[發(fā)明專利]基于FPGA陣列統(tǒng)一智能結(jié)構(gòu)的交通流仿真系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210593433.3
• 申請(qǐng)日: 2012-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN103035128A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史忠科;劉通;聶冰花
• 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;G06F19/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于FPGA陣列統(tǒng)一智能結(jié)構(gòu)的交通流仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)由FPGA陣列、多路選擇器和通信模塊組成，其中FPGA陣列中的FPGA芯片的數(shù)量根據(jù)實(shí)際交通流仿真的規(guī)模確定，F(xiàn)PGA陣列通過多路選擇器連接通信模塊，從而與上位機(jī)或下位機(jī)通信，多路選擇器對(duì)通信端口的選擇由FPGA陣列中的一片F(xiàn)PGA進(jìn)行控制。?

2.一種基于上述系統(tǒng)的統(tǒng)一智能結(jié)構(gòu)的交通流仿真控制方法，其特點(diǎn)包括以下步驟：?

步驟一、對(duì)現(xiàn)有的宏觀交通流模型進(jìn)行融合，并給每一個(gè)非公共項(xiàng)乘以一個(gè)取值為0或1的系數(shù)，得到如下模型：?

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，ρ=ρ(x,t)，表示t時(shí)刻x點(diǎn)的交通流密度，v為車輛平均速度，v=v(x,t)，表示t時(shí)刻x處的車輛平均速度，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)分別為由匝口駛?cè)搿Ⅰ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，V_e(ρ)為等價(jià)速度且與自由流速度v_f和交通流密度ρ相關(guān)，T為車輛跟馳w中的延滯時(shí)間，μ為預(yù)期指數(shù)，且γ為常數(shù)，c(ρ)根據(jù)需要可取不同的形式，λ(ρ)=3ρ_jamυ(ρ_jam-ρ)/2nk，ρ_jam為車輛的堵塞密度，υ是由實(shí)驗(yàn)決定的比例常數(shù)，n代表車道數(shù)，是ρ，v分布的方差之積，u為車輛速度，f(u,x,t)表示x地點(diǎn)在t時(shí)刻車輛速度為u的概率，v_f(x)為自由流速度，Φ是取值為0或1的常數(shù)，Φ取值為1（0）表示從上游至當(dāng)前路段的自由流有（無）變化，?t₀，γ₁為常數(shù)，G=μ₁ρ^εg為摩擦項(xiàng)，μ₁為道路幾何參數(shù)，ε為無量綱參數(shù)，g是匝道流量項(xiàng)參數(shù)，υ₁，β為常數(shù)，α為大于0的參數(shù)，c₀，λ₁為常數(shù)，c₁，μ₂為常數(shù)，c₂(ρ)=-ρv_e'(ρ)為交通聲速，P₁(ρ)=V_ref?ln(ρ/R)，V_ref，R，c₃，λ_k均為常數(shù)，a，b，d，e，f,g，p，z，j，k，l，m，y，r為取值為1或0的參數(shù)，這些參數(shù)選取的不同代表著不同的交通流模型；?

步驟二、把可變顯示牌速度融入到新模型，用可變顯示牌速度v_ind代替等價(jià)速度V_e(ρ)中的自由流速度v_f，即用V_e(ρ,v_ind)代替V_e(ρ)，得到如下模型：?

當(dāng)a，b，d，e，f,g，p，z，j，k，l，m，y，r取值結(jié)束時(shí)，如果模型中有V_e(ρ,v_ind)，則r取0，如果模型中沒有V_e(ρ,v_ind)，則r取1，qλ_k[V_e(ρ,v_ind)-v]項(xiàng)的存在是為了在模型中沒有等價(jià)速度時(shí)，添加等價(jià)速度項(xiàng)，以把可變顯示牌調(diào)節(jié)加入模型中；?

步驟三、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η趨于無窮時(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)變量趨于無窮時(shí)，代表車輛平均速度趨于零，產(chǎn)生交通擁堵；?

步驟四、a.根據(jù)步驟二得到的新模型，用差分格式表示微分項(xiàng)并略去高階項(xiàng)，得到：?

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，o(h²)為h²的高階無窮小，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；?

把差分格式帶入模型中得到新模型的差分形式為：?

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：

式中E為常數(shù)；?

c.在FPGA中編寫基于新模型差分形式的預(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）和模型選擇數(shù)據(jù)（a，b，d，e，f,g，p，z，j，k，l，m，y，r的取值），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，并制定控制方案，然后將使能信號(hào)、模型選擇數(shù)據(jù)、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Tc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)行控制，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)和上次控制方案制定新的控制方案，并將交通流數(shù)據(jù)和控制方案?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)整控制方案后選擇一個(gè)合適的控制方案輸出對(duì)交通瓶頸進(jìn)行控制，且已控制的路段在時(shí)間T_c內(nèi)不再進(jìn)行控制，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；?

所述步驟四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。?