本發(fā)明涉及城市路網(wǎng)交通規(guī)劃，具體涉及一種大規(guī)模城市路網(wǎng)交通流的分層與分布式模型預(yù)測控制方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，車輛技術(shù)的發(fā)展和民用車擁有量的穩(wěn)步增長導(dǎo)致了交通擁堵的增加。鑒于城市主要道路建設(shè)既困難又昂貴，緩解擁堵的最有效方法之一是利用交通信號控制來增加現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的使用效率。合理的交通信號控制可以大大減少交通擁堵，從而使交通狀況得到改善。此外，電子、傳感、信息和通信技術(shù)的最新進(jìn)步使交通數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集和處理以及智能控制器的部署成為可能，以實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的有效運(yùn)行。對于路網(wǎng)控制，為了獲得最優(yōu)的交通信號設(shè)置，利用道路傳感器檢測到的在線交通數(shù)據(jù)，經(jīng)過求解優(yōu)化問題等方式獲取當(dāng)前路網(wǎng)狀態(tài)下各個(gè)路口應(yīng)采用的信號燈信號設(shè)置方案，利用信號燈的紅綠燈時(shí)間控制車流的停止與通行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市大規(guī)模路網(wǎng)下全部路段與路口的通行效率。

2、宏觀基本圖(macroscopic?fundamental?diagram,mfd)將城市交通網(wǎng)絡(luò)視為一個(gè)整體，從總體角度描述了網(wǎng)絡(luò)的特征，這一概念的引入對于交通研究和管理具有重要意義。mfd將交通網(wǎng)絡(luò)中的車輛數(shù)量(或密度)與空間平均交通流量聯(lián)系起來。因此，如果將城市交通網(wǎng)絡(luò)視為一個(gè)整體，則mfd可以描述網(wǎng)絡(luò)的特征。一方面，這些發(fā)現(xiàn)使得在網(wǎng)絡(luò)層面建立交通流動態(tài)模型變得更加容易。另一方面，研究人員可以設(shè)計(jì)基于mfd的實(shí)時(shí)控制策略，以緩解大規(guī)模城市交通網(wǎng)絡(luò)中的擁堵和提高機(jī)動性。模型預(yù)測控制(model?predictivecontrol,mpc)是一種基于最優(yōu)化思想，能夠較好應(yīng)對不確定性以及非線性、顯示處理控制約束的先進(jìn)控制方法，在城市交通的路網(wǎng)交通流控制領(lǐng)域與車路協(xié)同領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。mpc方法一般可分為集中式控制和分布式控制兩類。集中式的控制器使用路網(wǎng)內(nèi)所有路段的車輛數(shù)以及全部路口的信號燈時(shí)長作為輸入來進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)較為容易，也能夠獲得全局最優(yōu)控制性能，但隨著路網(wǎng)規(guī)模的增大，集中式控制器的計(jì)算量會急劇增長，從而影響控制的實(shí)時(shí)性。而分布式控制的思想則是將整個(gè)控制系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的針對單一對象的控制器，通過考慮子系統(tǒng)的目標(biāo)、約束以及各個(gè)系統(tǒng)之間的相互作用對來系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性與實(shí)用性。與此同時(shí)，分層控制策略通過將不同層的控制結(jié)合，在求解上層的優(yōu)化問題后將結(jié)果傳遞給下層后繼續(xù)求解，可以有效實(shí)現(xiàn)不同控制量、狀態(tài)量之間的轉(zhuǎn)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的控制效果。將mpc控制策略與分層策略應(yīng)用于交通流控制中，可以有效借助mpc的優(yōu)越控制性能。

3、現(xiàn)有的mpc交通流管理方法面臨以下幾個(gè)局限性：1)分層和分布式控制策略的結(jié)合往往依賴于復(fù)雜的交通流模型，當(dāng)應(yīng)用于大規(guī)模城市道路網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這些模型變得過于復(fù)雜，需要進(jìn)一步改進(jìn)以獲得更好的可擴(kuò)展性和效率。2)mfd所描述的道路網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特屬性通常在mpc框架中被忽略。因此，成本函數(shù)不能考慮網(wǎng)絡(luò)的特性，限制了充分利用網(wǎng)絡(luò)潛力的能力

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了大規(guī)模城市路網(wǎng)交通流的分層與分布式模型預(yù)測控制方法，能夠通過將分層控制策略與分布式mpc結(jié)合，有效利用路網(wǎng)通行的mfd相關(guān)性質(zhì)，在路網(wǎng)車流過飽和的情況下采用該控制策略使路網(wǎng)車輛數(shù)維持在某個(gè)最優(yōu)值附近，可以在實(shí)現(xiàn)減緩擁堵的前提下最大限度保障路網(wǎng)內(nèi)車流的通行效率，并保障計(jì)算效率。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案大規(guī)模城市路網(wǎng)交通流的分層與分布式模型預(yù)測控制方法，其中路網(wǎng)包括由道路連接的一組交叉路口，若連接路口數(shù)量大于4個(gè)則為大規(guī)模城市路網(wǎng)，該方法具體包括如下步驟：

3、步驟1：對城市路網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分。

4、步驟2：對路網(wǎng)劃分的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，得到區(qū)域路網(wǎng)的mfd圖像及性質(zhì)。

5、步驟3：進(jìn)行分層mpc中上層控制器的優(yōu)化求解。

6、步驟4：結(jié)合分布式mpc進(jìn)行分層策略的下層mpc優(yōu)化求解。

7、步驟5：繼續(xù)路網(wǎng)車輛通行，從當(dāng)前時(shí)刻前進(jìn)至下一時(shí)刻，各個(gè)傳感器繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟3至步驟4，實(shí)現(xiàn)滾動優(yōu)化。

8、進(jìn)一步地，步驟1：對城市路網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分，具體為：將城市路網(wǎng)劃分為i、j、l三個(gè)區(qū)域，三個(gè)區(qū)域是基于相同的路網(wǎng)構(gòu)造劃分的，劃分方式不唯一；在此基礎(chǔ)上并在各區(qū)域內(nèi)繼續(xù)將路網(wǎng)劃分為構(gòu)造相同的多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的路口數(shù)量以及各個(gè)路口的分布方式均相同。

9、進(jìn)一步地，步驟2：對路網(wǎng)劃分的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，得到區(qū)域路網(wǎng)的mfd圖像及性質(zhì)，具體為：

10、在各條路段內(nèi)通過傳感器獲取在時(shí)刻kd內(nèi)每條路段的車輛數(shù)nz(kd),z＝1,2,3...，以及每條路段的車流量qz(kd)，以此計(jì)算在時(shí)刻kd內(nèi)三個(gè)區(qū)域平均車輛數(shù)ni(kd),nj(kd),nl(kd)，各條車道w通向下游路段z的轉(zhuǎn)彎率rwz,w＝1,2,3...在區(qū)域進(jìn)出口與連接處使用傳感器獲取各個(gè)區(qū)域的車流交換量qij(kd),qji(kd),qil(kd),qli(kd),qjl(kd),qlj(kd)以及路網(wǎng)流入與流出的車流量qi,in(kd),qi,out(kd),qj,in(kd),qj,out(kd),ql,in(kd),ql.out(kd)。

11、其中qij(kd)為時(shí)刻kd內(nèi)i區(qū)域至j區(qū)域的車流交換量、qji(kd)為時(shí)刻kd內(nèi)j區(qū)域至i區(qū)域的車流交換量、qil(kd)為時(shí)刻kd內(nèi)i區(qū)域至l區(qū)域的車流交換量、qli(kd)為l區(qū)域至i區(qū)域的車流交換量、qjl(kd)為j區(qū)域至l區(qū)域的車流交換量、qlj(kd)為l區(qū)域至j區(qū)域的車流交換量；qi,in(kd)為i區(qū)域流入的車流量、qi,out(kd)為i區(qū)域流出的車流量、qj,in(kd)為j區(qū)域流入的車流量、qj,out(kd)為j區(qū)域流出的車流量、ql,in(kd)為l區(qū)域流入的車流量、ql.out(kd)為l區(qū)域流出的車流量。

12、設(shè)定路網(wǎng)流入車流在三個(gè)區(qū)域內(nèi)的值qi,in,qj,in,ql,in在全部時(shí)刻均為已知的定值。

13、對于路網(wǎng)劃分的三個(gè)區(qū)域i、j、l，其各自均具有對應(yīng)的mfd圖像以及圖像所對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，mfd圖像表示路網(wǎng)內(nèi)車流的兩種性質(zhì)，一種是存在的車輛數(shù)與通行車流量之間的擬合函數(shù)關(guān)系，另一種是通行車流量與離開路網(wǎng)車流量之間的比例關(guān)系；通過將路網(wǎng)相關(guān)量采集后在坐標(biāo)軸上對應(yīng)并擬合曲線，獲得相應(yīng)的mfd圖像；由車輛數(shù)與通行車流量的函數(shù)關(guān)系進(jìn)一步獲得該路網(wǎng)中最大通行車流量對應(yīng)的車輛數(shù)ni,critical，由路網(wǎng)mfd已有研究可知這個(gè)值是唯一的。

14、進(jìn)一步地，步驟3：進(jìn)行分層mpc中上層控制器的優(yōu)化求解，具體為：

15、其中i、j、l三個(gè)區(qū)域共同組成分層mpc的上層控制器控制對象，以三個(gè)區(qū)域內(nèi)車輛數(shù)作為狀態(tài)量，區(qū)域間車流交換量和路網(wǎng)流出量作為控制量；各區(qū)域內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)為分層mpc的下層控制器控制對象，采用分布式mpc進(jìn)行優(yōu)化求解，以子系統(tǒng)內(nèi)各條道路車輛數(shù)作為狀態(tài)量，子系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)路口的信號燈綠燈時(shí)間長度作為控制量。

16、在路網(wǎng)過飽和的情況下，上層控制器以當(dāng)前區(qū)域車輛數(shù)ni(kd),nj(kd),nl(kd)為系統(tǒng)狀態(tài)量，區(qū)域車流交換量與路網(wǎng)流出車流量為控制量，依據(jù)由三個(gè)區(qū)域的mfd圖像所得性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化問題設(shè)計(jì)。

17、該優(yōu)化問題的目標(biāo)是通過利用mfd的特性來提高每個(gè)區(qū)域內(nèi)的車輛通行效率，通過最大化空間平均交通流量；所設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)由兩部分組成:1)最小化區(qū)域內(nèi)的車輛數(shù)量；2)將每個(gè)區(qū)域的車輛數(shù)量維持在mfd的臨界值，以最大化空間平均交通流；目標(biāo)函數(shù)包含優(yōu)化車輛數(shù)的目標(biāo)項(xiàng)以及追蹤ni,critical，nj,critical以及nl,critical的懲罰項(xiàng)；通過matlab中fmincon求解器求解該優(yōu)化問題，得到車流量的控制序列qi,out(kd+p|kd),qij(kd+p|kd),qil(kd+p|kd),qj,out(kd+p|kd),qji(kd+p|kd),qjl(kd+p|kd),ql,out(kd+p|kd),qlj(kd+p|kd),qli(kd+p|kd)；其中為上層預(yù)測時(shí)域，符號(kd+p|kd)表示基于kd步對kd+p步系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測；

18、得到一組未來p步驟內(nèi)的控制序列，每一個(gè)時(shí)刻的控制序列由9個(gè)車流量組成；取p＝0時(shí)的控制序列傳遞給下層控制器。

19、進(jìn)一步地，步驟3中，判斷路網(wǎng)過飽和的依據(jù)是kd步驟內(nèi)i、j、l三個(gè)區(qū)域內(nèi)是否有任意區(qū)域平均車輛數(shù)超過最大通行車流量對應(yīng)的車輛數(shù)。

20、進(jìn)一步地，步驟4：結(jié)合分布式mpc進(jìn)行分層策略的下層mpc優(yōu)化求解，具體為：

21、對于三個(gè)區(qū)域i、j、l，在上層控制器得到優(yōu)化控制序列后傳遞給下層控制器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)下層控制器需要具體優(yōu)化各個(gè)路口方向的信號燈綠燈時(shí)間長度，協(xié)調(diào)路網(wǎng)內(nèi)每條道路的通行能力。

22、采用分布式mpc進(jìn)行下層控制器設(shè)計(jì)，并選用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)模型對各個(gè)路段進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立。

23、對于每個(gè)區(qū)域，按照路網(wǎng)的構(gòu)造進(jìn)一步劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，要求每個(gè)子系統(tǒng)的路口數(shù)量，分布方式均相同；在每個(gè)子系統(tǒng)中設(shè)計(jì)分布式mpc控制器。

24、下層控制器在具體的路口通過信號燈信號的控制完成：(1)上層控制器得到的車流量控制序列的實(shí)現(xiàn)；(2)各個(gè)路段車輛通行的優(yōu)化；故在下層控制器中各個(gè)子系統(tǒng)的分布式mpc所求解的優(yōu)化問題目標(biāo)函數(shù)需要由兩項(xiàng)構(gòu)成。

25、在各個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行子系統(tǒng)的劃分后，各個(gè)子系統(tǒng)中所含路段被分為兩類：

26、第(1)類路段是連接區(qū)域與外界并進(jìn)行車輛交換的路段，這里的外界根據(jù)區(qū)域所處位置包含整個(gè)路網(wǎng)的外界環(huán)境以及相鄰區(qū)域兩種；與整個(gè)路網(wǎng)的外界環(huán)境相連并進(jìn)行車輛交換的路段，通過控制信號燈綠燈時(shí)長以控制qi,out,qj,out以及ql,out的實(shí)現(xiàn)；連接相鄰區(qū)域并進(jìn)行車輛交換的路段，通過控制信號燈綠燈時(shí)長以控制qij,qil,qji,qjl,qlj以及qli的實(shí)現(xiàn)。

27、第(2)類路段是子系統(tǒng)內(nèi)其余連接各個(gè)路口的路段；這一類路段通過控制信號等綠燈時(shí)長以控制車輛在子系統(tǒng)內(nèi)的通行，提高車輛在其中的通行效率。

28、分布式mpc所求解優(yōu)化問題中，對第(1)類路段設(shè)計(jì)的成本函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)上層控制器求解結(jié)果為目標(biāo)，根據(jù)上層mpc所得qi,out(kd+p|kd),qij(kd+p|kd),qil(kd+p|kd),qj,out(kd+p|kd),qji(kd+p|kd),qjl(kd+p|kd),ql,out(kd+p|kd),qlj(kd+p|kd),qli(kd+p|kd),取p＝0時(shí)刻控制序列，以對應(yīng)的各條路段內(nèi)車輛數(shù)nz(kd)為狀態(tài)量，nz(kd)表示路段z在步驟kd內(nèi)的平均車輛數(shù)，對應(yīng)路口信號燈綠燈時(shí)間長度gz(kd)為控制量，設(shè)計(jì)這一部分的目標(biāo)函數(shù)；其中z表示路段，此處是各子系統(tǒng)內(nèi)的第(1)類路段。

29、分布式mpc所求解優(yōu)化問題中，對第(2)類路段設(shè)計(jì)的成本函數(shù)，以優(yōu)化控制提高區(qū)域內(nèi)車輛的通行效率為目標(biāo)，以各個(gè)路段內(nèi)的車輛數(shù)nz(kd)為狀態(tài)量，對應(yīng)路口信號燈綠燈時(shí)間長度gz(kd)為控制量，設(shè)計(jì)這一部分的目標(biāo)函數(shù)；其中z表示路段，此處是各子系統(tǒng)內(nèi)的第(2)類路段。

30、通過兩類路段對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)，一個(gè)子系統(tǒng)中每條路段都有其對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，而該子系統(tǒng)需要求解的分布式mpc優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)通過各路段的目標(biāo)函數(shù)相加得到。

31、在各個(gè)區(qū)域中，采用交替方向乘子法admm對每次求解結(jié)果進(jìn)行子系統(tǒng)間的協(xié)同處理；將全局優(yōu)化問題分解為多個(gè)子問題，允許局部變量和全局變量交替更新，逐步收斂到全局最優(yōu)。

32、對交替方向乘子法admm做如下修改：

33、1)局部優(yōu)化：將每條鏈路的綠燈時(shí)間作為一個(gè)獨(dú)立的優(yōu)化變量，求解每條鏈路的目標(biāo)函數(shù)，得到局部變量gz。

34、2)全局協(xié)調(diào)：引入?yún)^(qū)域內(nèi)所有環(huán)節(jié)的平均綠燈時(shí)間作為全局變量g，以保證不同環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)和平衡設(shè)置。

35、3)變量更新：更新拉格朗日乘數(shù)，逐步糾正在個(gè)別綠燈時(shí)間與全球平均時(shí)間之間的差異，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)性。

36、求解得到各個(gè)路口對應(yīng)的信號燈綠燈時(shí)長控制序列：

37、

38、其中，為下層預(yù)測時(shí)域，z為所有路段z的最后一項(xiàng)；取其中第一列所得kd+1時(shí)刻的綠燈時(shí)長，設(shè)計(jì)滿足通行順序，即各相位互不沖突的一組信號燈方案應(yīng)用于各個(gè)路口，該方式為人工設(shè)計(jì)并直接控制信號燈的設(shè)置進(jìn)行應(yīng)用。

39、有益效果：

40、本發(fā)明提供的大規(guī)模城市路網(wǎng)交通流的分層與分布式模型預(yù)測控制方法，針對大規(guī)模的城市路網(wǎng)中交通流控制的問題，提供了一種分層與分布式模型預(yù)測控制方法，首先對路網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分，利用區(qū)域路網(wǎng)各自存在的mfd基本性質(zhì)，得出在路網(wǎng)通行的交通流過飽和情況之下路網(wǎng)通行最優(yōu)車流量對應(yīng)的車輛數(shù)，以及通行車流量與離開路網(wǎng)車流量的比例關(guān)系后，在上層控制器中，采用集中式mpc設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。通過在上層控制器求解區(qū)域間交換車流量以及離開路網(wǎng)車流量后，相關(guān)控制量傳遞至下層控制器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在下層控制器中，采用分布式mpc設(shè)計(jì)優(yōu)化問題，在實(shí)現(xiàn)上層傳輸控制序列的同時(shí)對子系統(tǒng)各路段車輛通行進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明使用mpc進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)，結(jié)合路網(wǎng)本身具有的函數(shù)關(guān)系性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在過飽和情況下通過信號燈時(shí)間方案的分配控制調(diào)節(jié)路網(wǎng)通行能力，緩解擁堵并最優(yōu)化路網(wǎng)通行效率。有效解決現(xiàn)有交通流控制方式大多基于少量路口的局部優(yōu)化，其控制策略無法推廣至城市的大規(guī)模路網(wǎng)交通流控制；或者是在大規(guī)模路網(wǎng)中直接使用集中式或分布式控制，未能結(jié)合路網(wǎng)性質(zhì)充分釋放路網(wǎng)通行的潛力，同時(shí)具有計(jì)算復(fù)雜、優(yōu)化效果不佳等缺陷。