專利名稱：基于FPGA及改進(jìn)Payne-Whitham模型的在線交通瓶頸預(yù)測控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種FPGA控制方法,特別涉及一種基于FPGA和改進(jìn)Payne-Whitham宏觀交通流模型的在線交通瓶頸預(yù)測控制方法。
背景技術(shù)：
交通擁堵已成為世界各國共同關(guān)注的焦點和急需解決的重要問題，交通瓶頸問題是制約交通流量的最主要問題之一，由于硬件設(shè)施的限制或突發(fā)狀況的影響，使得一些路段成為整個道路的瓶頸，如不進(jìn)行調(diào)控，則會加速瓶頸路段的流量積累，使交通狀況惡化，發(fā)生擁堵，甚至導(dǎo)致整個交通網(wǎng)絡(luò)癱瘓。目前，高速公路交通調(diào)控的方式只有可變信息顯示牌進(jìn)行速度限制和匝口控制兩種，為了有效疏導(dǎo)交通、提高高速公路的使用效率，常使用信息顯示牌作為交通信息發(fā)布和控制的手段；通常，信息顯示牌及可變限速標(biāo)志作為智能交通系統(tǒng)的重要信息發(fā)布，由監(jiān)控中心計算機通過通訊網(wǎng)絡(luò)實行遠(yuǎn)程控制，傳送并顯示各種圖文信息，向司機及時發(fā)布不同路段的不同路面情況及各類交通信息，進(jìn)行交通法規(guī)、交通知識的宣傳，達(dá)到減少高速公路重現(xiàn)性阻塞、減少高速公路非重現(xiàn)性事故的影響，提高行車安全；如文獻(xiàn)“海依拉提·巴拉提，高速公路信息顯示牌設(shè)置技術(shù)探討，大陸橋視野，2010年10月，139-140”所述，信息顯示牌系統(tǒng)的設(shè)置機理為(I)檢測器信息收集和處理系統(tǒng)、⑵信息顯示牌信息提供、(3)通信系統(tǒng)、(4)中央控制系統(tǒng)；信息顯示牌的設(shè)置應(yīng)從整個交通導(dǎo)行系統(tǒng)建設(shè)的角度出發(fā)，充分考慮導(dǎo)行與控制的關(guān)聯(lián)，結(jié)合考慮地面道路與高架道路的綜合效益，制定整體性、合理性、高效性的導(dǎo)行方案；信息顯示牌依據(jù)設(shè)置的地點和目的的不同而采用不同的形式；一種是安裝在主線上，進(jìn)行主線誘導(dǎo)和出口誘導(dǎo)，以字符形式顯示前方路段的交通狀況如暢通、擁擠、延誤等，從而使駕駛員可以轉(zhuǎn)向地面道路，避開擁擠區(qū)；另一種安裝在匝道入口附近，把匝道入口處的排隊長度及擁擠預(yù)測情況報告給駕駛員，也可把鄰近主線上的交通情況顯示給匝道入口上的駕駛員，從而為他們提供合理地誘導(dǎo)；另外，在道路堵塞風(fēng)險很高的情況下，可以控制匝口輸入，甚至在道路匝口強制一些車輛駛出高速公路，以避免擁堵發(fā)生；然而，這些方案，將高速道路入口誘導(dǎo)、道路主線誘導(dǎo)、道路出口誘導(dǎo)僅僅按照信息需求劃分開，沒有有機相結(jié)合，特別是信息顯示牌的顯示信息沒有按照宏觀交通模型預(yù)測輸出自動設(shè)定，難以從全局的角度對瓶頸路段進(jìn)行交通調(diào)控，調(diào)控的結(jié)果往往是調(diào)控的路段暢通了，但非調(diào)控路段發(fā)生交通堵塞現(xiàn)象。為了深入分析交通系統(tǒng)，國內(nèi)外大量學(xué)者研究交通流模型，其中采用流體力學(xué)的觀點建立的宏觀和微觀模型分析交通特性者居多；在宏觀交通流模型中，交通流被視為由大量車輛組成的可壓縮連續(xù)流體介質(zhì)，研究車輛集體的平均行為、單個車輛的個體特性并不凸顯；宏觀交通流模型以車輛的平均密度P、平均速度V和流量q刻畫交通流，研究它們所滿足的方程；宏觀模型可以更好地刻畫交通流的集體行為，從而為設(shè)計有效的交通控制策略、模擬及估計道路幾何改造的效果等交通工程問題提供依據(jù)；在數(shù)值計算方面，模擬宏·觀交通流所需時間與所研究交通系統(tǒng)中車輛數(shù)目無關(guān)，只與所研究道路、數(shù)值方法的選取及其中空間X、時間t的離散步長有關(guān)。故此，宏觀交通流模型較適合于處理大量車輛組成的交通系統(tǒng)的交通流問題；這類模型被國際上大多數(shù)學(xué)者用來討論封閉道路的交通現(xiàn)象。經(jīng)過檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請?zhí)?00810117959. 8，
公開日2009年I月14日，記載“一種在交通瓶頸處的控制方法與裝置”，該方法通過設(shè)置緩沖區(qū)，限制緩沖區(qū)內(nèi)車輛的行駛規(guī)貝U，控制緩沖區(qū)內(nèi)的車輛數(shù)來對車流量進(jìn)行控制，具有一定的效果，但該方法沒能指出怎么檢測交通瓶頸，實際道路中，交通瓶頸并不是固定的，每個路段都可能成為交通瓶頸，因此，該方法具有局限性；文獻(xiàn)“曾廣湘.道路交通瓶頸的分析、控制及模擬，2010，廣西大學(xué)碩士論文”以LWR模型為基礎(chǔ)，分析了道路減少產(chǎn)生的單向交通瓶頸產(chǎn)生的擾動，并以此為基礎(chǔ)提出在行人交通中改善交通瓶頸的方法，而道路交通瓶頸造成的危害或經(jīng)濟(jì)損失更大，該文獻(xiàn)沒有分析其解決方法；在高速公路或封閉道路中，只能通過可變信息顯示牌或匝口控制來調(diào)節(jié)交通，而且各個路段都有可能成為交通瓶頸，目前的研究大多只是對交通瓶頸產(chǎn)生原因的分析或者僅僅是怎么解決特定路段交通瓶頸問題，只是對交通路段進(jìn)行仿真，并沒有把瓶頸預(yù)測和交通調(diào)控相結(jié)合對交通路段進(jìn)行實時調(diào)控，且大都運行在計算機及其以上平臺，體積龐大，這些研究存在難以在實際的高速公路或封閉道路中對交通瓶頸進(jìn)行在線預(yù)測和調(diào)控的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有方法難以在實際的高速公路或封閉道路中對交通瓶頸進(jìn)行在線預(yù)測調(diào)控的技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供一種基于FPGA及改進(jìn)Payne-Whitham模型的在線交通瓶頸控制方法，該方法對Payne-Whitham模型進(jìn)行改進(jìn)，把可變信息顯示牌融入到Payne-Whitham模型中，基于FPGA平臺通過改進(jìn)的Payne-Whitham模型對高速公路或封閉道路整體進(jìn)行預(yù)測分析，根據(jù)定義的狀態(tài)變量找到道路瓶頸，進(jìn)而給出匝口控制和可變信息顯示牌的控制方案，并把這些控制方案按優(yōu)先級帶入預(yù)測模型，找到合理的控制方案，從而對交通瓶頸進(jìn)行在線控制，可以有效解決現(xiàn)有方案難以在實際的高速公路或封閉道路中對交通瓶頸進(jìn)行在線預(yù)測調(diào)控的技術(shù)問題?！け景l(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案基于FPGA及改進(jìn)Payne-Whitham模型的在線交通瓶頸預(yù)測控制方法，其特點是包括以下步驟步驟一、根據(jù)Payne-Whitham 模型
f 字+ = π[τ(χ, ), s(x,t)\
Ot OX^ 2
I PV CV VP)-V C~{ p) Cp --(-V——二----
I cl dx IP Dx式中，t為時間,X為與仿真道路起始點的距離，P是交通流密度且為x、t的函數(shù)，P=P (X，t), V為車輛平均速度且為X、t的函數(shù)，V=V(X，t), 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)-rq(x, t)為t時刻、x路段由匝口進(jìn)入的車流量，s(x, t)=s0(x, t)+sq(x, t)為t時刻、X路段由匝口駛出的車流量，r0(x, t),s0(x, t)為由匝口駛?cè)腭偝龅恼＼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?，Sq (x，t)為匝口控制強制駛出車輛造成的流量增量，VJ P)為等價速度且與自由流速度Vf和交通流密度P相關(guān)，T為常數(shù)，C(P)可以取為不同的形式，全申請書符號定義相同；把可變顯示牌顯示速度融入Payne-Whitham模型，用可變顯示牌顯示速度Vind代替等價速度中的自由流速度vf,得到改進(jìn)的Payne-Whitham模型如下
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA及改進(jìn)Payne-Whitham模型的在線交通瓶頸預(yù)測控制方法,其特征在于包括以下步驟 步驟一、根據(jù)Payne-Whitham模型
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于FPGA及改進(jìn)Payne-Whitham模型的在線交通瓶頸控制方法，用于解決現(xiàn)有方法難以在實際的高速公路或封閉道路中對交通瓶頸進(jìn)行在線預(yù)測調(diào)控的技術(shù)問題，該方法對Payne-Whitham模型進(jìn)行改進(jìn)，把可變信息顯示牌融入到Payne-Whitham模型中，基于FPGA平臺通過改進(jìn)的Payne-Whitham模型對高速公路或封閉道路整體進(jìn)行預(yù)測分析，根據(jù)定義的狀態(tài)變量找到道路瓶頸，進(jìn)而給出匝口控制和可變信息顯示牌的控制方案，并把這些控制方案按優(yōu)先級帶入預(yù)測模型，找到合理的控制方案，對交通瓶頸進(jìn)行在線控制，使得高速公路或封閉道路中的交通瓶頸可以得到有效控制。
文檔編號G06Q10/04GK102938208SQ20121047093
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者史忠科, 劉通 申請人:西安費斯達(dá)自動化工程有限公司