[发明专利]一种减少交通拥堵现象的反馈控制设计方法

说明书

本发明公开了一种减少交通拥堵现象的反馈控制设计方法。本发明包括如下步骤：步骤1、建立城市道路交叉路口的状态空间模型；步骤2、设计矩阵A(k),B(k)；步骤3、由于路口车辆数目x(k)与驶入车辆u(k)是受约束的，因此设计道路车辆数目和驶入车辆满足的约束条件；步骤4、设计模型预测控制的最小性能指标；步骤5、设计道路交通车辆信息的模型预测控制状态反馈控制律。本发明通过道路数据采集、模型建立、约束控制、性能分析等手段，本发明可以缓解干路车流量大而造成的拥堵问题，保证城市道路交叉路口车辆平稳、安全运行的前提下，具有良好的控制效果。

技术领域：

本发明属于自动化技术领域，提出了一种减少城市交汇道路交通拥堵现象的状态反馈控制设计方法。通过模型预测控制、约束控制、性能优化分析、控制律设计等技术，实现对易发生拥堵路口汽车数量的有效控制，减少道路拥堵，可用于道路交通运输行业。

背景技术：

交通拥堵已经成为世界性问题而备受关注，许多国家都不同程度地受到这一问题的困扰。交通拥堵会造成交通延误增大，行车速度降低，甚至导致城市交通瘫痪。在拥塞期间，会增加汽车耗油量和尾气排放量，加剧能源短缺危机和环境恶化。通常来说，有两个办法可以缓解交通拥堵现象：一是限制汽车的数量和出行频率；二是改进道路基础设施，提高通行能力。但这两种方法都存在自身因素的局限性，不能有效解决拥塞问题。单双号限行，加大限制居民私家车出行势必会降低的办事效率，降低人民的生活质量与水平。对于一个城市来说，考虑自然环境保护，生产生活基础设施用地，可供建设的道路空间也是非常有限的。因此，选择合理的车辆调度运行机制，减少道路拥塞才是城市建设与发展的重中之重。

导致城市交通拥堵的主要原因是汽车使用率增加。由于汽车出行便利，导致城市市区车流量日益升高，每逢高峰时刻，上班的、旅游的、购物的车辆从四面八发涌向市区。汽车的最大缺点就是占用道路空间，加之道路容量不足、设计不妥、交汇处过多，致使市区交通拥堵现象经常发生。

随着智能交通系统的引入，即采用先进的电子信息、通信、自动控制、计算机网络等技术，通过合理地控制、调度车辆，分配交通信号灯时间，使得城市道路拥堵问题得到了明显改善，但仍存在多数干路及主干道在节假日或早晚高峰期间发生交通拥堵问题。随着汽车数量和人们出行频率的增加，这种拥堵现象一定会变得越来越严重。基于正系统模型预测反馈控制设计方法，可实现城市道路十字路口车辆参数的闭环控制。

发明内容：

本发明的目的是针对当前智慧城市建设中的智能交通系统，提供一种减少交通拥堵现象的反馈控制设计方法。

本发明方法的步骤包括：

步骤1、建立城市道路交叉路口的状态空间模型，具体方法是：

首先采集某易造成拥塞现象路口的车辆数据，利用该数据建立道路小车数量的状态空间模型，形式如下：

x(k+1)＝A(k)x(k)+B(k)u(k),

其中，x(k)＝[x₁(k),x₂(k),...,x_n(k)]^T表示通过道路传感器在k时刻采集到的某一道路小车数量，n表示所考虑的道路数，u(k)∈R^r为k时刻往这一路口驶入的车辆或称输入车辆，r为所考虑的路口数，R^r为r维实数列向量，A(k),B(k)表示k时刻传感器采集到组成的适当维度的常数矩阵。考虑道路交通汽车数量的正定性，即x(k),u(k)始终是非负的，这里假设所构建的道路交通控制系统是一种正系统模型，即采集到的车辆数目始终都是非负的，考虑A(k),B(k)矩阵内所有元素都具有非负性(简称)，是针对矩阵内元素大于小于而言的。

步骤2、设计矩阵A(k),B(k)，具体实现方法是：