[发明专利]一种基于区域划分的交通路网分布式预测控制方法

说明书

本发明公开了一种基于区域划分的交通路网分布式预测控制方法，包括：建立交通系统单个路口的微观模型；对多个路口的关联拓扑结构进行分析，建立单条路段的微观模型；建立一个以交叉路口为基础的交通路网模型，并对得到的交通路网模型进行分布式区域划分；对区域划分后的交通路网模型进行分布式预测控制结构的分析；针对交通路网的区域分布特性，对交通路网进行分布式控制器协调。本发明将分布式预测控制应用于城市交通系统路口的分布式协同优化，相关理论成果应用于城市智能交通系统中，能大大地提高现代车辆的智能程度，从而有效地提高驾驶的主动安全性和舒适性，也有助于提高道路的利用率，节约出行时间，并有利于节能减排。

技术领域

本发明涉及系统建模与控制领域，尤其涉及一种基于区域划分的交通路网分布式预测控制方法。

背景技术

交通路网区域协调控制主要是针对城市的主干道交通流控制，主干道的交通状况无疑对整个城市交通有重要影响，缓解主干道的交通拥堵也就能在一定程度上改善主干道附近许多道路的交通状况。干线协调控制研究方向主要有两个方面，一是调整干道上各个路口的绿灯时间，使车辆沿着主干道行驶时能一路绿灯通过尽可能多的路口，减少停车时间；另一个方面通过是减少车辆延误时间、缩短排队长度等方式来缓解交通压力。而上述研究方向涉及到复杂系统建模、分布式预测控制设计等技术领域。

目前，交通系统的控制主要包括单交叉口信号控制、干线协调控制及区域分散式控制等方法。区域交通信号协调控制技术发展迅速、需求强，但在我国还未发展成熟，尤其在交通系统的建模及控制方法仍有诸多问题，如1)为有效预测道路车流情况，复杂环境下的路网建模方法还不够清晰、完善；2)复杂交通系统路口之间存在较强的信息耦合，缺乏有效的路口之间的信号灯配时分布式优化及其协调方法。随着现代技术和通信技术的不断提高，复杂分布式系统的控制方式也逐渐向网络化的分布式协调控制转变，分布式预测控制已成为复杂分布式系统优化控制的有效方法和手段。与集中式预测控制相比，分布式预测控制的安全性、可靠性和灵活性得到大大提高，且具有较高的故障容错能力。

在控制领域，预测控制凭借其在处理约束、多变量和复杂耦合系统上的优势，解决了很多常规控制器不能解决的问题，因此受到了极大的关注。预测控制具有控制性能好、多变量约束处理等优点，可以很好地克服过程系统模型的不确定性、非线性和耦合性，并能方便地处理过程输入和输出约束。预测控制在每个采样时刻都基于系统的预测输出，优化将来一系列时刻的输入，而只实施系列中的第一个控制输入作用，这也是预测控制与那些使用预先计算控制律的算法的最大不同。预测控制算法种类较多，根据不同的情形可以分为多个类别，但都可以用以下三条基本原理加以概括：1)预测模型，预测控制是通过模型对过程的未来输出/状态进行预测，在此基础上进行控制量优化；2)滚动优化，预测控制的优化，通过在线反复优化某一性能指标获得控制输入，是求解控制器的过程；3)反馈校正，采用预测模型预测未来的输出/状态时，预测值与实际测量值之间存在一定的偏差，通过充分利用实际输出误差进行反馈校正，得到良好的控制效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于区域划分的交通路网分布式预测控制方法。本发明将分布式预测控制应用于城市交通系统路口的分布式协同优化，相关理论成果应用于城市智能交通系统中，能够大大地提高现代车辆的智能程度，从而有效地提高驾驶的主动安全性和舒适性并且有助于提高道路的利用率，节约出行时间，有利于节能减排。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于区域划分的交通路网分布式预测控制方法，具体步骤包括：

建立交通系统单个路口的微观模型。

对多个路口的关联拓扑结构进行分析，建立单条路段的微观模型。

将交通路网中的各条路段统一化，建立一个以交叉路口为基础的交通路网模型，并对得到的交通路网模型进行分布式区域划分。

对区域划分后的交通路网模型进行分布式预测控制结构的分析，求解最优交通配时方案。