本發(fā)明屬于交通信息化領(lǐng)域，涉及一種基于信息物理系統(tǒng)(cyber-physicalsystems,cps)多尺度的城市道路交叉口交通控制方法。

背景技術(shù)：

1、交叉口是城市交通系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。從交通流理論角度來看，交叉口作為典型的間斷流設(shè)施，對交通流產(chǎn)生強(qiáng)制性阻斷控制，信號燈通過在時(shí)間上隔離不同方向的車流，控制交叉口的運(yùn)行秩序。交叉口作為城市交通系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和交通控制的基本單元，承載著交通流的匯聚和分散功能，合理高效的交叉口控制系統(tǒng)對城市交通系統(tǒng)的高效、安全和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。信息物理系統(tǒng)能夠融合感知和控制技術(shù)，描述交通中物理實(shí)體與信息虛體之間的動(dòng)態(tài)演化關(guān)系，為構(gòu)建網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下車路協(xié)同智能交通系統(tǒng)，解決城市交通管理問題提供了新的思路。

2、對于信號交叉口優(yōu)化控制，目前國內(nèi)外開展了大量研究并取得了一些重要進(jìn)展，在交叉口通行效率、車輛通行延遲等方面較傳統(tǒng)控制方案有所改善。但是，目前對交叉口信號控制的研究大多將交通信號和車輛控制的優(yōu)化分別進(jìn)行，缺少對車聯(lián)網(wǎng)信息的有效利用，鮮有針對交叉口信號與車輛速度協(xié)同優(yōu)化控制的研究。此外，盡管有少數(shù)研究針對信號和車輛速度開展聯(lián)合優(yōu)化，但是這些研究所提供的方法具有復(fù)雜的模型，需要大量的計(jì)算資源，限制了這些方法的進(jìn)一步發(fā)展,相比之下更適用于規(guī)劃和評估任務(wù)而非實(shí)時(shí)應(yīng)用。因此，有必要從系統(tǒng)層面同時(shí)考慮信號燈的控制和車輛速度的優(yōu)化，進(jìn)一步探索研究滿足實(shí)際交通應(yīng)用需求的信號交叉口協(xié)同控制策略。

3、智能汽車信息物理系統(tǒng)是未來智能交通系統(tǒng)的新形態(tài)。智能汽車信息物理系統(tǒng)作為一種新興的系統(tǒng)架構(gòu)，將物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)深度融合，刻畫了各種交通對象在物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)之間的相互映射、信息交互、反饋和執(zhí)行關(guān)系，并準(zhǔn)確描述了整個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)演化的過程。對于復(fù)雜、強(qiáng)耦合的城市交通系統(tǒng)而言，智能汽車信息物理系統(tǒng)有助于準(zhǔn)確把握和理解城市交通控制的內(nèi)在機(jī)制和運(yùn)行規(guī)律，能夠有效促進(jìn)智能交通生態(tài)體系的發(fā)展。

4、面對復(fù)雜、強(qiáng)耦合的城市交通系統(tǒng)，有必要從信息物理系統(tǒng)的視角和技術(shù)出發(fā)，結(jié)合智能網(wǎng)聯(lián)汽車、云計(jì)算以及先進(jìn)信息通信技術(shù)，研究城市交通信息因素與物理因素復(fù)雜交互和融合的作用機(jī)制，設(shè)計(jì)高效、環(huán)保的城市交通管理框架和控制算法。從信息物理系統(tǒng)的視角探索城市信號交叉口控制問題，有助于理解城市智能交通下車輛、信號燈以及智能控制平臺的內(nèi)在耦合機(jī)制，推動(dòng)城市智能交通體系化發(fā)展。

5、基于以上原因，本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于信息物理系統(tǒng)多尺度特征的城市交通控制框架，具有尺度間層次清晰、關(guān)聯(lián)關(guān)系清楚、對象明確、易擴(kuò)展等優(yōu)勢，能夠廣泛應(yīng)用于滿足實(shí)際交通應(yīng)用需求的道路信號交叉口的協(xié)同控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于cps多尺度的城市道路交叉口交通控制方法。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提出的信息物理系統(tǒng)多尺度理論，針對城市交通控制問題，考慮尺度內(nèi)和尺度間的交通動(dòng)態(tài)、交互作用，設(shè)計(jì)了基于信息物理系統(tǒng)多尺度特征的城市交通控制框架。該框架將整個(gè)交通系統(tǒng)分為節(jié)點(diǎn)級、單元級、子系統(tǒng)級、系統(tǒng)級以及區(qū)域級五個(gè)不同尺度，各尺度系統(tǒng)服務(wù)的廣度和實(shí)時(shí)性要求均有所不同：從節(jié)點(diǎn)級到區(qū)域級服務(wù)范圍逐級擴(kuò)大，實(shí)時(shí)性要求則逐級降低。同時(shí)，尺度間具有包含關(guān)系，多個(gè)較低級別尺度由較高級別的尺度統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。例如，一個(gè)系統(tǒng)級尺度通常監(jiān)督和控制一組子系統(tǒng)級尺度的活動(dòng)。此外，該框架描述了每個(gè)尺度的尺度內(nèi)狀態(tài)、控制目標(biāo)、以及信息層與物理層各要素的交互關(guān)系。根據(jù)控制的需求不同，該框架也可以靈活地進(jìn)行擴(kuò)展。

4、節(jié)點(diǎn)級智能汽車信息物理系統(tǒng)是整個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)的最小尺度，該尺度信息物理系統(tǒng)以單個(gè)智能汽車為視角，僅考慮車輛內(nèi)部的組成部分與系統(tǒng)運(yùn)行過程。節(jié)點(diǎn)級智能汽車信息物理系統(tǒng)必須具備可感知、可計(jì)算、可交互、可擴(kuò)展和自決策功能，通過傳感設(shè)備完成對自身車輛狀態(tài)及周圍環(huán)境信息的感知，將其映射到信息空間，并通過在信息空間中的計(jì)算、分析、決策，進(jìn)而控制物理世界中的車輛實(shí)體，構(gòu)建最基本的數(shù)據(jù)自動(dòng)流動(dòng)閉環(huán)，形成物理世界和信息世界的融合交互。

5、單元級智能汽車信息物理系統(tǒng)突破單車智能，采用車載自組織網(wǎng)絡(luò)(vehicularad-hoc?networks,vanets)的方式與周圍車輛建立通信連接，它還進(jìn)一步地將各自獨(dú)立的信息空間通過網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行共享，使車輛之間演化出協(xié)同和自組織的功能。典型的單元級智能汽車信息物理系統(tǒng)是cav編隊(duì)行駛。單元級尺度關(guān)注車群內(nèi)的信息交互、協(xié)同控制。系統(tǒng)內(nèi)各車輛的通信頻率以及時(shí)機(jī)取決于當(dāng)時(shí)的物理空間的狀態(tài)，若狀態(tài)相對穩(wěn)定，則降低通信頻率；若狀態(tài)波動(dòng)較大，則增加通信頻率，共同完成協(xié)同任務(wù)。

6、子系統(tǒng)級智能汽車信息物理系統(tǒng)關(guān)注超視距的車群間、車與路段間的協(xié)同。系統(tǒng)包含一定規(guī)模的車輛，這使得僅靠局部車車通信、車車協(xié)同的方式，將不能滿足全局范圍內(nèi)的優(yōu)化控制，車隊(duì)內(nèi)繁重的感知和計(jì)算任務(wù)需要通過v2i實(shí)現(xiàn)與邊緣云的連接以支持其任務(wù)卸載。此外，系統(tǒng)也包含路段及其附屬基礎(chǔ)設(shè)施(空間范圍通常為50至300米)，典型的路段包括交叉口及信號燈、合流區(qū)、隧道等，在對子系統(tǒng)級智能汽車信息物理系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，需充分考慮車輛與路段的相互作用。子系統(tǒng)級尺度主要關(guān)注車群、路段以及邊緣云的互聯(lián)互通形成的局部范圍內(nèi)閉環(huán)通信鏈路及融合控制。除此之外，子系統(tǒng)級尺度控制的形式也發(fā)生改變，在節(jié)點(diǎn)級智能汽車信息物理系統(tǒng)中，系統(tǒng)直接控制車輛底盤系統(tǒng)，而在子系統(tǒng)級智能汽車信息物理系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷ψ罱K狀態(tài)的指定，不會(huì)直接指定車輛的具體動(dòng)作過程。

7、系統(tǒng)級智能汽車信息物理系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)級智能汽車信息物理系統(tǒng)和區(qū)域云組成，系統(tǒng)的空間范圍擴(kuò)大為300至5000米，達(dá)到路網(wǎng)級別，包含若干個(gè)信號交叉口；時(shí)間范圍擴(kuò)大到10至20s，因此在這一級系統(tǒng)提供更長的計(jì)算與決策時(shí)間。對于系統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域云及邊緣云，它們之間通過有線通信的方式建立連接，可傳輸大量信息用以共享局部交通狀態(tài)和決策信息。

8、區(qū)域級智能汽車信息物理系統(tǒng)可以通過中心云及大數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨平臺的互聯(lián)、互通和互操作，促成了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效集成、交換和共享，在城市范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息全面感知、深度分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行。該層級系統(tǒng)關(guān)注城市范圍內(nèi)交通態(tài)勢的宏觀調(diào)控，負(fù)責(zé)對道路資源進(jìn)行分配與協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)城市各區(qū)域和路段交通壓力的平衡，確保交通順暢。

9、通過對智能汽車信息物理系統(tǒng)進(jìn)行尺度劃分，能夠更加地清晰地劃分系統(tǒng)邊界，深入理解系統(tǒng)的構(gòu)成及其運(yùn)作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚、低耦合的系統(tǒng)解耦，聚焦研究對象。

10、在所設(shè)計(jì)城市交通控制框架中，各個(gè)尺度的信息層具有不同的結(jié)構(gòu)，所提供的服務(wù)也不相同：

11、節(jié)點(diǎn)級系統(tǒng)的車載計(jì)算平臺指車機(jī)及其配備的實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)，主要運(yùn)行自動(dòng)駕駛或輔助駕駛應(yīng)用程序，為車輛提供強(qiáng)實(shí)時(shí)性的行車和安全服務(wù)，是實(shí)現(xiàn)單車智能、自主決策的重要一環(huán)；

12、單元級系統(tǒng)的共建云是指該尺度下突破單車智能，車輛采用網(wǎng)聯(lián)的方式與周圍車輛建立穩(wěn)定通信連接，將各自獨(dú)立的信息空間通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式得以共享，實(shí)現(xiàn)車輛之間的融合感知和協(xié)同控制，主要運(yùn)行較強(qiáng)實(shí)時(shí)性的車輛協(xié)同服務(wù)，例如編隊(duì)行駛等；

13、子系統(tǒng)級的邊緣云包括移動(dòng)邊緣計(jì)算(mobile?edge?computing,mec)和實(shí)時(shí)緩存技術(shù)，主要運(yùn)行具有弱實(shí)時(shí)需求的協(xié)作應(yīng)用程序，面向用戶提供云控應(yīng)用基礎(chǔ)服務(wù)；

14、系統(tǒng)級的區(qū)域云提供并行計(jì)算和廣域通信，主要運(yùn)行區(qū)域級范圍的非實(shí)時(shí)協(xié)作應(yīng)用，向交通運(yùn)輸和交通管理部門提供交通監(jiān)管、執(zhí)法等云控應(yīng)用的基礎(chǔ)服務(wù)，并面向區(qū)域內(nèi)的各個(gè)邊緣云提供宏觀協(xié)調(diào)服務(wù)；

15、區(qū)域級系統(tǒng)受益于中心云的高性能計(jì)算和大數(shù)據(jù)存儲，運(yùn)行服務(wù)于整個(gè)城市的非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序，主要面向交通管理部門、政府部門、車輛生產(chǎn)與制造企業(yè)、高校及科研單位，為其提供宏觀交通數(shù)據(jù)分析與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)增值服務(wù)。

16、本發(fā)明對于所提出的信息物理系統(tǒng)多尺度城市交通控制問題，建立適用于所提出框架的通用優(yōu)化模型。設(shè)m表示所有的尺度，m∈m且m＝1為時(shí)空范圍最小的尺度，m＝m為時(shí)空范圍最大的尺度。設(shè)km為尺度m下的任一離散時(shí)刻，任意兩時(shí)刻km-1(m≥1)與km之間的時(shí)間間隔為δtm。由于不同尺度實(shí)時(shí)性要求不同，因此δtm的值不同。對于不同尺度間的時(shí)間間隔δtm(m∈m)，存在δt1＜δt2＜…＜δtm，對應(yīng)到本文前面所提出的多尺度問題，則尺度m＝1代表節(jié)點(diǎn)級智能汽車信息物理系統(tǒng)，尺度m＝m代表區(qū)域級智能汽車信息物理系統(tǒng)。此外，xm(km)表示在m尺度下第km時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，例如車輛的位置、加速度、信號燈狀態(tài)等。um(km)表示在m尺度下第km時(shí)刻的控制變量，例如車輛的加速度、信號燈的相位切換等。綜上，多尺度信息物理系統(tǒng)城市交通控制問題的一般公式可以離散形式表示為q0：

17、

18、滿足約束：

19、

20、方程(1)為整個(gè)多尺度問題的系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，αm為目標(biāo)函數(shù)中第m尺度目標(biāo)的權(quán)重，并服從式(2)的約束。在式(2)中，第一個(gè)方程表示尺度內(nèi)系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，狀態(tài)的轉(zhuǎn)移遵從尺度內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)定律如牛頓第二定律、能量守恒定律等。此外，在本研究中可以認(rèn)為相鄰尺度間的相互作用遠(yuǎn)大于其他尺度間相互作用，因此做出適當(dāng)簡化處理，忽略非相鄰尺度之間的相互作用，即尺度m主要受到m-1(m≥0)與m+1尺度的影響，并用式(2)中第二個(gè)方程進(jìn)行表示相鄰尺度間的相互作用。式(2)第三個(gè)方程中x(km＝0)為矢量，表示整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)尺度的初始狀態(tài)。式(2)第四個(gè)方程為系統(tǒng)狀態(tài)和控制的極限約束，例如因發(fā)動(dòng)機(jī)功率等因素導(dǎo)致車輛最大速度、最大加速度受到限制。式(2)第五個(gè)方程為系統(tǒng)中其它為滿足實(shí)際場景需求而設(shè)置的約束，例如交通信號燈同一時(shí)間只能有一個(gè)綠燈相位。

21、本發(fā)明所建立的通用優(yōu)化模型q0顯然是多尺度的：首先，在不同的尺度m下，δtm表示的時(shí)間間隔從毫秒級到分鐘級不等，因此在時(shí)間域是多尺度的；其次，對于尺度m，所涉及到的系統(tǒng)狀態(tài)xm(km)和控制變量um(km)都限定在特定地理區(qū)域內(nèi)，例如車輛、信號交叉口、路網(wǎng)等，因此在空間范圍內(nèi)是隱含的多尺度。

22、本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明能夠很好地描述尺度內(nèi)和尺度間信息流動(dòng)的過程。在單個(gè)尺度內(nèi)，通過融合感知真實(shí)的物理實(shí)體如道路環(huán)境、車輛狀態(tài)、信號燈相位并經(jīng)汽車總線或v2x通信技術(shù)(依據(jù)尺度不同，通信方式有所不同)傳輸?shù)交A(chǔ)平臺，在基礎(chǔ)平臺經(jīng)過初步處理后，最終以數(shù)字信息的形式在信息層進(jìn)行實(shí)時(shí)映射和重構(gòu)，完成cps數(shù)據(jù)流動(dòng)閉環(huán)中物理層到信息層(physical?to?cyber,p2c)的過程，是信息空間對物理空間正確反映的體現(xiàn)。

23、本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)現(xiàn)和獲得。