а также наблюдать за изменением значения выходной переменной при установленных значениях входных переменных (рис. 14.14).

В режиме отладки можно также изменять функции принадлежности переменных и степень поддержки каждого из правил (DoS), а также наблюдать за изменением результатов вывода. Так можно в ручном режиме улучшать поведение нечеткой системы.

Рис. 14.14. Окно наблюдений, показывающее все переменные и их значения.

6. Используя окно анализатора Analyzer Window, можно отобразить график анализа/преобразования процесса симуляции работы системы. На рис. 14.15 представлено окно анализатора с графиком симуляции работы нечеткого контроллера светофорного управления трафиком перекрестка.

Рис. 14.15. Окно анализатора.

Итоговое окно анализатора с ЗИ-графиком, показывающим симуляцию процесса нечеткого вывода с двумя входными переменными и одной выходной для нечеткого контроллера светофорного управления трафиком перекрестка, показано на рис. 14.16.

Рис. 14.16. SD-графнк с результатами нечеткого вывода.

Представленная здесь система является достаточно гибкой. Статус переменной Queue можно легко наблюдать, используя обработанные изображения от следящих телекамер. Поскольку нечеткие системы хорошо работают с неопределенностями, эго дает им существенные преимущества по сравнению с традиционными светофорными регуляторами. Предложенный вариант нечеткого контроллера обеспечивает близкое к оптимальному включение и выключение разных огней светофора, что дает возможность снизить время простоя транспорта перед перекрестком даже в сложных погодных условиях и возникающих неожиданно препятствиях при проезде перекрестка.