[發(fā)明專利]基于Phillips宏觀交通流模型的FPGA在線預(yù)測控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210315633.2
• 申請日: 2012-08-30
• 公開（公告）號: CN102842222A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史忠科;劉通
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G08G1/00
• 分類號: G08G1/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種基于Phillips宏觀交通流模型的FPGA在線預(yù)測控制方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)Phillips模型：

∂ρ∂t+∂(ρv)∂x=π[r(x,t),s(x,t)]∂v∂t+v∂v∂x=λ(ρ)[Ve(ρ)-v]-1ρ∂P∂ρ·∂ρ∂xλ(ρ)=3ρ0υ1(ρ0-ρ)/2nρP=ρ∫0∞(u-v)2f(u)du]]>

式中，ρ為車輛的平均密度、u為車輛速度、v為車輛平均速度、t為時間，x為與仿真道路起始點的距離，π[r(x，t)，s(x，t)]為由于匝口進入或駛出的車流量引起的密度變化率函數(shù)，r(x，t)為由匝口進入的車流量，s(x，t)=s₀(x，t)+s_q(x，t)為由匝口駛出的車流量，S₀(x，t)為由匝口駛出的正常車流量、S_q(x，t)為信息顯示牌強制駛出車輛造成的流量增量，V_e(ρ)為等價速度，P=P(ρ，v)，是ρ，v分布的方差之積，類似于氣體動力學(xué)中的壓力，稱之為交通壓力，ρ₀是車輛的堵塞密度，υ₁是由實驗決定的比例常數(shù)，n代表車道數(shù)，f(u，x，t)表示x地點在t時刻車輛速度為u的概率；

用差分格式表示微分項并略去高階項，得到：

∂ρ∂t=ρ(x,t+ξ)-ρ(x,t)ξ+o(ξ)=ρik+1-ρikξ]]>

∂ρ∂x=ρ(x+h,t)-ρ(x,t)h+o(h)=ρi+1k-ρikh]]>

∂v∂t=v(x,t+ξ)-v(x,t)ξ+o(ξ)=vik+1-vikξ]]>

∂v∂x=v(x+h,t)-v(x,t)h+o(h)=vi+1k-vikh]]>

式中，ξ為t的微分，h為x的微分，o(ξ)為ξ的高階無窮小，o(h)為h的高階無窮小，ρ(x，t)為t時刻x處車輛的平均密度，v(x，t)為t時刻x處車輛的平均速度，把道路分成多個路段，每個路段長度為h，采樣周期為ξ，為第i個路段在[kξ，(k+1)ξ]內(nèi)車輛的平均密度，為第i個路段在[kξ，(k+1)ξ]內(nèi)車輛的平均速度；

得到Phillips模型的差分形式為：

ρik+1=ξπ[r(i,k),s(i,k)]-ξh[vik(ρi+1k-ρik)+ρik(vi+1k-vik)]+ρikvik+1=vik+ξ{[3ρ0υ1(ρ0-ρik)][Ve(ρik)-vik]2nρik-1ρikρi+1k-ρikh∫0∞(u-vik)2f(u)du-vik(vi+1k-vik)h}]]>

式中，r(i，k)表示第i個路段在[kξ，(k+1)ξ]內(nèi)由匝口進入的車流量，s(i，k)表示第i個路段在[kξ，(k+1)ξ]內(nèi)由匝口駛出的車流量；

考慮到車輛速度不可能無限大，因此改進Phillips模型的差分形式為：

ρik+1=ξπ[r(i,k),s(i,k)]-ξh[vik(ρi+1k-ρik)+ρik(vi+1k-vik)]+ρikvik+1=vik+ξ{[3ρ0υ1(ρ0-ρik)][Ve(ρik)-vik]2nρik1ρikρi+1k-ρikhΣu=uminumax(u-vik)2f(u)Δu-vik(vi+1k-vik)h}]]>

式中，u_min為u的最小值，u_max為u的最大值，Δu=(u_max-u_min)/(N+1)，N為設(shè)定的大整數(shù)；

步驟二、建立等價速度模型為：

式中，v₀，E，均為常數(shù)，v_ea為可變信息顯示牌指定速度；

第i路段：

式中，v₀，E，均為常數(shù)，v_ea(i)為第i個路段可變信息顯示牌指定速度；

步驟三、結(jié)合Phillips模型的差分形式和等價速度模型，在FPGA中設(shè)計包含車輛平均密度k和平均速度v的計算模塊，根據(jù)實際道路的長度和匝口信息把高速公路分成多個路段，每個路段對應(yīng)一個計算模塊，根據(jù)初始信息和調(diào)控信息，在FPGA中同時并行運行這些計算模塊，預(yù)測出各個路段下一時間段的車輛平均密度和平均速度，然后把車輛平均密度和平均速度存入寄存器，在所有計算模塊完成計算后，輸出車輛平均密度和平均速度，同時把這些數(shù)據(jù)回傳給計算模塊進行下一步的計算；

步驟四、以匝口進入封閉道路流量作為模型輸入，可變信息牌作為強制速度和匝口強制輸出調(diào)節(jié)量，對于給定控制輸入預(yù)測每個路段的平均交通流密度和車輛平均速度，如果每個路段都滿足最低速度、最大密度要求，則選擇該方案以控制封閉道路匝口及可變信息牌，否則調(diào)整控制方案。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Papageorgiou-E宏觀交通流模型的FPGA在線預(yù)測控制方法，其特征在于：所述計算模塊采用浮點數(shù)運算，自定義浮點數(shù)結(jié)構(gòu)如下表所示：

??1符號S??6階碼e??17尾數(shù)M

共24位，其中符號1位，階碼6位，尾數(shù)17位，代表的數(shù)據(jù)大小為F=(-1)^S×1.M×2^e-31。