【优化控制】基于遗传算法实现红绿灯优化管理附matlab代码

简介: 【优化控制】基于遗传算法实现红绿灯优化管理附matlab代码

1 内容介绍

城市交通拥堵阻碍城市发展:(1)减少市民可用于工作时间;(2)造成环境污染;(3)难以应变道路紧急情况.特种车辆在城市中执行紧急任务时,由于现阶段灯控系统未能对其做出区分,无法动态引导特种车辆到路口之间的交通流,并在其到达路口时设置绿灯,造成特种车辆通行过程中常常遇到阻碍.红绿灯作为城市交通管理的工具,根据感知到的路口周边车辆调整红灯时间和绿灯时间,可以优化交通控制,解决路口交通拥堵以及实现特种车辆执行紧急任务时一路"绿灯"畅行.对于灯控路口拥堵问题的研究.

2 仿真代码

%% Starting point, clear everything in matlab

tic;

clear all;

close all;

clc;


%% Problem Formulation


FitnessFunction=@(C,g,x,c) TDi(C,g,x,c);     % FitnessFunction


nLights=4;                                   % Number of Traffic Lights

nIntersections=1;                            % Number of Intersections (static as 1 intersection)


VarSize=[1 nIntersections*nLights];          % Decision Chromosome genes based on number of Intersections


greenMin= 10;                                % Lower bound of GREEN LIGHT

greenMax= 60;                                % Upper bound of GREEN LIGHT

Cyclemin=60;                                 % Lower bound of CYCLE

Cyclemax=180 ;

RoadcapacityNSWE=[20,20,20,20];              % Road Capacity for NSWE respectivelly

CarsNSWE=[20,20,11,17];

RoadCongestion1NSWE=RoadcapacityNSWE-CarsNSWE;              % congestion according to free road spaces

RoadCongestionNSWE=RoadCongestion1NSWE./RoadcapacityNSWE;   %  Volume/Capacity RATIO

carpass=5;

%% Genetic Algorithm Parameters


MaxIt=25;                                  % Maximum Number of Iterations


nPop=400;                                     % Population Size


pc=0.5;                                      % Crossover Percentage

nc=2*round(pc*nPop/2);                       % Number of Offsprings (parents)


pm=0.02;                                      % Mutation Percentage

nm=round(pm*nPop);                           % Number of Mutants

mu=0.1;                                      % Mutation Rate

 

pinv=0.2;

ninv=round(pinv*nPop);


beta=8;                                      % Selection Pressure

 

%% Initialization


% Individual Structure

empty_individual.GreenNSWE=[];

empty_individual.TotalDelay=[];


% Population Structure

pop=repmat(empty_individual,nPop,1);


% Initialize Population

i=1;

current_cycle=160-12; %estw kiklos 160 seconds - 12 seconds gia ;


disp(['FIRST Population..........Best TotalDelay = ' num2str(BestDelay)]);

   fprintf('\n')

   disp('Green Timings in seconds:');

   disp(['  North Green time = ' num2str(BestSol.GreenNSWE(1))]);

   fprintf('\n')

   disp(['  South Green time = ' num2str(BestSol.GreenNSWE(2))]);

   fprintf('\n')

   disp(['  West Green time = ' num2str(BestSol.GreenNSWE(3))]);

   fprintf('\n')

   disp(['  East Green time = ' num2str(BestSol.GreenNSWE(4))]);

   fprintf('\n')


%% Loop For Number of Iterations

count=0;

for it=1:MaxIt

 

   % TERMINATION CRITERIA IF NEEDED

%     if(it>2)

%         if(BestDelay(it-1)==BestDelay(it-2))

%             count=count+1;

%         else

%         count=0;

%         end

%     end

%     if(count>5)

%         disp('5 Generations without evolution. Process Stopped !');

%         break;

%     end


   % Calculate Selection Probabilities

   P=exp(-beta*TotalDelay/WorstDelay);

   P=P/sum(P);


   %% Crossover

   popc=repmat(empty_individual,nc/2,2);

   k=1;

   while k<=nc/2

       

       % Select Parents Indices from roulette wheel

       i1=RouletteWheelSelection(P);

       i2=RouletteWheelSelection(P);

             

       % Select Parents

       p1=pop(i1);

       p2=pop(i2);

 

       popc(k,1).GreenNSWE=p1.GreenNSWE;

       popc(k,2).GreenNSWE=p2.GreenNSWE;

       popc(k,1).TotalDelay=p1.TotalDelay;

       popc(k,2).TotalDelay=p2.TotalDelay;

       % Select random crossover point

       i=randi([1 3]);

       

       % crossover randomness

        if(i==1)

             

               popc1=popc(k,1).GreenNSWE(2);

               popc(k,1).GreenNSWE(2)= popc(k,2).GreenNSWE(2);

               popc(k,2).GreenNSWE(2)=popc1;

           

               popc1=popc(k,1).GreenNSWE(3);

               popc(k,1).GreenNSWE(3)= popc(k,2).GreenNSWE(3);

               popc(k,2).GreenNSWE(3)=popc1;

       

               popc1=popc(k,1).GreenNSWE(4);

               popc(k,1).GreenNSWE(4)= popc(k,2).GreenNSWE(4);

               popc(k,2).GreenNSWE(4)=popc1;  

       elseif(i==2)

   

               popc1=popc(k,1).GreenNSWE(3);

               popc(k,1).GreenNSWE(3)= popc(k,2).GreenNSWE(3);

               popc(k,2).GreenNSWE(3)=popc1;

       

               popc1=popc(k,1).GreenNSWE(4);

               popc(k,1).GreenNSWE(4)= popc(k,2).GreenNSWE(4);

               popc(k,2).GreenNSWE(4)=popc1;  

        else

           

               popc1=popc(k,1).GreenNSWE(4);

               popc(k,1).GreenNSWE(4)= popc(k,2).GreenNSWE(4);

               popc(k,2).GreenNSWE(4)=popc1;

       end

       

       % check if new green times are out constraints 10-60s. If it is

       % get it to closer min or max

       popc(k,1).GreenNSWE=max(popc(k,1).GreenNSWE,greenMin);

       popc(k,1).GreenNSWE=min(popc(k,1).GreenNSWE,greenMax);

       popc(k,2).GreenNSWE=max(popc(k,2).GreenNSWE,greenMin);

       popc(k,2).GreenNSWE=min(popc(k,2).GreenNSWE,greenMax);

       

       if(sum(popc(k,1).GreenNSWE)>current_cycle || sum(popc(k,2).GreenNSWE)>current_cycle)

           continue;

       end

       

       % Evaluate Generated Offsprings for each traffic light according to

       % the corresponding traffic congestion

       for j=1:nLights

           popc(k,1).TotalDelay(j)=FitnessFunction(current_cycle, popc(k,1).GreenNSWE(j), RoadCongestionNSWE(j),RoadcapacityNSWE(j));

           popc(k,2).TotalDelay(j)=FitnessFunction(current_cycle, popc(k,2).GreenNSWE(j), RoadCongestionNSWE(j),RoadcapacityNSWE(j));

       end

       

       % TOTAL DELAY which correspongs to the summation of of 4 lights quotients

       popc(k,1).TotalDelay= real(sum(popc(k,1).TotalDelay));

       popc(k,2).TotalDelay= real(sum(popc(k,2).TotalDelay));    


       k=k+1; %step

   end

   

   % Make 2 rows 1

   popc=popc(:);

   % Sort popc matrix according to TotalDelay

   TotalDelay=[popc.TotalDelay];

   [TotalDelay, SortOrder]=sort(TotalDelay);

   popc=popc(SortOrder);

   

   %% Mutation

   % Create empty Matrix with length the number of mutants

   popm=repmat(empty_individual,nm,1);

   k=1;

   while k<=nm


       % Select Parent population

       i=randi([1 nPop]); %nPop value 100

       p=pop(i);

       

       % Apply Mutation  

       nVar=4;

       nmu=ceil(mu*nVar);


       j=randi([1 nVar]);

       prosimo=randi([-1 1]);

       sigma=prosimo*0.02*(greenMax-greenMin);

       

       mutated=p.GreenNSWE(j)+sigma;

       

       popm(k).GreenNSWE = p.GreenNSWE;

       popm(k).GreenNSWE(j)=mutated;

       

       popm(k).GreenNSWE=max(popm(k).GreenNSWE,greenMin);

       popm(k).GreenNSWE=min(popm(k).GreenNSWE,greenMax);

       

       if(sum(popm(k).GreenNSWE)>current_cycle)

           continue;

       end

       

       for j=1:nLights

           % Evaluate Mutant

           popm(k).TotalDelay(j)=FitnessFunction(current_cycle, popm(k).GreenNSWE(j), RoadCongestionNSWE(j),RoadcapacityNSWE(j));

       end

       % Summation of delay quotients

       popm(k).TotalDelay=real(sum(popm(k).TotalDelay));

     

       k=k+1; %step

   end

   

   

   %% INVERSION

   % Create empty Matrix

   popinv=repmat(empty_individual,nm,1);

   k=1;

   while k<=ninv

       

       % Select Parent population

       i=randi([1 nPop]);

       p=pop(i);

       

       % Apply Inversion

       

       nVar=numel(p.GreenNSWE);

       randomgene1=randi([1 4]);

       randomgene2=randi([1 4]);


       y=p.GreenNSWE;


       popinv(k).GreenNSWE=y;

       x=popinv(k).GreenNSWE(randomgene1);

       popinv(k).GreenNSWE(randomgene1)=popinv(k).GreenNSWE(randomgene2);      

       popinv(k).GreenNSWE(randomgene2)=x;

       popinv(k).GreenNSWE=max(popinv(k).GreenNSWE,greenMin);

       popinv(k).GreenNSWE=min(popinv(k).GreenNSWE,greenMax);


       if(sum(popinv(k).GreenNSWE)>current_cycle)

           continue;

       end

       

       for j=1:nLights

           % Evaluate Mutant

           popinv(k).TotalDelay(j)=FitnessFunction(current_cycle, popinv(k).GreenNSWE(j), RoadCongestionNSWE(j),RoadcapacityNSWE(j));

       end

       % Summation of delay quotients

       popinv(k).TotalDelay=real(sum(popinv(k).TotalDelay));

             

       k=k+1;

   end

   % Make 2 rows 1

   popinv=popinv(:);

   %% Merge Population


   pop=[pop

       popc

       popm

       popinv]; %#ok

   

   % Sort New Population according to TotalDelay

   TotalDelay=[pop.TotalDelay];

   [TotalDelay, SortOrder]=sort(TotalDelay);

   pop=pop(SortOrder);

   

   % Update Worst Cost

   WorstDelay=max(WorstDelay,pop(end).TotalDelay);

   

   % Keep the Best Population from the given number

   pop=pop(1:nPop);

   TotalDelay=TotalDelay(1:nPop);

   

   % Store Best Solution Ever Found

   BestSol=pop(1);

   

   % Store Best Cost Ever Found

   BestDelay(it)=BestSol.TotalDelay;

   

       % Show Iteration Information

   disp(['                   Iteration ' num2str(it) ': Best TotalDelay = ' num2str(BestDelay(it))]);

   fprintf('\n')

   disp('Green Timings:');

   fprintf('\n')

   disp(['  North Green time = ' num2str(BestSol.GreenNSWE(1))'' ' seconds']);

   fprintf('\n')

   disp(['  South Green time = ' num2str(BestSol.GreenNSWE(2))'' ' seconds']);

   fprintf('\n')

   disp(['  West Green time = ' num2str(BestSol.GreenNSWE(3))'' ' seconds']);

   fprintf('\n')

   disp(['  East Green time = ' num2str(BestSol.GreenNSWE(4))'' ' seconds']);

   fprintf('\n')

   %end of generation

   

end

   disp(' ****************************************************************' );

   disp('  CASE: Every 5 seconds 2 vehicles leaves the corresponding road ' );

   disp('  Expected vehicles left through North road' );

   disp(round(2*BestSol.GreenNSWE(1)/carpass));

   disp('  Expected vehicles left through South road' );

   disp(round(2*BestSol.GreenNSWE(2)/carpass));

   disp('  Expected vehicles left through West road' );

   disp(round(2*BestSol.GreenNSWE(3)/carpass));

   disp('  Expected vehicles left through East road' );

   disp(round(2*BestSol.GreenNSWE(4)/carpass));

   fprintf('\n')

   disp(' ****************************************************************' );


disp(['Cycle Time = ' num2str(current_cycle)'' ' seconds']);

%% Results / Plots

figure(1);

semilogy(BestDelay,'LineWidth',2);

% plot(BestCost,'LineWidth',2);

xlabel('Iteration');

ylabel('Total Delay');

grid on;

toc

3 运行结果

4 参考文献

[1]赵功勋, 郭海滨, 苏利. 基于遗传算法的工程项目资源均衡优化及其MATLAB实现[J]. 工程经济, 2016, 26(12):6.

[2]叶文斌. 基于红绿灯优化城市交通控制设计与仿真[D]. 华东师范大学, 2015.

博主简介:擅长智能优化算法、神经网络预测、信号处理、元胞自动机、图像处理、路径规划、无人机等多种领域的Matlab仿真,相关matlab代码问题可私信交流。

部分理论引用网络文献,若有侵权联系博主删除。


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