[發明專利]基于FPGA及改進Whitham模型的在線交通瓶頸預測控制方法

有效

• 申請號: 201210470907.5
• 申請日: 2012-11-19
• 公開（公告）號: CN102945608A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 史忠科;劉通
• 申請（專利權）人: 西安費斯達自動化工程有限公司
• 主分類號: G08G1/08
• 分類號: G08G1/08;G06Q10/04;G06Q50/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于FPGA及改進Whitham模型的在線交通瓶頸預測控制方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、根據Whitham模型：

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

式中，t為時間，x為與仿真道路起始點的距離，ρ是交通流密度且為x、t的函數，ρ=ρ(x,t)，v為車輛平均速度且為x、t的函數，v=v(x,t)，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)=r₀(x,t)-r_q(x,t)為t時刻、x路段由匝口進入的車流量，s(x,t)=s₀(x,t)+s_q(x,t)為t時刻、x路段由匝口駛出的車流量，r₀(x,t)、s₀(x，t)為由匝口駛入駛出的正常車流量，r_q(x,t)為匝口控制禁止駛入高速路造成的流量降低量，s_q(x，t)為匝口控制強制駛出車輛造成的流量增量，V_e(ρ)為等價速度且與自由流速度v_f和交通流密度ρ相關，T、γ均為常數，全申請書符號定義相同；

把可變顯示牌顯示速度融入Whitham模型，用可變顯示牌顯示速度v_ind代替等價速度中的自由流速度v_f，得到改進的Whitham模型如下：

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

步驟二、定義兩個新的狀態變量η(x,t)、σ(x,t)，當狀態變量趨于無窮時，代表交通密度趨于飽和交通密度，產生交通擁堵，當狀態變量趨于無窮時，代表車輛平均速度趨于零，產生交通擁堵；

式中，ρ_jam為交通出現阻塞時的交通流密度；

步驟三、a.根據步驟一得到的改進的Whitham模型，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，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]車輛的平均速度；

得到改進的Whitham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{Ve[ρin,vind(i,n)]-vinT-r(ρi+1n-ρin)ρinTh-vin(vi+1n-vin)h}]]>

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

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

式中E為常數；

c.在FPGA中編寫基于改進Whitham模型的計算模塊，包括數據接收模塊、控制方案選擇及數據分配模塊、計算模塊1-計算模塊N、同步模塊、數據輸出模塊，把道路分成N個路段，每個路段對應一個計算模塊，計算模塊1-計算模塊N為按照前述偏微分方程組的差分解法使用浮點數運算器組合而成的交通流預測計算模塊，預測控制模塊的數據流向為：數據接收模塊接收上位機傳來的各個路段的交通流數據（交通流密度、車輛平均速度），然后傳給控制方案選擇及數據分配模塊，控制方案選擇及數據分配模塊根據這些數據確定交通瓶頸，并制定調控方案，然后將使能信號、控制方案和交通流數據傳給各個計算模塊，各個計算模塊接收到使能信號后同時對交通流密度和車輛平均速度進行預測并把結果存入寄存器，各個模塊計算結束后把各自的計算結束信號傳給同步模塊，同步模塊在所有計算模塊完成計算后發送信號通知控制方案選擇及數據分配模塊接收交通流數據的預測結果，繼續進行預測，在預測時間T_c內，如果交通瓶頸解除，則采用該方案對實際交通進行調控，如果不能解除，控制方案選擇及數據分配模塊根據交通流數據和上次調控方案制定新的調控方案，并將交通流數據和調控方案傳給各個計算模塊，重新進行預測，在多次預測和調整調控方案后選擇一個合適的調控方案輸出對交通瓶頸進行調控，且已調控的路段在時間T_c內不再進行調控，然后繼續對交通進行預測，尋找新的交通瓶頸，并進行控制；

所述步驟三中確定交通瓶頸并對其進行控制的方法為：求解||η(x,t)||_∞=η_m(x_m,t_m)，當η_m大于給定閾值η_M時，說明路段x_m在t_m時刻將成為交通瓶頸，則在t_m-T₀時刻對車輛行駛方向的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）、限制進入瓶頸路段甚至強制駛出瓶頸路段；或求解||σ(x,t)||_∞=σ_m(x_m,t_m)，當σ_m大于給定閾值σ_M時，說明路段x_m在t_m時刻將成為交通瓶頸，則在t_m-T₁時刻對車輛行駛方向的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）、限制進入瓶頸路段甚至強制駛出瓶頸路段；

式中T₀、T₁為提前施加控制的時間使得||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分別為根據道路密度最大飽和度、最小速度限制得到的正數；

控制的優先級原則為：①首先通過可變信息顯示牌調整路段速度，使進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僅僅通過可變信息顯示牌調整路段速度不能達到控制指標時，則通過匝口限制進入瓶頸路段流量并與可變信息顯示牌調整路段速度同時進行控制，③當通過匝口限制進入瓶頸路段流量及可變信息顯示牌調整路段速度同時控制也不能達到控制要求時，通過匝口控制在斷續時間強制部分路段車輛駛出道路、同時對匝口限制進入瓶頸路段車流量及可變信息顯示牌調整路段速度以達到控制指標要求。