[论文解读] Real-Time Traffic Signal Control for Modern Roundabouts by Using Particle Swarm Optimization-Based Fuzzy Controller

Yue‐Jiao Gong, Jun Zhang|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2014

Traffic control and management参考文献 7被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于粒子群优化（PSO）的两层模糊逻辑控制器，用于现代环形交叉口的实时交通信号控制。外层根据实时交通紧迫性选择最紧急的相位组合，内层则利用优化后的隶属函数动态延长当前相位时长，与以往方法相比，仿真结果显著提升了交通效率并减少了拥堵。

ABSTRACT

Due to that the existing traffic facilities can hardly be extended, developing traffic signal control methods is the most important way to improve the traffic efficiency of modern roundabouts. This paper proposes a novel traffic signal controller with two fuzzy layers for signalizing the roundabout. The outer layer of the controller computes urgency degrees of all the phase subsets and then activates the most urgent subset. This mechanism helps to instantly respond to the current traffic condition of the roundabout so as to improve real-timeness. The inner layer of the controller computes extension time of the current phase. If the extension value is larger than a threshold value, the current phase is maintained; otherwise the next phase in the running phase subset (selected by the outer layer) is activated. The inner layer adopts well-designed phase sequences, which helps to smooth the traffic flows and to avoid traffic jam. In general, the proposed traffic signal controller is capable of improving real-timeness as well as reducing traffic congestion. Moreover, an offline particle swarm optimization (PSO) algorithm is developed to optimize the membership functions adopted in the proposed controller. By using optimal membership functions, the performance of the controller can be further improved. Simulation results demonstrate that the proposed controller outperforms previous traffic signal controllers in terms of improving the traffic efficiency of modern roundabouts.

研究动机与目标

• 为解决现有交通信号控制方法在现代环形交叉口因基础设施扩展受限而导致的效率低下问题。
• 开发一种实时响应的信号控制系统，能够即时适应交通状况的变化。
• 通过采用优化隶属函数的两层模糊逻辑控制器，改善交通流并减少拥堵。
• 利用离线粒子群优化（PSO）对模糊控制器性能进行精细调优。
• 通过基于仿真的性能评估，验证所提控制器相较于现有方法的优越性。

提出的方法

• 控制器采用两层模糊逻辑架构：外层计算所有相位组合的紧迫度，以实时选择最紧急的组合。
• 内层根据交通状况确定当前相位的延长时长，并通过阈值判断是否继续当前相位或切换至下一相位。
• 内层的相位序列经过精心设计，以确保交通流顺畅并防止拥堵。
• 采用粒子群优化（PSO）在离线阶段对模糊控制器的隶属函数进行优化，以提升性能。
• 系统根据实时交通紧迫性与延长逻辑，动态维持或切换相位，从而增强响应能力。
• 控制器将实时决策与预优化参数相结合，实现响应速度与稳定性的平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 两层模糊逻辑控制器能否提升环形交叉口交通信号控制的实时响应能力？
• RQ2 PSO优化的隶属函数集成对模糊交通控制器性能有何影响？
• RQ3 与现有方法相比，所提控制器在多大程度上减少了拥堵并提升了交通效率？
• RQ4 基于紧迫性与流量状况的动态相位延长机制能否有效防止环形交叉口出现交通堵塞？
• RQ5 内层采用优化相位序列是否能提升交通流的平稳性与系统稳定性？

主要发现

• 所提出的PSO优化模糊控制器在仿真实验中显著优于以往的交通信号控制器，有效降低了平均延误与排队长度。
• 两层结构使系统能够更快响应交通状况变化，提升了实时适应能力。
• 通过PSO对隶属函数进行优化，显著提升了交通效率并减少了拥堵。
• 动态相位延长机制有效平衡了信号配时，减少了不必要的相位切换。
• 在高流量场景下，控制器保持稳定运行，同时实现了更平稳的交通流与更少的瓶颈。
• 仿真结果证实，所提方法显著提升了环形交叉口整体通行能力并减少了行程时间。