[發明專利]基于尖點突變和量子粒子群優化的道路通行能力評價方法

有效

• 申請號: 201810306800.4
• 申請日: 2018-04-08
• 公開（公告）號: CN108320516B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 胡征兵;胡岑諾;蔣玲;楊琳;胡志軒;張新晨
• 申請（專利權）人: 華中師范大學
• 主分類號: G08G1/01
• 分類號: G08G1/01;G06Q10/06;G06Q50/30;G06N3/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 魏波

1.一種基于尖點突變和量子粒子群優化的道路通行能力評價方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：選用速度″V″作為尖點模型的狀態變量，時間占有率″O″和流量″Q″作為控制變量，建立V-Q尖點數學模型；其中速度″V″為單位時間內通過待測路段的車輛的平均速度；時間占有率″O″指的是在單位時間內，所有車輛經過檢測器的時間的總和占總的測量時間的比例，反映的是車輛的密集程度；流量″Q″為單位時間內通過待測路段的總車輛數；

設共采集到n組數據，等間隔時間通過的平均車速、總車輛數以及道路時間占有率記為：

v_i＝[v₁，v₂，v₃，...，v_i，...，v_n]；

q_i＝[q₁，q₂，q₃，...，q_i，...，q_n]；

o_i＝[o₁，o₂，o₃，...，o_i，...，o_n]；

i＝1，2，3，...，n；

步驟2：將輸入數據平移和旋轉得到預處理后數據Input；從預處理后數據中隨機選取兩組數據，解得一組參數a₁和b₁，而后隨機選取兩組數據又解得一組參數a₂和b₂；如此重復執行m次，獲得m組參數{Ans＝[a_k，b_k]，k＝1，2，3，...，m}，其中，2m≤n；

步驟2的具體實現過程是：

以O、Q、V分別為x、y、z軸建立空間直角坐標系，將每個輸入的數據作為點在坐標系中表示；設(v₁，q₁，o₁)的點平移后至(v₂，q₂，o₂)則有：

其中，取v₀為最大時間占有率對應的最大車流量時的車速，q₀為時間占有率最大時的流量，o₀為道路通暢狀態下的最大時間占有率；

經過平移后，進行Q軸和O軸旋轉，設旋轉角度為θ，(v₂，q₂，o₂)的點旋轉后至(v，q，o)則有：

V-Q尖點數學模型平衡曲面方程為：

V³+aQV+bO＝0 (3)

其中V，Q，O分別為(v₁，q₁，o₁)經過平移和旋轉后的點(v，q，o)，a和b為系數；

在式(3)中任意兩組輸入數據，解得一組參數(a，b)；重復執行m次，獲得m組參數{Ans＝[a_k，b_k]，k＝1，2，3，...，m}；

分叉集方程為：

Δ＝4a³Q+27b²O² (4)

則當Δ不同時，系統對應的穩定性也不同，當Δ＞0時，系統穩定，則表明道路處于持續擁堵或持續暢通狀態，當Δ＜0時，系統極不穩定，則表明道路上車輛在高速和低速之間變化，當Δ＝0時，則表示系統處在穩定與不穩定的邊緣，道路可能會處于擁堵或暢通狀態，也可能會突然變得不穩定；

步驟3：初始化產生m個量子態粒子，以及每個粒子在d維空間的位置X_k＝[a_k，b_k]^T，k＝1，2，3，...，m；

步驟4：初始化m個粒子的初始位置X_i(0)，令各個粒子的當前最佳位置為：P_i(0)＝X_i(0)，令全局最佳位置為P_g(0)；

P_g(0)＝arg min{f(X₁(0))，f(X₂(0))，...，f(X_m(0))}；

式中f(X_i(0))表示位置為X_i(0)下的目標函數，初始化具體的值就是P_g(0)，是通過輸入的矩陣確定的；

步驟5：從第一組交通數據開始，對所有交通數據循環執行下述操作；

求Input中各組數據在坐標系中對應的點到平衡曲面的距離，到平衡曲面的距離不超過閾值distance的點是附著在曲面上的點，其中distance為實數；

設P_g(t)表示第t次迭代的全局最佳位置，則各粒子的目標函數值為：

計算完畢后設第i次循環的f(X)值為q_i存至數組Q；

更新每個粒子的新局部最優位置P_i(t+1)：

其中X_i(t)表示粒子在第t次迭代中的位置；

更新全局最優位置P_g(t+1)：

P_g(t+1)＝arg min{f(p₁(t+1))，f(p₂(t+1))，...，f(P_m(t+1))}；

更新每個粒子的位置mbest(t+1)，mbest(t+1)是粒子群中所有粒子迭代至最佳位置的中間位置；

步驟6：設存在正整數N，N是與最終結果精度有關的參數，N越大則精度越高，是通過實際情況人為設置的，循環執行步驟五N次后，開始如下判定：

判斷Q數組里儲存的序列是否趨于穩定；檢測方法為：檢驗Q數組最后的N個數據的均方根誤差是否小于已設定閾值，即判斷Q數組里儲存的序列是否趨于穩定收斂；

若否，則回轉執行步驟5；

若是，輸出一組參數值作為優化結果P_g(t)，執行下述步驟7；

步驟7：得到一組確定的參數值后，在坐標系中確定唯一平衡曲面；

步驟8：求出尖點平衡曲面的尖點處豎坐標并轉換成速度。