[發(fā)明專利]基于FPGA及改進(jìn)Aw-Rascle模型的在線交通瓶頸預(yù)測(cè)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210470906.0
• 申請(qǐng)日: 2012-11-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102945607A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-02-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史忠科;劉通
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安費(fèi)斯達(dá)自動(dòng)化工程有限公司
• 主分類號(hào): G08G1/08
• 分類號(hào): G08G1/08;G06Q10/04;G06Q50/30
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

1.一種基于FPGA及改進(jìn)Aw-Rascle模型的在線交通瓶頸預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、根據(jù)Aw-Rascle模型：

∂ρ∂t+∂(ρv)∂x=π[r(x,t),s(x,t)]∂[v+P(ρ)]∂t+v∂[v+P(ρ)]∂x=0]]>

式中，t為時(shí)間，x為與仿真道路起始點(diǎn)的距離，ρ是交通流密度且為x、t的函數(shù)，ρ=ρ(x,t)，v為車輛平均速度且為x、t的函數(shù)，v=v(x,t)，π[r(x,t),s(x,t)]為由于匝口進(jìn)入或駛出的車流量引起的密度變化率函數(shù)，r(x,t)=r₀(x,t)-r_q(x,t)為t時(shí)刻、x路段由匝口進(jìn)入的車流量，s(x,t)=s₀(x,t)+s_q(x,t)為t時(shí)刻、x路段由匝口駛出的車流量，r₀(x,t)、s₀(x，t)為由匝口駛?cè)腭偝龅恼＼嚵髁浚瑀_q(x,t)為匝口控制禁止駛?cè)敫咚俾吩斐傻牧髁拷档土浚瑂_q(x，t)為匝口控制強(qiáng)制駛出車輛造成的流量增量，P(ρ)是密度的一個(gè)光滑單調(diào)增函數(shù)，可以為不同形式，全申請(qǐng)書(shū)符號(hào)定義相同；

把可變顯示牌顯示速度融入Aw-Rascle模型，其方法是為模型增加等價(jià)速度V_e(ρ,v_ind)，其中等價(jià)速度V_e(ρ,v_ind)與交通流密度ρ及可變顯示牌顯示速度v_ind有關(guān)，得到改進(jìn)的Aw-Rascle模型如下：

∂ρ∂t+∂(ρv)∂x=π[r(x,t),s(x,t)]∂[v+P(ρ)]∂t+v∂[v+P(ρ)]∂x+λ[Ve(ρ,vind)-v]=0]]>

式中，λ為給定常數(shù)；

步驟二、定義兩個(gè)新的狀態(tài)變量η(x,t)、σ(x,t)，當(dāng)狀態(tài)變量趨于無(wú)窮時(shí)，代表交通密度趨于飽和交通密度，產(chǎn)生交通擁堵，當(dāng)狀態(tài)變量趨于無(wú)窮時(shí)，代表車輛平均速度趨于零，產(chǎn)生交通擁堵；

式中，ρ_jam為交通出現(xiàn)阻塞時(shí)的交通流密度；

步驟三、a.根據(jù)步驟一得到的改進(jìn)的Aw-Rascle模型，用差分格式表示微分項(xiàng)并略去高階項(xiàng)，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(wú)窮小，o(h)為h的高階無(wú)窮小，把道路分成多個(gè)路段，每個(gè)路段長(zhǎng)度為h，采樣周期為ξ，為第i個(gè)路段在[nξ，(n+1)ξ]內(nèi)車輛的平均密度，為第i個(gè)路段在[nξ，(n+1)ξ]車輛的平均速度；

得到改進(jìn)的Aw-Rascle模型的差分形式為：

ρin+1=ξπ(rin,sin)-ξh[vin(ρi+1n-ρin)+ρin(vi+1n-vin)]+ρinvin+1=vin+ξ{∂(P(ρ))∂ρ[ρin(vi+1n-vin)h-π(rin,sin)]-vin(vi+1n-vin)h-λ[Ve(ρin,vind(i,n))-vin]}]]>

式中：表示第i個(gè)路段在[nξ，(n+1)ξ]由匝口進(jìn)入的車流量，表示第i個(gè)路段在[nξ，(n+1)ξ]由匝口駛出的車流量，v_ind(i,n)表示第i個(gè)路段在[nξ，(n+1)ξ]內(nèi)可變顯示牌顯示速度；

b.建立等價(jià)速度模型：Ve(ρin,vind(i,n))=vind(i,n)(1-ρin/ρjam)1+E(ρin/ρjam)4,]]>

式中E為常數(shù)；

c.在FPGA中編寫基于改進(jìn)Aw-Rascle模型的預(yù)測(cè)控制模塊，包括數(shù)據(jù)接收模塊、控制方案選擇及數(shù)據(jù)分配模塊、計(jì)算模塊1-計(jì)算模塊N、同步模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊，把道路分成N個(gè)路段，每個(gè)路段對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)算模塊，計(jì)算模塊1-計(jì)算模塊N為按照前述偏微分方程組的差分解法使用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算器組合而成的交通流預(yù)測(cè)計(jì)算模塊，預(yù)測(cè)控制模塊的數(shù)據(jù)流向?yàn)椋簲?shù)據(jù)接收模塊接收上位機(jī)傳來(lái)的各個(gè)路段的交通流數(shù)據(jù)（交通流密度、車輛平均速度），然后傳給控制方案選擇及數(shù)據(jù)分配模塊，控制方案選擇及數(shù)據(jù)分配模塊根據(jù)這些數(shù)據(jù)確定交通瓶頸，并制定調(diào)控方案，然后將使能信號(hào)、控制方案和交通流數(shù)據(jù)傳給各個(gè)計(jì)算模塊，各個(gè)計(jì)算模塊接收到使能信號(hào)后同時(shí)對(duì)交通流密度和車輛平均速度進(jìn)行預(yù)測(cè)并把結(jié)果存入寄存器，各個(gè)模塊計(jì)算結(jié)束后把各自的計(jì)算結(jié)束信號(hào)傳給同步模塊，同步模塊在所有計(jì)算模塊完成計(jì)算后發(fā)送信號(hào)通知控制方案選擇及數(shù)據(jù)分配模塊接收交通流數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)結(jié)果，繼續(xù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)時(shí)間T_c內(nèi)，如果交通瓶頸解除，則采用該方案對(duì)實(shí)際交通進(jìn)行調(diào)控，如果不能解除，控制方案選擇及數(shù)據(jù)分配模塊根據(jù)交通流數(shù)據(jù)和上次調(diào)控方案制定新的調(diào)控方案，并將交通流數(shù)據(jù)和調(diào)控方案?jìng)鹘o各個(gè)計(jì)算模塊，重新進(jìn)行預(yù)測(cè)，在多次預(yù)測(cè)和調(diào)整調(diào)控方案后選擇一個(gè)合適的調(diào)控方案輸出對(duì)交通瓶頸進(jìn)行調(diào)控，且已調(diào)控的路段在時(shí)間T_c內(nèi)不再進(jìn)行調(diào)控，然后繼續(xù)對(duì)交通進(jìn)行預(yù)測(cè)，尋找新的交通瓶頸，并進(jìn)行控制；

所述步驟三中確定交通瓶頸并對(duì)其進(jìn)行控制的方法為：求解||η(x,t)||_∞=η_m(x_m,t_m)，當(dāng)η_m大于給定閾值η_M時(shí)，說(shuō)明路段x_m在t_m時(shí)刻將成為交通瓶頸，則在t_m-T₀時(shí)刻對(duì)車輛行駛方向的x_m前后方入、出匝口及可變信息顯示牌進(jìn)行限速（瓶頸路段前方路段速度降低，后方路段速度提高）、限制進(jìn)入瓶頸路段甚至強(qiáng)制駛出瓶頸路段；或求解‖σ(x,t)||_∞=σ_m(x_m,t_m)，當(dāng)σ_m大于給定閾值σ_M時(shí)，說(shuō)明路段x_m在t_m時(shí)刻將成為交通瓶頸，則在t_m-T₁時(shí)刻對(duì)車輛行駛方向的x_m前后方出、入匝口及可變信息顯示牌進(jìn)行限速（瓶頸路段前方路段速度降低，后方路段速度提高）、限制進(jìn)入瓶頸路段甚至強(qiáng)制駛出瓶頸路段；

式中T₀、T₁為提前施加控制的時(shí)間使得||η(x,t)||_∞=η_m(x_m,t_m)≤η_M、‖σ(x,t)||_∞=σ_m(x_m,t_m)≤σ_M，η_M、σ_M分別為根據(jù)道路密度最大飽和度、最小速度限制得到的正數(shù)；

控制的優(yōu)先級(jí)原則為：①首先通過(guò)可變信息顯示牌調(diào)整路段速度，使進(jìn)入瓶頸路段的車輛速度降低，駛出瓶頸路段的車輛速度提高，②僅僅通過(guò)可變信息顯示牌調(diào)整路段速度不能達(dá)到控制指標(biāo)時(shí)，則通過(guò)匝口限制進(jìn)入瓶頸路段流量并與可變信息顯示牌調(diào)整路段速度同時(shí)進(jìn)行控制，③當(dāng)通過(guò)匝口限制進(jìn)入瓶頸路段流量及可變信息顯示牌調(diào)整路段速度同時(shí)控制也不能達(dá)到控制要求時(shí)，通過(guò)匝口控制在斷續(xù)時(shí)間強(qiáng)制部分路段車輛駛出道路、同時(shí)對(duì)匝口限制進(jìn)入瓶頸路段車流量及可變信息顯示牌調(diào)整路段速度以達(dá)到控制指標(biāo)要求。