模糊邏輯控制在交通號誌上應用

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Controller；FLC）已成功地應用於許多自動控 制系統，如家電產品、列車控制、水質控制、核反應器控制、汽車傳動控制等。

目前應用於交通運輸方面的文獻較少，本節主要以 FLC 在號誌控制上的應用為主，

對既有文獻作回顧與整理。

Favilla et al.（1993）研究提出含有適應性策略的模糊交通控制器。輸入變 數為綠燈方向的抵達車輛數（Arrival）與紅燈方向的停等車輛數（Queue），而控 制變數為綠燈延長時間（Extension）。而所謂的適應性策略主要有二：統計適應

（Statistical-Adaptive）與模糊適應（Fuzzy-Adaptive）。統計適應的方法為每 十秒記錄各個方向車道抵達車數，經過 18 個週期後計算各個方向車輛數的平均值 與標準差，以此資料調整輸入變數之隸屬函數。模糊適應是導入另一個模糊控制 來 校 正 控 制 變 數 的 隸 屬 函 數 ， 其 輸 入 變 數 為 綠 燈 時 相 結 束 時 殘 留 的 等 候 數

（Residual-Queue）與綠燈期間等候的變化情形（Queue-Variation），控制變數 為綠燈延長時間隸屬函數中的上限值變化量（u.l. Variation）。實例應用方面使 採用巴西聖保羅的六向交叉路口，其中包含兩個單行道。績效評估指標為平均延 誤（Average Delay），另外也採用平均等候長度與控制變數隸屬函數上限變化來 顯示不同策略的控制結果。平均而言，模糊適應績效優於其他策略，且適用於複 雜路口。

Hoyer and Jumar（1994）建立一個適用於雙向多時相號誌控制，並加入轉向 車流因素之模糊邏輯控制器。共有 10 個輸入變數與兩個輸出變數，邏輯規則數有 72 條。採用九種情境對三個連續但不連鎖的號誌路口模擬，與其他四種控制器比

較，包括觸動式、簡單模糊控制、線上適應式 ADONIS、四時相控制，主要的績效 評估指標為總損失時間（Average Lost of Travel Time）。模擬結果本研究的控 制器在各種情境下皆表現出色，尤其在高流量情況，而某些情境 ADONIS 表現較佳。

Kaur et al.（1994）設計一套模糊邏輯控制的交通號誌系統，用於雙車道、

簡單雙時相十字路口。輸入變數考慮的是總週期長度（Cycle Time）、紅燈方向車 輛數與綠燈方向車輛數；控制變數則設定為時相變換的機率。數入變數等級設置 為 6、5、5，共有潛在 150 條邏輯規則，經過軟體合併修正後減少為 86 條規則，

以矩陣型態表示。依交通流量大小分呈七種情境測試，績效評估指標為總通過車 輛數與平均停等時間（Average Waiting Time）。模擬結果與一般預設時制式做比 較，在流量較高時通過車輛數多了 31％，平均停等時間少 5％；在流量較低時，

通過車輛數多了 14％，平均停等時間少 14％。

Jerabek and Lachiver（1995）將模糊邏輯控制應用於三車道之十字路口，在 12 個車道上皆裝有偵測器。首先將 12 個車道依照轉向分為 4 組，輸入變數則為四 組中每組車流密度（Density）最大值。控制變數為綠燈時相延長時間之增減。狀 態變數與控制變數皆各分為三等級，共 81 條潛在規則，經過交通專家設定，減為 27 條規則。因為原本控制變數僅設定為增加、減少與不變，經過一系列測試後發 現，短暫的流量驟變會造成決策錯誤。故後來將輸出變數改為六等級，允許微幅 的綠燈時相增減，邏輯規則數則變為 33 條。

Sayers et al.（1996）以實用的角度提出一個將模糊邏輯控制整合到交通回 復式號誌控制上。模糊邏輯控制主要應用在兩個方面：交通狀態的分析與因應目 前交通狀態的控制決策。模糊邏輯控制器需要兩個量測資料值：號誌群(Signal Group)需要的綠燈時間以及權重，主要目的在調整其綠燈時間。研究中並將每個 偵測器蒐集到的資料分為三個規則庫處理：綠燈方向、紅燈方向停止線近端偵測 器、紅燈方向遠端偵測器。最重要的是，文中提出一個實務上的議題，也就是此 控制器必須能簡單的與安全的讓操作者適當修改其參數值以滿足真正實務上的需 求與限制。

Kim（1997）將模糊邏輯控制系統應用於一個三車道，具左轉保護時相的號誌 化交叉十字路口。其採用的輸入狀態變數為流量(Volume)、目前綠燈時相方向之 抵達車數(Arrival)與目前紅燈方向之等候車數(Queue)；輸出變數為綠燈延長時 間。首先依流量分為低、中、高各設定 7、9、7 條邏輯規則，再依目前抵達與等 候車數做模糊邏輯控制。其隸屬函數為預設之三角形隸屬函數。設定四種車流狀 態 模 擬 ， 以 通 過 的 車 輛 數 、 平 均 延 誤 (Average Delay) 與 飽 和 度 (Degree of Saturation)做為評估標準。模擬結果在高容量的情況下，FLC 有較佳的績效。

Beauchamp- Báez et al.（1997）主要研究一個多時相獨立號誌化路口，由交 通系統使用的模糊邏輯控制器（Fuzzy Logic Controller for Traffic Systems；

FLC-TS）負責評估變換時相迫切性，再由時相控制器（Phase Sequencer；PS）決 定接下來的時相。且發展一套軟體名為 Traffic Signal Control （TSC）來模擬 獨立號誌路口交通狀況，並比較定時制、FLC-TS 與 PS+FLC-TS 之控制績效。FLC-TS 有三個輸入變數：綠燈後之停等長度、紅燈後之停等長度與週期長度；而控制變 數為時相變化的強度（Degree of Change）。其中共設定有 26 條邏輯規則。PS 的 輸入變數則為紅燈後的停等長度與自從上次 PS 變動時相時獲選後所經過的時間

（Unattended Maneuver Time），也就是時相多久沒被使用；而輸出變數為時相優 先程度（Degree of Priority）。PS 共有 12 條規則。模擬結果 PS+FLC-TC 在通過 車輛數與延誤上都優於 FLC-TS，而此兩者接較預設時制控制績效佳。

Taskin and Gumustas（1997）之研究中，輸入變數有三：紅燈時平均交通密 度、綠燈時平均交通密度與週期長度；控制變數則為時相改變的強度。隸屬函數 等級皆為三，輸入變數之隸屬函數型態皆為三角形，推論規則數為 18。輸出變數 雖分為三等級：低、中、高，但最後要轉成一個二元變數，即是否改變時相。實 例驗證結果發現 FLC 可以各種不同流量情況下，表現出相當好的績效。

Lin et al.（1997）設計一個模糊邏輯控制器，應用於雙向、各三車道十字路 口，具左轉保護時相。主要目的是要建立一個依照目前交通狀況線上及時更新的 適應性號誌控制器。分為兩階段：第一階段利用 Webster（1985）理論，對預估流 量作號誌時制最佳化；第二階段使用模糊邏輯系統，輸入變數為車輛停等數與交 通流率，控制變數為此交通狀況下最佳時相設計；採用中心平均法解模糊化

（Center Average Defuzzifier），與鍾型隸屬函數。作者認為這樣的系統可以解 決與當時線上控制系統連結上的困難。

Trabia et al.（1999）設定一個具左轉專用道與專用號誌之四時相十字路口，

以二階段模糊邏輯控制方式進行控制。第一階段輸入變數為綠燈方向抵達車輛數 最大值與紅燈方向停等車輛數最大值，輸出變數為綠燈車流強度（Green Traffic Intensity）；再設定紅燈方向最大停等數為紅燈車流強度。以這兩個變數為輸入 變數進行第二階段模糊邏輯控制，決定綠燈是否要延長。兩階段各有 16 條邏輯規 則，而績效評估指標為平均延誤與停等百分比。模擬結果與觸動號誌控制比較，

平均延誤 FLC 低了 9.54％；而停等百分比也低了 1.29％。

Könönen and Niittymäki（2000）的研究主要在介紹兩種交通控制上使用的模 糊控制系統：模糊時相選擇器（Fuzzy Phase Selector；FPS）與模糊綠燈延長器

（Fuzzy Green Extender；FGE）。FPS 主要目的是要是當得選擇下一個時相，其輸

入變數為時相的權重，控制變數為決定採用哪一個時相；FGE 的主要目的是要最大 化路口的容量，輸入變數為綠燈方向抵達車輛數與紅燈方向停等車輛數，控制變 數為延長綠燈。第二個重點是作者提出穩定性分析（Stability Analysis）方法，

目標是當輸入值有些微變化時，控制變數的變化量也不大。

Niittymäki et al.（2001）自瑞典的車輛觸動 LHOVRA 方法發展一套模糊控制 系統 ITCARI（Isolated Traffic Control at Arterial Road Intersections）。 ITCARI 控制包含了 LHOVRA 中四個函數：H（主幹道優先）、O（減少意外）、V（黃 燈時間變數）、R（清道時間變數）。採多層模糊號誌控制系統，其決策流程為：分 析交通狀況、選擇下個時相與綠燈結束時間（H）、時相延長決策（O、V、R）。應 用一四方向多時相十字路口，以 HUTSIM 軟體模擬，與傳統車輛觸動控制比較，在 飽和度（Degree of Saturation）低於約 0.6 時 ITCARI 在平均延誤上表現較佳。

而與 LHOVRA 與基本模糊邏輯控制比較，在主幹道上平均延誤上，ITCARI 在高流量 時表現較佳；次要道路上則 ITCARI 各種流量情況皆有較低的平均延誤。

隸屬函數

Lachiver

O 綠燈時間延長 三角形 六級