Beschreibung
Verkehrsabhängige Steuerung von Verkehrs-Lichtsignalanlagen mit Hilfe von Fuzzy-Logik
Die Erfindung bezieht sich auf eine verkehrsabhängige Steue¬ rung von Verkehrs-Lichtsignalanlagen mit Hilfe von Fuzzy- Logik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Steuerung von Lichtsignalanlagen für den Straßenverkehr in Abhängigkeit vom Verkehrsaufkommen ist seit langem bekannt und üblich. Dabei wird häufig die Grünzeit bemessen, d.h. ei¬ ne bedarfsgerechte Anpassung der Freigabezeit ermittelt. Da¬ bei wurde zur verkehrsabhängigen Freigabezeitanpassung vor- wiegend mit Zeitlücken und Belegungsgraden in den Zufahrten zu den Knotenpunkten gearbeitet. Dazu wurden feste Schwell- werte definiert. Das Über- bzw. Unterschreiten dieser Schwellwerte, oder auch Kombinationen dieser Eingangsgrößen, führt zum Abschalten oder Verlängern des laufenden Ver- kehrsstroms. Bei der Freigabezeitanpassung mittels Zeitlük- kenmessung werden über einen Detektor in der Knotenpunk zu¬ fahrt die zeitlichen Abstände aufeinanderfolgender Fahrzeuge eines Fahrzeugstroms als Zeitlücke gemessen. Die Freigabezeit wird nach Ablauf der gewählten minimalen Freigabezeit oder nach Erreichen eines frühesten Zeitpunktes im Umlauf dem ak¬ tuellen Bedarf der zufließenden Fahrzeuge angepaßt. Die Frei- gabezeit kann so lange verlängert werden, bis die gemessene Zeitlücke mindestens so groß ist wie ein vorgegebener Zeit- lückenschwellwert oder bis die längste festgelegte Freigabe- zeit oder der späteste Verlängerungszeitpunkt im Signalumlauf erreicht wird.
Bei der Freigabezeitanpassung mittels Belegungsgradmessung werden ebenfalls Schwellwerte für den Abbruch der Freigabe¬ zeit definiert. Die Auswertung der Meßwerte erfolgt getrennt für jeden Fahrstreifen. Der Originalbelegungsgrad wird mit Hilfe eines Ausgleichsverfahrens geglättet. Gegebenenfalls wird je ein Ausgleichsfaktor für ansteigende und abfallende Tendenzen der Originalwerte verwendet .
Bei dem Grünzeitbemessungsverfahren SAEWA, wie es im Grün- licht, Ausgabe 25, S. 4-9, beschrieben ist, wird der Ausla¬ stungsgrad einer laufenden Signalgruppe mit dem Auslastungs- grad einer feindlichen, auf Rot stehenden Signalgruppe ver¬ glichen.
Bei der Volume-Density-Method wird die Anzahl der vor Rot stehenden Fahrzeuge mit den Zeitlücken im laufenden Verkehr verglichen. Dabei wird eine Grenzwertkurve definiert, die ei¬ ner festen Anzahl wartender Fahrzeuge einen Festzeitlücken- wert zuweist, bis zu dem die laufende Freigabezeit noch ver- längert wird.
Die Grünzeitbemessung nach Dringlichkeit ist eine Erweiterung der Volume-Density-Method. Die Anzahl der vor Rot stehenden Fahrzeuge wird mit den Zeitlücken und zusätzlich mit der Be- legung im laufenden Verkehr verglichen. Auch hier werden Schwellwerte verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei verkehrsabhängigen Lichtsi¬ gnalSteuerungen eine bedarfsgerechte Anpassung der Freigabe- zeit, d.h. eine Grünzeitbemessung, und die Auswahl der näch¬ sten Phase zu ermöglichen mit dem Ziel, die Qualität des Ver-
kehrsablaufs zu erhöhen. Im Fall einer Signalgruppensteuerung der Lichtsignalanlage sollen Schaltempfehlungen ermittelt werden, um die Signalgruppen zu beeinflussen, d.h. diejenigen
Signalgruppen zu ermitteln, welche aus- bzw. einzuschalten sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An¬ spruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen verkehrsabhängigen Steuerung wird mit Hilfe von Fuzzy-Logik der aktuelle Verkehrszustand beur¬ teilt. Nach Abwägung der unterschiedlichen Interessenslagen der konkurrierenden Verkehrsströme wird eine Entscheidung über den Abbruch oder die Verlängerung der aktuellen Phase und eine Auswahl der nächsten Phase getroffen, jedoch in Ab¬ hängigkeit von den gegebenen Möglichkeiten durch den aktuel¬ len Signal- /Rahmenplan. Bisher wurden bei allen bekannten Verfahren harte, d.h. eindeutig definierte Schwellwerte zu¬ grundegelegt. Der Einsatz von Fuzzy-Logik im Bereich der Kno- tenpunktsteuerung ermöglicht es nun, diese harten Schwellwer¬ te durch gleitende Übergänge zu ersetzen. Dadurch ist eine wesentlich differenziertere Betrachtung der Eingangswerte möglich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß es nun mög¬ lich ist, in übersichtlicher Form mehrere Eingangsgrößen mit- einander zu verknüpfen. Dazu ist die Fuzzy-Steuerung mehrstu¬ fig mit einer Reihe von Verarbeitungsmodulen aufgebaut . In einer ersten Stufe werden in einer Beobachtungsebene Module zur Aufbereitung der Eingangswerte (Datenbank-Modul) und zur Verkehrszustandsklassifikation ein weiterer Modul verwendet . Mit den hierdurch aufbereiteten Werten werden die benötigten Grünzeiten in einem Grünzeitbedarf-Modul für die einzelnen
Signalgruppen und eine Signalgruppengewichtung m einem Si- gnalgruppengewichtungs-Modul berechnet. Anhand der Signal¬ gruppengewichtungen werden in einer dritten Stufe für die Verwendung in Phasensteuerungen Phasengewichtungen berechnet und Empfehlungen über Verlängerung, Abbruch oder Einschalten von Phasen erzeugt. Dazu ist in der Steuerungsebene der Pha¬ senaktualisierungsmodul vorgesehen. Für die Verwendung in Si- gnalgruppensteuerung werden Empfehlungen zur Verlängerung und zum Abbruch oder Einschalten von Signalgruppen erzeugt. Dazu ist ein Signalgruppenaktualisierungs-Modul vorgesehen. Dies erfolgt im Rahmen des Signalplanes, der mittels eines Signal- /Rahmenplan-Anpassungs-Moduls entsprechend angepaßt wird.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die Zeichnung. Dabei zeigen Figur 1 schematisch das erfindungsgemäße Prinzip, Figur 2 einen Aufbau des Grünzeitbedarf-Moduls, Figur 3 einen Ausschnitt aus der Regelbasis 1 und Figur 4 Fuzzy-Sets der Eingangsgrößenbelegung.
Die erfindungsgemäße verkehrsabhängige Lichtsignalsteuerung mit Fuzzy-Logik ist modular aufgebaut und besteht aus zwei Ebenen, wie es in der Figur 1 gezeigt ist. Links ist sche a- tisch die Datenverarbeitung des Steuergeräts DVSG mit dem Be¬ triebssystem BS und mit dem Steuerungsverfahren SV, welches eine Phasensteuerung oder eine Signalgruppensteuerung sein kann, angedeutet. Rechts ist die Fuzzy-Steuerung FS mit den einzelnen Modulen schematisch dargestellt. Mit dem Betriebs- System BS des Steuergerätes werden in (1) die Detektorrohda¬ ten erfaßt und vorverarbeitet. Ferner werden in (2) Informa-
tionen über Signalgruppenzustände erfaßt Des weiteren gehört in (3) dazu, sicherheitsrelevante Überprüfungen vorzunehmen Vom Betriebssystem gehen Eingangsdaten ED an das Steuerver¬ fahren SV, das andeutungsweise mit (4) Überwachungen des of- fentlichen Personennahverkehrs (OPNV) und der „Grünen Welle" berücksichtigt In (5) ist die Überwachung des Signal- /Rahmenplans und der Aufruf der Module angedeutet. Mit (6) ist noch zum Ausdruck gebracht, daß das Steuerverfahren auch Schaltungen von Sonderphasen, Phasentausch oder eventuell Zu- satzmodule, wie sie bei einer lokalen Steuerung nach einem bestimmten Verfahren („MOTION") benützt werden.
Die Fuzzy-Steuerung FS erhält sowohl Detektor- und Signalzu- standsdaten DSD als auch Modulaufrufdaten MAD seitens des Steuergeräts. In der Beobachtungsebene BE der Fuzzy-Steuerung FS befinden sich Module zur Datenerf ssung, Datenaufbereitung und Informationsverdichtung Als Eingangswerte werden vom Steuergerat aufbereitete Detektorwerte und Informationen über den Systemzustand (DSD) verwendet Daraus werden verdichtete, signalgruppenbezogene Informationen VEI erzeugt, die in der Steuerebene verarbeitet werden. Mit Hilfe dieser Informatio¬ nen wird in der Steuerungsebene SE eine Anpassung des Signal- /Rahmenplans für den nächsten Umlauf vorgenommen. In einem weiteren Modul wird eine Empfehlung zum Verlangern oder Ab- schalten der laufenden Phasen-/Signalgruppen erzeugt und die Nummer des nächsten Phasenubergangs bzw. die einzuschaltenden Signalgruppen an das übergeordnete Steuerverfahren SV (z B PDM oder VS-PLUS) ausgegeben. Diese übernehmen neben der eigentlichen Schaltung der Signale (SB) die Überwachung des OPNV und der „Grünen Wellen" (MAD) Es überprüft die Bedingungen im Signal-/Rahmenplan und ruft
bei Bedarf die Module m der Steuerungsebene SΞ der Fuzzy- Steuerung FS auf Diese Module aktivieren die benotigten Mo¬ dule m der Beobachtungsebene BE Das Datenbank-Modul DBM wird zum Beispiel automatisch im Sekundentakt aktualisiert Je nach dem, welches Steuerverfahren verwendet wird, kann entweder das Phasenaktualisierungs-Modul PAM oder das Signal- gruppen-Aktualisierungs-Modul SGAM aufgerufen werden D e Schaltempfehlungen SED der Fuzzy-Module (FS) werden vom Steu¬ erverfahren (SV) in Schaltbefehle SB umgesetzt Das Betriebs- system BS im Steuergerat übernimmt weiterhin die sicherheits- relevanten Überprüfungen (3) Es empfangt die Detektorrohda¬ ten und verarbeitet diese in Zeitlucken, Belegungs- und Zahl¬ werte, usw.
Die Module sind so konzipiert, daß sie unabhängig von einer festgelegten Kreuzungsgeometrie und unabhängig von der In¬ stallation der Detektoren verwendet werden können Bei einer verkehrsabhangigen Steuerung ist selbstverständlich eine ge¬ wisse Grundausstattung an Detektoren vorausgesetzt Die Modu- le werden anhand einer überschaubaren Anzahl von Parametern eingestellt. Normalerweise ist eine Gleichbehandlung aller Signalgruppen vorgesehen. Es können πedoch auch einzelne Si¬ gnalgruppen priorisiert werden, indem die entsprechenden Pa¬ rameter geändert werden. Die Verwendung der Ausgangswerte der Detektoren ist von der Lage der Detektoren abhangig. Dies wird noch naher erläutert Bei der Verwendung von Phasen- Steuerungen wird eine Schaltempfehlung in eine Folgephase ausgegeben, wenn die Gewichtung der laufenden Phase kleiner oder gleich der Gewichtung einer Folgephase ist Bei der Ver- wendung von Signalgruppensteuerung werden die Empfehlungen zum Ein- oder Ausschalten von Signalgruppen erzeugt
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weist die Beobachtungsebene BE im wesentlichen drei Module auf. Im Datenbankmodul DBM werden Eingangswerte (DSD) wie zum Beispiel Belegungsgrad, Zeitlücke, Zählwerte während der Sperrzeit und Zählwerte wäh¬ rend der Freigabezeit signalgruppenbezogen oder ver- kehrsstrombezogen aufbereitet und gespeichert. Mit den Ziel- werten ZW und den Belegungswerten BW aus dieser Datenbank DBM und Zusatzinformationen über die letzte abgeschlossene Zeit- lücke LZ vor Beginn der Sperrzeit und der Zeitdauer AR bis zum Eintreffen des ersten Fahrzeugs nach Beginn der Sperrzeit werden im Grünzeitbedarf-Modul GBM die benötigten Grünzeiten der Signalgruppen für den nächsten Umlauf berechnet. Dazu er¬ folgt eine nähere Erläuterung anhand der Figur 2. Diese Be- rechnung wird einmal, am Ende des Umlaufs vorgenommen. Mit den Informationen über den Grünzeitbedarf GBA der Signalgrup¬ pen für den aktuellen Umlauf, Werten ZW, BW aus der Datenbank DBM, Signalgruppenzuständen und Wartezeiten wird im Signal- gruppen-Gewichtungs-Modul SGGM sekündlich eine Bewertung der Dringlichkeit des Freigabewunsches vorgenommen. Dazu wird für jede Signalgruppe eine Gewichtung berechnet. Je höher das Ge¬ wicht einer Signalgruppe ist, desto größer ist ihr Wunsch, Freigabezeiten zu bekommen. Bei der Erzeugung der Gewichtung wird zwischen Signalgruppen, die freigeschaltet sind, und Si- gnalgruppen, die aktuell gesperrt sind, unterschieden.
Das Grünzeitbedarf-Modul GBM besitzt vier Regelbasen RB1 bis RB4, wie dies in der Figur 2 dargestellt ist. Die Verknüpfung der Eingangswerte ist abhängig vom Signalzustand und der Lage der Detektoren. Während der Grünzeit der Signalgruppen werden
Zähl- und -Belegungswerte ZW, BW ermittelt. Diese Werte wer-
den normiert, fuzzyfiziert und mit Hilfe der Regelbasis RBl zu einem Grünzeitenfaktor GFl verarbeitet.
Im folgenden werden die Figuren 3 und 4 betrachtet. Die Re- geln der in der in Figur 3 dargestellten Regelbasis RBl sind in folgender Form zu lesen:
Regel 1 : wenn die Belegung klein ist und der Zählwert klein ist, dann ist der Grünzeitfaktor sehr klein. Regel 2 : wenn die Belegung mittel ist und der Zählwert klein ist, dann ist der Grünzeitfaktor mittel.
Regel 3. wenn die Belegung klein ist und der Zählwert mittel ist, dann ist der Grünzeitfaktor klein.
Die Terme „sehr klein (VL)"; „klein (LOW)", „mittel (MED)" und „groß (HIGH) " werden als linguistische Beschreibungen der Eingangs- /Ausgangsgrößen bezeichnet und durch Fuzzy-Sets re¬ präsentiert (siehe Figur 4) . In dieser Form läßt sich das Ex¬ pertenwissen relativ leicht und nachvollziehbar in einer Wis- sensbasis (Regelbasis) abbilden.
Mit Hilfe der Fuzzy-Sets (LOW, ED,HIGH) , siehe Figur 4, wird der normierte, „scharfe" Belegungswert für die weitere Verar¬ beitung in der Fuzzy-Steuerung (FS) in eine unscharfe Be¬ schreibungsform umgewandelt. Es wird dabei durch seinen Zuge¬ hörigkeitsgrad (Belief) zu den Fuzzy-Sets beschrieben. Dieser Vorgang wird als Fuzzyfizierung bezeichnet. Die Umwandlung des „unscharfen" Werts am Ausgang der Fuzzy-Steuerung in ei¬ nen Scharfen Wert wird dementsprechend als Defuzzyfizierung bezeichnet.
Der somit ermittelte Grünzeitfaktor GFl wird in einer nach¬ folgenden Stufe über die Regelbasis RB3 mit dem Grünzeitbe-
darf GBA für den aktuellen Umlauf verknüpft. Die resultieren¬ de Ausgangsgröße wird Grünzeitfaktor GF2 genannt. Während der Rotzeit der Signalgruppen werden die verwendeten Eingangsgrö¬ ßen in Abhängigkeit von der Detektorlage ermittelt. Falls nur Detektoren an der Haltelinie vorhanden sind, wird die letzte Zeitlücke LZ vor dem Grünabbruch über die Regelbasis RB2 mit der Zeitdauer bis zum ersten Eintreffen eines Fahrzeugs in "Rot" AR verknüpft. Dieser dadurch ermittelte Rotzeitfaktor RF1 wird ebenfalls in der nachfolgenden Stufe über die Regel- basis RB3 mit dem Grünzeitbedarf GBA für den aktuellen Umlauf verknüpft. Die resultierende Ausgangsgröße wird Rotzeitfaktor RF2 genannt. Falls Detektoren ab ca. 35 m vor der Haltelinie zur Bemessung vorhanden sind, wird die Fahrzeugankunftsrate in „Rot" ARR mit dem Grünzeitbedarf GBA für den aktuellen Um- lauf mit der Regelbasis RB4 verknüpft. Der resultierende Fak¬ tor wird Rotzeitfaktor RF2 genannt. Bei mehrspurigen Fahrbah¬ nen wird jeweils der maximale Grünzeit- bzw. Rotzeitfaktor verwendet.
Die Steuerungsebene SE der Fuzzy-Steuerung FS weist drei Mo¬ dule auf. Im Signal-/Rahmenplan-Anpassungs-Modul SRAM wird anhand des Grünzeitbedarfs der Signalgruppen für den nächsten Umlauf eine Anpassung des Signal-/Rahmenplans für den näch¬ sten Umlauf vorgenommen. Dies geschieht einmal am Ende eines Umlaufs und unter Berücksichtigung von Koordinierungspunkten und Einschränkungen durch den Planer, das übergeordnete Steu¬ erverfahren und unter Berücksichtigung der Struktur des vor¬ gegebenen Signal-/Rahmenplans. Im Signalgruppen- Aktualisierungs-Modul SGAM wird anhand des Signal- /Rahmenplans und der Signalgruppen-Gewichtungen eine Liste der aus- bzw. einzuschaltenden Signalgruppen generiert. Im
Phasenaktualisierungs-Modul PAM werden die Gewichtungen der
Signalgruppen zu Phasengewichtungen verarbeitet und die Num¬ mer des nächsten Phasenübergangs ausgegeben. Bei mehreren möglichen Folgephasen wird die für den Verkehrsablauf optima- le Folgephase ermittelt.
Es wird noch einmal auf Module der Beobachtungsebene BE ein¬ gegangen. Im Datenbank-Modul DBM werden folgende Eingangswer¬ te aufbereitet und verarbeitet: die Summe der Belegzeiten, Fahrzeug-Zählwerte, Zeitlücken, Dauer der Grünzeiten der Si¬ gnalgruppen, Dauer der Rotzeit der Signalgruppen und Signal- zustand. Am Ausgang des Datenbank-Moduls stehen dann folgende Daten zur Verfügung: Fahrzeugankunftsrate in „Rot" (ARR) , Zeitdauer bis zur ersten Anmeldung einer Signalgruppe in „Rot" (AR) , letzte Zeitlücke LZ vor dem Grünabbruch, Zählwer¬ te ZW in Rot, Belegungsgrad (BW) in Grün und Rot und Zeitlük- ken in Grün.
Der Grünzeitbedarf-Modul GBM, der den Grünzeitbedarf der ein- zelnen Signalgruppen ermittelt, wird mit folgenden Eingangs- werten versehen: Belegungswert BW (in Grün) , Zählwert ZW (in Grün) , Zeitlücke ZL vor dem Grünabbruch, Zeitdauer bis zum Eintreffen des ersten Fahrzeugs in „Rot" (AR) , Grünzeitbedarf alt und Ankunftsrate in „Rot". Neben dem berechneten Grünzeitbedarf (GBA) wird die Dauer der Rotzeit berechnet und am Ausgang des Moduls zur Verfügung gestellt.
Mit der hier beschriebenen Erfindung ist es möglich, bei ver¬ kehrsabhängigen Lichtsignalanlagen anwendungsorientiert und nutzbringend eine Verbesserung der konventionellen Technik zu erreichen. Dabei ist eine nahtlose Einbindung der Module der
Fuzzy-Steuerung in die gebräuchliche Technik der Lichtsignal¬ anlagensteuerung möglich.