本發明專利技術公開了一種基于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，設計動態數據存儲方案，用FPGA實現了基于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、行車速度實現了實時有效控制。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種FPGA預測控制方法,特別涉及一種。
技術介紹
隨著經濟的快速發展，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境污染，在9種主要的空氣污染物質中，6種直接或間接地與汽車尾氣排放有關，堵車狀態下汽車排出的有害物質 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，極易引發嚴重的交通擁擠；另一方面，當堵車發生時，車輛駕駛員因為過度等待，容易失去耐心，使得交通事故發生的幾率大大增加；可見交通擁擠已經成為影響全球城市可持續發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的重要信息發布，由監控中心計算機通過通訊網絡實行遠程控制、傳送并顯示各種圖文信息、向司機及時發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，交通知識的宣傳、達到減少高速公路重現性阻塞、減少高速公路非重現性事故的影響，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，信息顯示牌系統的設置機理為(I)檢測器信息收集和處理系統、⑵信息顯示牌信息提供、(3)通信系統、(4)中央控制系統；信息顯示牌的設置應從整個交通導行系統建設的角度出發，充分考慮導行與控制的關聯，結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向地面道路，避開擁擠區；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，國內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流體介質，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；在數值計算方面，模擬宏觀交通流所需時間與所研究交通系統中車輛數目無關，只與所研究道路、數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的交通流O題；這類模型被國際上大多數學者用來討論封閉道路的交通現象。然而，宏觀交通流模型大多數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。
技術實現思路
為了克服現有FPGA預測控制方法實時性差的不足，本專利技術提供一種。該方法通過對模型近似離散化處理，建立了并行處理流程，設計了動態數據存儲方案，用FPGA實現了基于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。可以使得高速公路的交通流密度、行車速度實現實時有效控制。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案一種，其特點是包括以下步驟步驟一、根據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，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，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 ]內車輛的平均密度，Vf為第i個路段在[η ξ，(η+1) ξ ]內車輛的平均速度；得到Payne-Whitham模型的差分形式為本文檔來自技高網...
【技術保護點】
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Payne？Whitham模型：∂ρ∂t+∂(ρv)∂x=π[r(x,t),s(x,t)]∂v∂t+v∂v∂x=Ve(ρ)-vT-c2(ρ)ρ∂ρ∂x式中，ρ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，π[r(x，t)，s(x，t)]為由于匝口進入或駛出的車流量引起的密度變化率函數，r(x，t)為由匝口進入的車流量，s(x，t)=s0(x，t)+sq(x，t)為由匝口駛出的車流量，s0(x，t)為由匝口駛出的正常車流量、sq(x，t)為信息顯示牌強制駛出車輛造成的流量增量，Ve(ρ)為等價速度，T為常數，c(ρ)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：∂ρ∂t=ρ(x,t+ξ)-ρ(x,t)ξ+o(ξ)=ρin+1-ρinξ∂ρ∂x=ρ(x+h,t)-ρ(x,t)h+o(h)=ρi+1n-ρinh∂v∂t=v(x,t+ξ)-v(x,t)ξ+o(ξ)=vin+1-vinξ∂v∂x=v(x+h,t)-v(x,t)h+o(h)=vi+1n-vinh式中，ξ為t的微分，h為x的微分，o(ξ)為ξ的高階無窮小，o(h)為h的高階無窮小，ρ(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，為第i個路段在[nξ，(n+1)ξ]內車輛的平均密度，為第i個路段在[nξ，(n+1)ξ]內車輛的平均速度；得到Payne？Whitham模型的差分形式為：ρin+1=ξπ[r(i,n),s(i,n)]-ξh[vin(ρi+1n-ρin)+ρin(vi+1n-vin)]+ρinvin+1=vin+ξ[ve(ρin)-vinT-c2(ρin)(ρi+1n-ρin)ρinh-vin(vi+1n-vin)h]式中，r(i，n)表示第i個路段在[nξ，(n+1)ξ]內由匝口進入的車流量，s(i，n)表示第i個路段在[nξ，(n+1)ξ]內由匝口駛出的車流量；步驟二、建立等價速度模型為：式中，v0，E，均為常數，vea為可變信息顯示牌指定速度；第i路段：式中，v0，E，均為常數，ρi表示第i個路段的平均交通流密度，vea(i)為第i個路段可變信息顯示牌指定速度；步驟三、結合Payne？Whitham模型的差分形式和等價速度模型，在FPGA中設計包含車輛平均密度ρ和平均速度v的計算模塊，根據實際道路的長度和匝口信息把高速公路分成多個路段，每個路段對應一個計算模塊，根據初始信息和調控信息，在FPGA中同時并行運行這些計算模塊，預測出各個路段下一時間段的車輛平均密度和平均速度，然后把車輛平均密度和平均速度存入寄存器，在所有計算模塊完成計算后，輸出車輛平均密度和平均速度，同時把這些數據回傳給計算模塊進行下一步的計算；步驟四、以匝口進入封閉道路流量作為模型輸入，可變信息牌作為強制速度和匝口強制輸出調節量，對于給定控制輸入預測每個路段的平均交通流密度和車輛平均速度，如果每個路段都滿足最低速度、最大密度要求，則選擇該方案以控制封閉道路匝口及可變信息牌，否則調整控制方案。FDA00002077315300016.jpg,FDA00002077315300017.jpg,FDA00002077315300021.jpg,FDA00002077315300022.jpg,FDA00002077315300023.jpg,FDA00002077315300024.jpg...
【技術特征摘要】
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Payne-Whitham模型2....
【專利技術屬性】
技術研發人員：史忠科，劉通，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：
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