智慧型運輸系統之道路信息整合應用與號誌控制---子計畫三：智慧運輸系統中以權衡性義務型邏輯為決策基礎之號誌與流量控制(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

智慧型運輸系統之道路信息整合應用與號誌控制--子計畫 三：智慧運輸系統中以權衡性義務型邏輯為決策基礎之號

誌與流量控制(3/3) 研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 整合型

計 畫 編 號 ： NSC 95-2218-E-011-007-

執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電機工程系

計 畫 主 持 人 ： 鍾聖倫

計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理：傅宇

碩士班研究生-兼任助理：頼雯雯、張國澤

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 96 年 11 月 22 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

^成果報告

智慧型運輸系統之道路信息整合應用與號誌控制—

子計畫三：智慧運輸系統中以權衡性義務型邏輯為決策 基礎之號誌與流量控制(3／3)

計畫類別：;個別型計畫

計畫編號：NSC95 – 2218 – E – 011 – 007

執行期間：2006 年 08 月 01 日至 2007 年 07 月 31 日

計畫主持人：鍾聖倫 共同主持人：

計畫參與人員：頼雯雯、傅宇、張國澤

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：;成果報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立臺灣科技大學電機系

中 華 民 國 九 十 六 年 八 月 卅 日

計畫中文摘要

在智慧型運輸系統 (ITS) 的架構裏，透過下層機構所提供：車流與路況等資訊，

改良的交通號誌燈控制能有效改善交通阻塞問題。一般說來，由於號誌燈的控制 涉及縱橫兩向或是多方車行路權爭奪的裁決。據此，本子計劃利用由原本用來塑 模分析相互矛盾資訊「並真邏輯」 (paraconsistent logic) 所衍生「權衡性義務型 邏輯」(EVALP) 作為號誌控制的基礎。此理論的優點是方便探討涉及多重系統 設計規格準則時，如何作出取捨 (trade-off) 性的控制決策。將路權分派塑模為 資源爭奪的問題，本研究提出以權衡性邏輯為基礎的號誌燈控制方法，它能在考 量燈誌切換的上下限的限制，按各奪路權車道上當時的車流量決定路權的分派，

以及分派後持續佔用路權的時間。利用權衡分析圖分定系統出衝突的情況下裁決 的法則，其最後的控制決策可利用附帶變數之有限狀態機模型 (FSMD) 來表 示，並可當作後續直接在像 FPGA 等內嵌式控制平台上實現的依據。本研究就 單一十字路口，以及臨近平交道旁十字路口的號誌燈控制進行分析與設計。除了 搭配由 Java 撰寫的軟體當作模擬, 驗證出本研究所提方案優於固定時間式的交 通號誌控制法則外，由權衡式邏輯所推導的號誌燈控制法則並以 Verilog HDL 實 現在 FPGA 上。

關鍵字：交通號誌燈控制、權衡性邏輯、資源爭奪裁決

計畫英文摘要

In intelligent transportation system (ITS), where real-time information regarding traffic volumes and road condition is available, it is believed that traffic congestion problem can be alleviated if pertinent traffic control strategy is adopted. In general, traffic control problem can be considered as an arbitration decision on contending vehicles vying for right of road, and thus it is a trade-off decision problem for contradicting requirement or desiderata. Formulating the decision problem as a resource contention one, this study proposes a traffic signal control policy which is based on a defeasible logic scheme: Traffic flows at competing lanes are compared as defeasible rules with the access right granted to the one with heavier traffic;

meanwhile, definite rules such as constraint on switching time of signals are also taken into account. With the aid of defeasible graph, conflicts among competing parties are identified, and arbitraged accordingly, which leads to a FMSD modeling of the final control decision. Two cases are studied thoroughly: a single intersection, and an intersection in the vicinity of a railway crossroad. Software simulation coded in Java shows that the proposed approach yields better performance over a fixed-time approach. Controllers that embed the defeasible logic rules are also implemented by Verilog HDL on a FPGA to show its ready implementation. The defeasible logic based control proposed in this paper can be also extended to general resource allocation problems when real-time information regarding competing parties are available for defeasible reasoning.

Keywords: defeasible logic, Traffic signal control, resource contention

壹、 前言

受限於都市寸土寸金的土地資本，想單靠新置的基礎交通建設來改善交通幾乎是 不可能。相對而言，在都會區的智慧型運輸系統 (ITS) 裏，我們能夠透過適當 的交通號誌燈控制有效改善交通阻塞的現況。在降低車輛停留在路上時間的最佳 化問題上，假設智慧型運輸系統的發層機構能提供：車流與路況等資訊的情況 下，我們可以經由考量及控制如下的資訊，改善號誌燈以及相對應交通流量：

． 十字路口南北及東西向不同前行方向車輛的數目；

． 不同車行方向綠色號誌燈秒數的控制；

． 十字路口南北 (東西) 向一個完整號誌週期 (包括綠、黃、紅燈) 的秒 數；

． 相臨幾個十字路口間號誌燈控制的牽動。

貳、 研究目的

本子計劃研究是探討：權衡性邏輯 (defeasible logic) 在智慧運輸系統 (ITS) 中號誌燈控制之理論探討與實務應用，包括：單一十字路口號誌燈及流量控制、

臨近平交道與高速公路匣道之流量控制、以及棋盤式號誌路口流量控制。針對這 三類的號誌及流量控制問題，我們將利用權衡義務邏輯就：系統規格、控制決策 合成、受控後系統分析；驗證問題等問題進行討論。

參、 文獻探討

交通流量的控制[Papageorgiou 98] [Improta 84]，整體來講是要降低駕駛車行 時間。為達此目的，在市區街道或是高速公路所使用到的措施包括：號誌燈控制、

不同時速限制、以及調撥車道等，而其中以號誌燈控制的效果最為直接。在交差 路口號誌燈[Little 66] [Robertson 69] [Little 81]的控制上，大部份工業化 的國家都是使用固定時間 (fixed-time) 的策略，這在交通量大的交差路口能夠 有效避免飽和 (over-saturation) 的問題。幾個固定時間策略相關的控制方

法，包括分段式 (phase-based)、同時考慮在同一路途上的幾個交差路口號誌燈 的協調與控制。

反應交通狀況 (traffic-response) 的策略[Sen 97] [Hunt 82] [Luk 84]

則是利用由導線線圈感應器所量得的即時性車行資料。一般來講，反應交通狀況 的控制策略要比固定時間的策略有效率，但要是交通的狀況趨於飽和，則 traffic response 策略的效率也會跟著降低。反應交通狀況策略的一個比較嚴 重的問題是其求解的計算複雜度是指數型的，這在需要即時性求解時，我們只能 計算單一交通路口的狀況，而無法考慮多重相臨的數個號誌燈系統。

相 較 之 下 ， 特 別 針 對 市 區 路 況 交 通 的 貯 存 前 展 (store-and-forward) [Gazis 63] [Gazis 64] [Gazis 02] [Gazis 64] [Ans 76] [Singh 74]

[Michalopoulos 77a] [Michalopoulos 77b] [Lim 81] [Davison 83] [Park 84]

[Rathi 88] [Kim 92] 的策略就允許即時性的算出多重個交通號誌路口間的有效 最佳解。這個解法的另一個好處是也適用於趨於飽和的交通狀況。對於大型的交 通網路，包括高速公路或是市區道路，store-and-forward 提供一個良好的即時 性整合控制解。

肆、 研究方法

由於號誌燈的控制涉及縱橫兩向或是多方車行路權爭奪的裁決。資訊科學中的並 真邏輯 (paraconsistent logic) 最早是用來塑模及分析相互矛盾的資訊。在此 基礎上，中松和已教授發展出權衡性義務型邏輯 (EVALP)，用來探討涉及多重系 統設計規格準則下，如何作出取捨 (trade-off) 性的控制決策。據此，本子計 劃提議以由原本用來塑模分析相互矛盾資訊「並真邏輯」 (paraconsistent logic) 所衍生「權衡性義務型邏輯」(EVALP) 作為號誌控制的基礎。

權衡性邏輯 (defeasible logic) 大部份的情況皆按傳統 (古典) 邏輯推 論進行。但當特殊情況發生時，則原來傳統邏輯推論即失效，其最主要的問題在 於會出現有相互矛盾 (或衝突) 的推論結果，此時需要特別的處理方式裁決，才 能讓推論唯一存在。這是權衡性邏輯又稱為「附帶廢除條款的邏輯」的原因。廢 除條款即為「除非」的狀況。代表「除非」的狀況可能會有若干個，彼此之間還

有優先順序：順序高的可否決低的推論。

舉例而言，在臨近火車平交道附近的十字路口，以及市區道路進入高速公路 時匣道口的號誌燈，在決定控制決策時，必須分別考量到火車的車行有絕對高的 路權，以及高速公路的主幹道通常比由支道來的車行有更高的優先權。如下圖所 示為臨近一平交道之兩號誌燈口，是位處南港軟體資訊園區與中研院間的交通組 態，其由南港路與研究路交錯的十字路口，鐵路縱貫線的平交道，以及由研究路 口和忠孝東路所組成的 T 字路口所組成。平交道的號誌燈控制取決於鐵路縱貫線 上是否有火車正要或正在穿越。假設此時，平交道上的號誌燈對穿越研究院路的 車是紅燈，也就是柵欄是放下的。則考慮研究院路與忠孝東路 T 字路口的號誌燈 控制：因為在研究院路上，不會有由西向東的車行，而由東向西的車在什交道口，

也會被柵欄擋下，所以對 T 字路口的號誌燈切換，最有效的應該是由研究院路轉 向忠孝東路的左轉燈，與由忠孝東路右轉至研究院路的右轉燈的切換。另一方 面，考慮在南港路邊的十字路口號誌燈控制：除了原有南北向的通行號誌燈、南 北各左右轉至西向道路，以及西向來車進入南北向可被允許外，讓東西向直行的 號誌燈就不應該被允許，否則只會造成路口被阻塞不前的車流佔住，不能淨空，

而影響到局部的交通。

圖 1: 臨近平交道的號誌燈組態

類似的情況，適用於與高速公路匣道相臨的號誌燈組態的號誌燈控制。整體來

說，臨近平交道與高速公路匣道的號誌燈控制仍然屬於衝突雙方爭奪裁決的問 題，只是這時的雙方初始設定的優先順序不一樣。

本研究參照日本中松和己教授相關的研究，其探討的研究背景與第三章中的 相同，亦為單一十字路口平交道的交通號誌控制。本研究除了針對[1]中所提到 的交通情況再提出另一套解決及真正可實行的方案，如上圖所示外，繼續深入討 論更複雜的交通號誌燈問題，如臨近平交道的交通號誌控制。理論共分為三大部 分：(1) 權衡性邏輯；(2) 權衡性邏輯圖；(3) FSMD；本研究使用 Java 程式語 言模擬以驗證本理論的可行性及潛在的優勢。最後依 FSMD 圖以 Verilog HDL 實 作出 IC 電路，以達到可實際控制交通號誌。

這套理論基礎包含較一般性的理論－權衡性邏輯並配合圖形化的解說－權 衡性邏輯圖及用 FSMD 分析出的結果來實作成軟體模擬。期使讀者能在這三個階 段中，不但由權衡性邏輯中有全面性的交通控制想法外，另能經由權衡性邏輯圖 方法清楚地了解到交通控制問題的全面性檢視，知道那幾種情況是矛盾的，且由 優先權的不同而解決這些矛盾，最後再由 FSMD 的特性－同一時間只有一個狀態 會成立，來讓結果唯一，順利達到疏解車流的目的。由上一章的驗證及實作模擬 結果都證明本研究的交通號誌控制優於目前的交通號誌控制器，可較快解決交通 擁塞的情況。而其他的資源分配問題也可依照本方法來加以解決。

伍、結論與討論

本計劃完整的結果，請參考本計劃研究助理頼雯雯小姐之碩士論文 [2]：頼雯 雯、以權衡性邏輯為基礎的交通號誌燈控制系統設計，台灣科技大學、九十五年。

其中，在此學位論文中，第三章中塑模單一十字路口的交通號誌燈控制系統；在 第五章中，應用第三章最後的塑模結果來加以驗證及實現。第四章則將塑模的方 法作擴張，在第三章所探討的情形中再加入臨近平交道的考量，使塑模的範圍更 擴大，但在塑模流程不變的情形下，仍能對更複雜的狀況作探討及塑模。

本研究參照日本中松和己教授相關的研究，其探討的研究背景與第三章中的 相同，亦為單一十字路口平交道的交通號誌控制。[1]的標題分別為：簡介、

EVALPSN、EVALPSN 於交通號誌上的控制、模擬與結論；先根據交通狀況來作控

制原則的推演，最後再作驗證。然而，本研究與中松教授的研究最主要的差別在 於：

(1) 塑模的方式：[1] 採用 EVALPSN 理論來塑模，共需 116 (4 29× ) 個式子才 能完整表達。本研究的理論共分為三大部分：

權衡性邏輯－詳述各規則間的優先權關係。

權衡性邏輯圖－以圖形表達的方式來探討單一時相中各種可能的交通狀況。

FSM 與 FSMD－以圖形表達的方式來控討所有時相間的關係。

(2) 條列規則優先順序的方法：[1]並未一開始便對其所有的規則作說明或判定 其優先權的順序，而是在遇到的矛盾的交通狀況時才訂定優先順序，雖然解 決了矛盾，但未說明這些優先順序的緣由，容易使人疑惑。但本研究則在塑 模的一開始便對所有的規則作探討，並排定其優先順序，接著探討所有的交 通狀況，且依據這些規則的優先順序來系統性地解決這些矛盾。

(3) 應用範圍的擴充性：本研究在第三章針對單一十字路口的交通號誌控制系統 探討完整的塑模流程後，接著在第四章中再加入臨近平交道的考量，但[1]

並未再作探討。

(4) 立即實現的便利性：本研究在 2.4 節中探討到如何將 FSMD 圖轉成實際電路 的方法，並於 5.2 節中實現單一十字路口的交通號誌控制器，可直接用於現 行的道路控制上。[1]中則缺少這些類似的描述。

計劃成果自評

本計劃執行進度與原申請書的研究內容及進度大致相符。本研究最主要的貢獻是 將燈號控制塑模成資源分派的控制問題。由於參與競奪資源的競爭者彼此的目的 彼此衝突，整個資源分配的問題可視為不同權重考量下的推論問題。權衡性邏輯 最大好處是可以對彼此衝突的目的與需求進行優先順序的排序，並當作依據在衝 突發生時，進行裁決。我們作的結果可用有限狀態機塑模，也方便軟硬體的實現，

這對以布林邏輯為基礎的順序流程而言，我們覺得這以權衡性邏輯為基礎的控制 方法是比較好的。目前正在整理就下列的主題投稿：

- 以權衡性邏輯為基礎的交通號誌燈控制系統設計：單一十字路口號誌燈 控制

- 以權衡性邏輯為基礎的交通號誌燈控制系統設計：臨近十字路口之號誌 燈控制

- 以權衡性邏輯為基礎的資源爭奪分配問題

未來仍可改良的地方有：

(1) 本研究依據路口獨立的特性，將各路口分別獨立探討，其目的是為了簡化計 算及方便討論。未來我們可將鄰近的路口再納入討論以比較其優劣點及疏解 交通擁塞的成效。本研究僅考慮獨立十字路口的狀況，未來可將鄰近的數個 路口號誌燈的整體決策納入研究，希冀得到區域性道路使用效率的最佳化。

(2) 本研究雖實現了電子電路並驗證其功能性，但未實際應用於一般的道路上，

此為另一未來的研究方向，以再次驗證此交通號誌燈控制的實用性。本研究 僅就 FPGA 控制器作模擬驗證，未來應在實際路段，配接相關車流量感測器 後、作實地效率評估，驗證此以權衡性邏輯為基礎之交通號誌燈控制的實用 性。

(3) 本研究針對交通路口所作的路權資源分配分析，也可推廣至一般多重競爭者 之廣義資源分配問題。本研究僅討論交通號誌燈的資源分配問題，未來將可 再由其他的資源分配問題來作探討。

(4) 本研究所提到的交通號誌燈變化仿照[1]，不僅將黃燈的時間合併於上一燈 號，也不考慮實際的路口上會出現同時為紅燈的情況。未來若要更精確地地 考慮控制效率時，此為另一討論要點。

(5) 本研究完整地敘述解決複雜問題的流程，且以簡化後的交通號誌控制為例，

而模擬中的車流行為模式亦為簡單化後的情形，故未來將車流的行為模式作 更複雜的數學運算將是另一個與實際交通情況更吻合的考量要點。即本研究 僅驗證固定車潮之疏導效率，未來可就各車道的隨機車流進行排隊理論之相 關分析與模擬驗證。

伍、參考文獻

[1] K. Nakamatsu, T. Seno, J. M. Abe, and A. Suzuki, “Intelligent Real-time Traffic Signal Control Based on a Paraconsistent Logic Program EVALPSN,” Rough Sets, Fuzzy Sets, Data Mining, and Granular Computing: 9th International Conference, vol.2693/2003, pp.719-723, 26-29 May

2003.K. Nakamatsu, T. Seno, J. M. Abe, and A. Suzuki, “Intelligent Real-time Traffic Signal Control Based on a Paraconsistent Logic Program EVALPSN,” Rough Sets, Fuzzy Sets.

[2] 頼雯雯、以權衡性邏輯為基礎的交通號誌燈控制系統設計，台灣科技大學、

電機研究所學位論文，九十五年。