[发明专利]基于边缘计算的交叉口群分布式控制方法

权利要求书

1.一种基于边缘计算的交叉口群分布式控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、交叉口与交通流的边缘建模

路侧车辆检测器采集到从路段中交叉口的流量后借助边缘计算节点对每个交叉口及相邻交叉口分别进行建模，具体包括：

设定相邻的交叉口w与j，其中间的路段为z，T为离散时间步长，t₀＝kT为起始时刻，q_wz(k)为交叉口w各个方向i流入路段z的流率；则q_wz(k)＝∑τ_w，iq_w，i(k)，其中τ_w，i为从交叉口w各出口向路段z的转向率；q_w，i(k)为从交叉口w各出口向路段z的流率；q_zj(k)为z路段进入交叉口J的流率，计算方法为：其中s_z为z路段的饱和流率，C是信号周期，∑u(k)则为各相位绿灯时间和；和则是由路段中进入和离开z的流率；因此可以预测，在考虑路段中的其他扰动e_z(k)的情况下，第(k+1)T时刻，路段z中的交通量x_z(k+1)写成：x与u并表示所有路段或路口车辆数量的向量和绿灯时间控制序列矩阵。

步骤二、边缘节点信号控制

根据步骤一的建模，控制器对下一时间步长的交通流量进行预测，并根据目标函数与约束条件进行信号控制任务；

其中，选取Q为路网中各条道路中的最大车辆数矩阵，R为控制输入的惩罚矩阵，Q和R可根据实际情况进行设定。设N_c是控制范围，N_p是预测范围，令：N_c＝N_p-T；对于整体路网，设初始时间为t₀，在t₀＝kT时对于单个交叉口，控制器写作：其中对于包含N个交叉口的路网，x＝[x₁，...，x_n]，u＝[u₁，...，u_n]其中x₁，...，x_n表示各个路口的车流量矩阵，u₁，...，u_n表示各个交叉口的绿灯时间矩阵。

表示在一个采样周内t₀+k时间步长处的预测状态向量，通过下一步添加目标函数与约束条件，信号控制问题即转化为通过求解一个有限时域内的的约束优化控制问题获得预测时间窗内的整个系统的优化方案；

对于单个交叉口处的边缘计算节点，其目标函数为：相应的约束条件为：①即为系统的状态空间模型；②∑u+L≤C，L为各相位绿灯损失时间，即所有相位绿灯时间与损失时间之和小于周期；③u_min≤u≤u_max，即限定单个路口与方向最短和最大绿灯时间；④0≤x≤x_max，限定道路能容纳的交通量上限；

将每个时间步长内由路侧车辆检测器测得的通过饱和流率、信号周期与该步长内的绿灯时间计算得到的q_wz(k)、q_zj(k)，及提前设定好的Q矩阵与R矩阵，即刻预测下一时间步长内的车流量并给出最优的绿灯时间，直至到达控制范围N_c；

步骤三、交叉口群分布式控制

利用边缘计算节点，采取分布式的控制方法对交叉口进行控制以达到路网最优；具体包括：

首先，将交叉口群分解为若干个局部优化模型，每个局部优化模型对应一个交叉口，则对于交叉口i，其局部优化模型为：约束条件为：①x_i，0＝x₀，即系统初始状态为矩阵，即交叉口i所连接的各个路段内的交通量；②即为系统的状态空间模型；③∑u+L_j≤C，即所有相位绿灯时间与损失时间之和小于周期；④u_min≤u≤u_max，即限定单个路口与方向最短和最大绿灯时间；⑤0≤x≤x_max，限定道路能容纳的交通量上限。

其次，采用纳什最优对分布式交叉口群控制问题进行求解：借助于边缘计算系统，位于各个交叉口的边缘计算节点之间可以彼此通信，对于其他交叉口的最优控制策略，先对其进行预估，将预估值作为最优值分别进行独立的优化，预估方法为使用其他交叉口上一时间步长的值作为预估控制输入，其他交叉口对交叉口i的预估输入为：根据预估值，各交叉口求出自身的最优绿灯时间并检查是否达到满足迭代结束的条件；迭代条件结束为：该条件指代在时间步长kT内，交叉口i经过第l+1次迭代与第l次迭代获得的控制结果的差的绝对值充分小；当所有交叉口都满足结束条件，则终止迭代；终止迭代后，时间步长kT内的优化过程结束，各个子系统实施该控制率，并滚动至时间步长(k+1)T，重复上述优化。