[發明專利]基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法

有效

• 申請號: 201210315803.7
• 申請日: 2012-08-30
• 公開（公告）號: CN102842225A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 史忠科;劉通
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G08G1/00
• 分類號: G08G1/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

1.一種基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、根據Payne-Whitham模型：

∂ρ∂t+∂(ρv)∂x=π[r(x,t),s(x,t)]∂v∂t+v∂v∂x=Ve(ρ)-vT-c2(ρ)ρ∂ρ∂x]]>

式中，ρ為車輛的平均密度、v為平均速度、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，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，T為常數，c(ρ)可以取為不同的形式；

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)=ρin+1-ρinξ]]>

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

∂v∂t=v(x,t+ξ)-v(x,t)ξ+o(ξ)=vin+1-vinξ]]>

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

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[nξ，(n+1)ξ]內車輛的平均密度，為第i個路段在[nξ，(n+1)ξ]內車輛的平均速度；

得到Payne-Whitham模型的差分形式為：

ρin+1=ξπ[r(i,n),s(i,n)]-ξh[vin(ρi+1n-ρin)+ρin(vi+1n-vin)]+ρinvin+1=vin+ξ[ve(ρin)-vinT-c2(ρin)(ρi+1n-ρin)ρinh-vin(vi+1n-vin)h]]]>

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

步驟二、建立等價速度模型為：

式中，v₀，E，均為常數，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，ρ_i表示第i個路段的平均交通流密度，v_ea(i)為第i個路段可變信息顯示牌指定速度；

步驟三、結合Payne-Whitham模型的差分形式和等價速度模型，在FPGA中設計包含車輛平均密度ρ和平均速度v的計算模塊，根據實際道路的長度和匝口信息把高速公路分成多個路段，每個路段對應一個計算模塊，根據初始信息和調控信息，在FPGA中同時并行運行這些計算模塊，預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，同時把這些數據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節量，對于給定控制輸入預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，否則調整控制方案。

2.根據權利要求1所述的基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法，其特征在于：所述計算模塊采用浮點數運算，自定義浮點數結構如下表所示：

??1符號S??6階碼e??17尾數M

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