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      一種面向高速公路大流量通行效率優(yōu)化的CPS控制策略

      文檔序號(hào):40389220發(fā)布日期:2024-12-20 12:12閱讀:5來源:國知局
      一種面向高速公路大流量通行效率優(yōu)化的CPS控制策略

      本發(fā)明屬于信息物理系統(tǒng)控制領(lǐng)域,具體涉及一種面向高速公路大流量通行效率優(yōu)化的cps控制策略。


      背景技術(shù):

      1、由于道路容量有限,突發(fā)大流量容易造成交通擁堵,特別是封閉運(yùn)行的高速公路,擁堵難以消散,不僅給出行帶來不便,也造成經(jīng)濟(jì)損失與環(huán)境污染。此外,賽博資源(計(jì)算和通信資源)是有限的,因此,如何在賽博資源約束下優(yōu)化高速公路大流量通行效率成為值得關(guān)注的問題。

      2、現(xiàn)有研究的調(diào)控途徑有可變限速控制(variable?speed?limit,vsl)、匝道控制(ramp?metering,rm)等,多采用三種模型預(yù)測(cè)控制(model?predictive?control,mpc)求解最優(yōu)控制信號(hào):集中式mpc、局部mpc以及固定結(jié)構(gòu)的分布式mpc,三者各有優(yōu)點(diǎn),但是均難以在賽博資源有限約束下同時(shí)保證控制效果和實(shí)時(shí)性要求。其中,集中式mpc控制效果較好,但在計(jì)算資源有限約束下,難以滿足實(shí)時(shí)性需求;局部mpc可減少計(jì)算開銷,然而由于路段間缺乏信息共享,對(duì)高速公路整體交通通行效率的控制效果較差;固定結(jié)構(gòu)的分布式mpc能夠保障實(shí)時(shí)性,但隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車(intelligent?connectedvehicles,icv)和交通流量的增加,賽博資源需求逐漸增大,該方法已難以適應(yīng)賽博資源約束下的高速公路交通調(diào)控需求。此外,高速公路系統(tǒng)呈現(xiàn)出日益復(fù)雜的分布式和網(wǎng)絡(luò)化特征,不僅涉及道路及車輛間的物理關(guān)系,還存在icv和路側(cè)設(shè)備等節(jié)點(diǎn)及其之間的信息處理和交互等賽博關(guān)系,構(gòu)成了復(fù)雜的信息物理系統(tǒng)(cyber?physical?system,cps)。因此,有必要基于cps視角,進(jìn)一步探索賽博資源有限約束條件下的高速公路分布式協(xié)同控制問題。


      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面向高速公路大流量通行效率優(yōu)化的cps控制策略,本發(fā)明旨在解決高速公路各路段有限計(jì)算及通信資源約束下交通大流量導(dǎo)致的通行效率低下問題。

      2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:

      3、一種基于icv的三層信息物理系統(tǒng)架構(gòu),包括三個(gè)層級(jí):系統(tǒng)級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)和車輛級(jí)。其中,系統(tǒng)級(jí)根據(jù)高速公路各路段交通密度,通過動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)連接對(duì)路段進(jìn)行分群,形成路段集群,即子系統(tǒng);在子系統(tǒng)級(jí),各子系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部共享的交通信息,基于交通流量態(tài)勢(shì)觸發(fā)所轄路段對(duì)其主路車輛的優(yōu)化速度建議以及對(duì)匝道的控制信號(hào);車輛級(jí)則基于建議速度,實(shí)現(xiàn)對(duì)主道上的icv的車速引導(dǎo),同時(shí)控制匝道上的icv按匝道流量控制信號(hào)行駛。

      4、基于上述系統(tǒng)架構(gòu),本發(fā)明提供了一種面向高速公路大流量通行效率優(yōu)化的cps控制策略,包括系統(tǒng)級(jí)動(dòng)態(tài)分群策略、子系統(tǒng)級(jí)協(xié)同控制策略與車輛級(jí)車速引導(dǎo)策略,該策略的實(shí)施步驟如下:

      5、s1.以路段集群結(jié)構(gòu)所需通信開銷、計(jì)算開銷及集群相關(guān)程度為優(yōu)化目標(biāo),確定系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù);

      6、s2.采用最優(yōu)集群劃分算法求解高速公路在當(dāng)前交通狀態(tài)下的最優(yōu)路段集群結(jié)構(gòu);

      7、s3.基于步驟s2得到的優(yōu)路段集群結(jié)構(gòu),以子系統(tǒng)內(nèi)車輛總行駛時(shí)間、總行駛距離、入口匝道排隊(duì)長度、路段內(nèi)限速值突變情況和匝道放行率突變情況作為優(yōu)化目標(biāo),建立五個(gè)子系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù),進(jìn)一步以路段限速值上下界和匝道放行率上下界作為約束,建立多目標(biāo)優(yōu)化問題;

      8、s4.采用子系統(tǒng)級(jí)多目標(biāo)優(yōu)化算法,求解步驟s3建立的多目標(biāo)優(yōu)化問題,得到最優(yōu)控制決策,即各路段主道的車速建議以及匝道控制信號(hào);

      9、所述子系統(tǒng)級(jí)多目標(biāo)優(yōu)化算法采用非支配排序進(jìn)化算法對(duì)步驟s3建立的多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解,得到多目標(biāo)函數(shù)下的pareto最優(yōu)解集,然后,基于逼近理想解排序法,在pareto最優(yōu)解集中選擇一個(gè)最優(yōu)控制決策;

      10、s5.設(shè)計(jì)路段的擁堵程度指標(biāo),并以擁堵程度指標(biāo)計(jì)算子系統(tǒng)內(nèi)各路段的擁堵程度,之后各路段根據(jù)自身交通狀態(tài),與所屬子系統(tǒng)內(nèi)相鄰路段的擁堵程度,判斷是否啟動(dòng)主動(dòng)控制措施、是否更新控制決策;

      11、s6.基于所屬路段的建議速度以及本車與前車間距,計(jì)算本車期望速度;

      12、s7.路段主道icv按期望速度行駛,同時(shí)匝道icv按匝道控制信號(hào)行駛。

      13、進(jìn)一步,所述步驟s1包括以下子步驟:

      14、s1.1計(jì)算kt時(shí)刻系統(tǒng)的通信開銷ec(k);

      15、

      16、式中,ci(k)為第i個(gè)子系統(tǒng);c(k)為子系統(tǒng)集合;m表示ci(k)中的第m個(gè)路段;cm為集群內(nèi)路段m發(fā)送信息的數(shù)據(jù)量;eelec為發(fā)送或接收每比特?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)生的能耗;εamp為將每比特?cái)?shù)據(jù)發(fā)送單位平方米產(chǎn)生的能耗;dm,m′為路段m和m′間的距離;υ為通信環(huán)境下的傳播衰減指數(shù);常數(shù)b為兩個(gè)路段間通信占用帶寬;|ci(k)|為集群內(nèi)路段數(shù);

      17、s1.2計(jì)算kt時(shí)刻系統(tǒng)的計(jì)算開銷tcal;

      18、

      19、式中,tevo為優(yōu)化算法的進(jìn)化操作時(shí)間;t1、t2為待擬合常數(shù);m表示總路段數(shù);

      20、s1.3計(jì)算kt時(shí)刻系統(tǒng)的集群相關(guān)程度rd(k);

      21、

      22、

      23、式中,ρm,i(k)為kt時(shí)刻路段m第i個(gè)區(qū)間的密度;為路段m的臨界密度;

      24、s1.4根據(jù)步驟s1.1~s1.3,確定系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù)為:

      25、

      26、式中,κc、κt分別表示通信開銷和計(jì)算開銷權(quán)重;kt=kt/tt,tt表示系統(tǒng)級(jí)控制周期;kt表示第k個(gè)路段信息采樣周期的結(jié)束時(shí)刻,k表示常數(shù),t表示路段信息采樣周期。

      27、進(jìn)一步,所述步驟s2中的最優(yōu)集群劃分算法是基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì)的,包含主算法和子算法;

      28、主算法用于根據(jù)高速公路多路段區(qū)域內(nèi)各路段的擁堵程度初步分割可能組成路段集群的子區(qū)域,以及調(diào)用子算法;

      29、子算法用于計(jì)算子區(qū)域內(nèi)最優(yōu)協(xié)同路段集群劃分決策。

      30、進(jìn)一步,所述步驟s3包括以下子步驟:

      31、s3.1建立五個(gè)子系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù);

      32、i.建立以子系統(tǒng)內(nèi)車輛總行駛時(shí)間jtts(kc)為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);

      33、

      34、式中,um為路段m∈cj的一個(gè)控制決策,包括主道控制區(qū)域的限速值vslm,i及入口匝道控制區(qū)域的匝道放行率rm,i;np為預(yù)測(cè)時(shí)域步數(shù);z=tc/t,kc=k/z,tc為子系統(tǒng)級(jí)控制周期;wm′,i(zkc+p)表示路段m′的第i分段在zkc+p時(shí)刻對(duì)應(yīng)入口匝道的排隊(duì)長度;p為整數(shù)且p∈{zkc,zkc+1,···,z(kc+np)};表示路段m′的所有分段集合;lm′,i表示路段m′的第i分段的長度;λm′,i表示路段m′的第i分段的車道數(shù);ρm′,i(zkc+p)表示路段m′的第i分段在zkc+p時(shí)刻的密度;

      35、ii.建立以總行駛距離jttd(kc)為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);

      36、

      37、式中,vm′,i(zkc+p)表示路段m′的第i分段在zkc+p時(shí)刻分段內(nèi)車輛的平均速度;

      38、iii.以入口匝道排隊(duì)長度為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);

      39、

      40、

      41、式中,jw為預(yù)測(cè)時(shí)域步數(shù)np內(nèi)對(duì)子系統(tǒng)cj中入口匝道排隊(duì)長度懲罰;wm',i(k)為kt時(shí)刻對(duì)應(yīng)入口匝道的排隊(duì)長度;為對(duì)應(yīng)入口匝道最大排隊(duì)車輛數(shù);

      42、iv.以路段內(nèi)限速值突變情況為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);

      43、

      44、式中,jδvsl為控制時(shí)域步數(shù)nc內(nèi)對(duì)路段m內(nèi)限速值的突變懲罰;vslm,i表示路段m第i區(qū)間的限速值;c為整數(shù)且c∈{0,1,···,nc-1)};

      45、v.以路段內(nèi)匝道放行率突變情況為優(yōu)化目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù);

      46、

      47、式中,jδr為控制時(shí)域步數(shù)nc內(nèi)對(duì)路段m內(nèi)匝道放行率的突變懲罰;rm,i表示路段m第i區(qū)間的匝道放行率;

      48、s3.2基于步驟s3.1建立的五個(gè)子系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù),以限速值上下界、匝道放行率上下界作為約束,建立如下所示的多目標(biāo)優(yōu)化模型:

      49、

      50、式中,vslmin和vslmax分別為限速值上界和下界;rmin和rmax分別為匝道放行率上界和下界。

      51、進(jìn)一步,所述步驟s5包括以下子步驟:

      52、s5.1計(jì)算路段的擁堵程度;

      53、

      54、式中,mcm表示路段m的擁堵程度指標(biāo);為路段m第i個(gè)區(qū)間的臨界密度;

      55、s5.2定義分別為控制觸發(fā)時(shí)刻序列、控制決策更新時(shí)刻序列,計(jì)算表達(dá)式如下:

      56、

      57、

      58、式中,θc、σu和θu均為超參數(shù)。

      59、進(jìn)一步,所述步驟s6中,期望速度的計(jì)算表達(dá)式為:

      60、

      61、

      62、式中,為當(dāng)前路段中車道l上本車與前車的車間距;為建議速度;表示當(dāng)前路段中車道l上icv均勻分布時(shí)的車輛間距;lveh為icv的平均車長。

      63、有益效果:

      64、1、本發(fā)明所提策略能夠根據(jù)各路段交通狀態(tài),動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)路側(cè)設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系,實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的信息共享與協(xié)同控制,避免不必要的通信資源開銷以及對(duì)交通效率提升無效的計(jì)算資源開銷,實(shí)現(xiàn)賽博資源有限約束下高速公路的分布式協(xié)同控制。

      65、2、依據(jù)車輛級(jí)車速引導(dǎo)策略,icv能夠根據(jù)建議車速結(jié)合周邊交通狀態(tài)實(shí)現(xiàn)單車速度控制,可保證路段內(nèi)車輛的均勻分布,以避免icv在交通流中的隨機(jī)和非均勻分布給高速公路交通通行效率帶來的負(fù)面影響。

      66、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(duì)下文的考察研究,對(duì)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。

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