專利名稱：基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種FPGA預測控制方法,特別涉及一種基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法。
背景技術：
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車保有量的不斷增加，交通擁擠已成為世界各國共同關注的焦點和急需解決的重要問題，交通擁擠同時也造成了嚴重的環(huán)境污染，在9種主要的空氣污染物質(zhì)中，6種直接或間接地與汽車尾氣排放有關，堵車狀態(tài)下汽車排出的有害物質(zhì) 濃度比正常行駛時高出5 6倍；此外，交通擁擠與交通事故是城市交通共生的兩大問題。一方面，城市交通高峰時期密集的交通流，使得交通事故頻發(fā)，極易引發(fā)嚴重的交通擁擠；另一方面，當堵車發(fā)生時，車輛駕駛員因為過度等待，容易失去耐心，使得交通事故發(fā)生的幾率大大增加；可見交通擁擠已經(jīng)成為影響全球城市可持續(xù)發(fā)展的一個全局性問題。為了有效疏導交通、提高高速公路的使用效率，常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)絡實行遠程控制、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、進行交通法規(guī)，交通知識的宣傳、達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“海依拉提·巴拉提，高速公路信息顯示牌設置技術探討，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)；信息顯示牌的設置應從整個交通導行系統(tǒng)建設的角度出發(fā)，充分考慮導行與控制的關聯(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、高效性的導行方案；信息顯示牌依據(jù)設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，進行主線誘導和出口誘導，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；然而，這些方案，將高速道路入口誘導、道路主線誘導、道路出口誘導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測輸出自動設定，難以對高速公路的交通流密度、行車速度進行有效控制。為了深入分析交通系統(tǒng)，國內(nèi)外大量學者研究交通流模型，其中采用流體力學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，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ΛΧ和At有關。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O題；這類模型被國際上大多數(shù)學者用來討論封閉道路的交通現(xiàn)象。然而，宏觀交通流模型大多數(shù)采用偏微分方程描述，即使離散形式的宏觀交通流模型也很復雜，這些模型的處理通常在臺式機以上的系統(tǒng)處理，很難使用宏觀模型對封閉道路匝口和可變信息牌進行在線預測控制。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有FPGA預測控制方法實時性差的不足，本發(fā)明提供一種基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法。該方法通過對模型近似離散化處理，建立了并行處理流程，設計了動態(tài)數(shù)據(jù)存儲方案，用FPGA實現(xiàn)了基于Payne-Whitham 宏觀交通流模型的封閉道路匝口和可變信息牌的預測控制?？梢允沟酶咚俟返慕煌髅芏?、行車速度實現(xiàn)實時有效控制。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案一種基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法，其特點是包括以下步驟步驟一、根據(jù)Payne-Whitham 模型
$+=疋[廠(.d.vUV)]
dt; Bxi ^ 、 τ"、, 、
f)v , civ _ V,,(p)-v c~{p) dp --j- V =---1
dl dx Tp dx式中，p為車輛的平均密度、V為平均速度、t為時間，X為與仿真道路起始點的距離’ ^ [r (x, t), s(x, t)]為由于阻口進入或駛出的車流量引起的密度變化率函數(shù)，r(x, t)為由阻口進入的車流量，s(x, t)=sQ(x, t)+sq(x, t)為由阻口駛出的車流量，S。(x, t)為由阻口駛出的正常車流量、s, (x，t)為信息顯示牌強制駛出車輛造成的流量增量，VJ P)為等價速度，T為常數(shù)，C(P)可以取為不同的形式；用差分格式表示微分項并略去高階項，得到
Sp ρ{χ, I +ξ)- ρ(χ,ι) .匕./>,!_! - PΤΓ = —~'+θ{ξ) = Η' r
Wξζop = p^^)-p^n+0(h)=p,-p
dxhh
dv ν(χ, + ξ)-ν(χ, ) V廣1 -vn—=—~~Χ— + θ(ξ)= 1 g 1
ot
「 dv v(x + hj)-v(x,t) .. Λ ι·；: -Vni——=—-—~-!- 0( / ) = —~-
dxhh式中，ξ為t的微分,h為X的微分,ο ( ξ )為ξ的高階無窮小，ο (h)為h的高階無窮小，P (X，t)為t時刻X處車輛的平均密度，V (X，t)為t時刻X處車輛的平均速度，把道路分成多個路段，每個路段長度為h，采樣周期為ξ，/Of為第i個路段在[η ξ，(η+1) ξ ]內(nèi)車輛的平均密度，Vf為第i個路段在[η ξ，(η+1) ξ ]內(nèi)車輛的平均速度；得到Payne-Whitham模型的差分形式為
權(quán)利要求
1.一種基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法,其特征在于包括以下步驟 步驟一、根據(jù)Payne-Whitham模型
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法，其特征在于所述計算模塊采用浮點數(shù)運算，自定義浮點數(shù)結(jié)構(gòu)如下表所示
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線預測控制方法，用于解決現(xiàn)有的FPGA預測控制方法實時性差的技術問題。技術方案是通過對模型近似離散化處理，建立并行處理流程，設計動態(tài)數(shù)據(jù)存儲方案，用FPGA實現(xiàn)了基于Payne-Whitham宏觀交通流模型的封閉道路匝口和可變信息牌的預測控制。使得高速公路的交通流密度、行車速度實現(xiàn)了實時有效控制。
文檔編號G08G1/00GK102842225SQ20121031580
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者史忠科, 劉通 申請人:西北工業(yè)大學