本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種基于Zhang改進(jìn)模型的FPGA在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制方法，用于解決現(xiàn)有的FPGA預(yù)測(cè)控制方法實(shí)時(shí)性差的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是通過(guò)對(duì)模型近似離散化處理，建立并行處理流程，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，用FPGA實(shí)現(xiàn)了基于Zhang改進(jìn)模型的封閉道路匝口和可變信息牌的預(yù)測(cè)控制。使得高速公路的交通流密度、行車(chē)速度實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)有效控制。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及一種FPGA預(yù)測(cè)控制方法，特別涉及一種。
技術(shù)介紹
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)保有量的不斷增加，交通擁擠已成為世界各國(guó)共同關(guān)注的焦點(diǎn)和急需解決的重要問(wèn)題，交通擁擠同時(shí)也造成了嚴(yán)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(chē)尾氣排放有關(guān)，堵車(chē)狀態(tài)下汽車(chē)排出的有害物質(zhì)濃度比正常行駛時(shí)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(wèn)題。一方面，城市交通高峰時(shí)期密集的交通流，使得交通事故頻發(fā)，極易引發(fā)嚴(yán)重的交通擁擠； 另一方面，當(dāng)堵車(chē)發(fā)生時(shí)，車(chē)輛駕駛員因?yàn)檫^(guò)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(jiàn)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(gè)全局性問(wèn)題。為了有效疏導(dǎo)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(biāo)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(jì)算機(jī)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)行遠(yuǎn)程控制、傳送并顯示各種圖文信息、向司機(jī)及時(shí)發(fā)布不同路段的不同路面情況及各類(lèi)交通信息、進(jìn)行交通法規(guī)，交通知識(shí)的宣傳、達(dá)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(chē)安全；如文獻(xiàn)“海依拉提·巴拉提，高速公路信息顯示牌設(shè)置技術(shù)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(shè)置機(jī)理為(I)檢測(cè)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(shè)置應(yīng)從整個(gè)交通導(dǎo)行系統(tǒng)建設(shè)的角度出發(fā)，充分考慮導(dǎo)行與控制的關(guān)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(dǎo)行方案；信息顯示牌依據(jù)設(shè)置的地點(diǎn)和目的的不同而采用不同的形式；一種是安裝在主線(xiàn)上，進(jìn)行主線(xiàn)誘導(dǎo)和出口誘導(dǎo)，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(kāi)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(duì)長(zhǎng)度及擁擠預(yù)測(cè)情況報(bào)告給駕駛員，也可把鄰近主線(xiàn)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(dǎo)；然而，這些方案，將高速道路入口誘導(dǎo)、道路主線(xiàn)誘導(dǎo)、道路出口誘導(dǎo)僅僅按照信息需求劃分開(kāi)，沒(méi)有有機(jī)相結(jié)合，特別是信息顯示牌的顯示信息沒(méi)有按照宏觀(guān)交通模型預(yù)測(cè)輸出自動(dòng)設(shè)定，難以對(duì)高速公路的交通流密度、行車(chē)速度進(jìn)行有效控制。為了深入分析交通系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者研究交通流模型，其中采用流體力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)建立的宏觀(guān)和微觀(guān)模型分析交通特性者居多；在宏觀(guān)交通流模型中，交通流被視為由大量車(chē)輛組成的可壓縮連續(xù)流體介質(zhì)，研究車(chē)輛集體的平均行為、單個(gè)車(chē)輛的個(gè)體特性并不凸顯；宏觀(guān)交通流模型以車(chē)輛的平均密度P、平均速度V和流量q刻畫(huà)交通流，研究它們所滿(mǎn)足的方程；宏觀(guān)模型可以更好地刻畫(huà)交通流的集體行為，從而為設(shè)計(jì)有效的交通控制策略、模擬及估計(jì)道路幾何改造的效果等交通工程問(wèn)題提供依據(jù)；在數(shù)值計(jì)算方面，模擬宏觀(guān)交通流所需時(shí)間與所研究交通系統(tǒng)中車(chē)輛數(shù)目無(wú)關(guān)，只與所研究道路、數(shù)值方法的選取及其中空間X、時(shí)間t的離散步長(zhǎng)ΛΧ和At有關(guān)。故此，宏觀(guān)交通流模型較適合于處理大量車(chē)輛組成的交通系統(tǒng)的交通流問(wèn)題；這類(lèi)模型被國(guó)際上大多數(shù)學(xué)者用來(lái)討論封閉道路的交通現(xiàn)象。然而，宏觀(guān)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(guān)交通流模型也很復(fù)雜，這些模型的處理通常在臺(tái)式機(jī)以上的系統(tǒng)處理，很難使用宏觀(guān)模型對(duì)封閉道路匝口和可變信息牌進(jìn)行在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了克服現(xiàn)有FPGA預(yù)測(cè)控制方法實(shí)時(shí)性差的不足，本專(zhuān)利技術(shù)提供一種。該方法通過(guò)對(duì)模型近似離散化處理，建立了并行處理流程，設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，用FPGA實(shí)現(xiàn)了基于Zhang改進(jìn)模型的封閉道路匝口和可變信息牌的預(yù)測(cè)控制。可以使得高速公路的交通流密度、行車(chē)速度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效控制。·本專(zhuān)利技術(shù)解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案一種，其特點(diǎn)是包括以下步驟步驟一、根據(jù)Zhang改進(jìn)模型 + 空等1·=疋[r(x, /), λ·(χ,/)] dt dx< dv dv、dv T + VT = —C(P)T d/ dxdx c(p、= -pV:(p) >0式中，p為車(chē)輛的平均密度、V為平均速度、t為時(shí)間，X為與仿真道路起始點(diǎn)的距離’ ^ [r (x, t), s(x, t)]為由于阻口進(jìn)入或駛出的車(chē)流量引起的密度變化率函數(shù)，r(x, t)為由阻口進(jìn)入的車(chē)流量，s(x, t)=sQ(x, t)+sq(x, t)為由阻口駛出的車(chē)流量，S。(x, t)為由阻口駛出的正常車(chē)流量、s, (x，t)為信息顯示牌強(qiáng)制駛出車(chē)輛造成的流量增量，VJ P)為等價(jià)速度，C(P)為交通聲速；用差分格式表示微分項(xiàng)并略去高階項(xiàng)，得到生=爲(wèi)口+ 化貞■口P:dt ξ ξ生=生 Μ 二麵 + _ = ￡kzK dxhh史=些-變迴確=￡丨_:! _ # ξ*=2 ￡±Μζ Μ+0(/ )=2 ιΖ< **\■ \ /ττ χηη式中，ξ為t的微分,h為X的微分,ο ( ξ )為ξ的高階無(wú)窮小，ο (h)為h的高階無(wú)窮小，P (X，t)為t時(shí)刻X處車(chē)輛的平均密度，V (X，t)為t時(shí)刻X處車(chē)輛的平均速度，把道路分成多個(gè)路段，每個(gè)路段長(zhǎng)度為h，采樣周期為ξ，Μ為第i個(gè)路段在[ηξ，(η+1) ξ]內(nèi)車(chē)輛的平均密度，Vf為第i個(gè)路段在[η ξ，(η+1) ξ ]內(nèi)車(chē)輛的平均速度；得到Zhang改進(jìn)模型的差分形式為本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于Zhang改進(jìn)模型的FPGA在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于包括以下步驟：步驟一、根據(jù)Zhang改進(jìn)模型：∂ρ∂t+∂(ρv)∂x=π[r(x,t),s(x,t)]∂v∂t+v∂v∂x=-c(ρ)∂v∂xc(ρ)=-ρVe′(ρ)≥0式中，ρ為車(chē)輛的平均密度、v為平均速度、t為時(shí)間，x為與仿真道路起始點(diǎn)的距離，π[r(x，t)，s(x，t)]為由于匝口進(jìn)入或駛出的車(chē)流量引起的密度變化率函數(shù)，r(x，t)為由匝口進(jìn)入的車(chē)流量，s(x，t)=s0(x，t)+sq(x，t)為由匝口駛出的車(chē)流量，s0(x，t)為由匝口駛出的正常車(chē)流量、sq(x，t)為信息顯示牌強(qiáng)制駛出車(chē)輛造成的流量增量，Ve(ρ)為等價(jià)速度，c(ρ)為交通聲速；用差分格式表示微分項(xiàng)并略去高階項(xiàng)，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(wú)窮小，o(h)為h的高階無(wú)窮小，ρ(x，t)為t時(shí)刻x處車(chē)輛的平均密度，v(x，t)為t時(shí)刻x處車(chē)輛的平均速度，把道路分成多個(gè)路段，每個(gè)路段長(zhǎng)度為h，采樣周期為ξ，為第i個(gè)路段在[nξ，(n+1)ξ]內(nèi)車(chē)輛的平均密度，為第i個(gè)路段在[nξ，(n+1)ξ]內(nèi)車(chē)輛的平均速度；得到Zhang改進(jìn)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[ρinVe′(ρin)(vi+1n-vin)-vin(vi+1n-vin)]h式中，r(i，n)表示第i個(gè)路段在[nξ，(n+1)ξ]內(nèi)由匝口進(jìn)入的車(chē)流量，s(i，n)表示第i個(gè)路段在[nξ，(n+1)ξ]內(nèi)由匝口駛出的車(chē)流量；步驟二、建立等價(jià)速度模型為：式中，v0，E，均為常數(shù)，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(shù)，vea(i)為第i個(gè)路段可變信息顯示牌指定速度；步驟三、結(jié)合Zhang改進(jìn)模型的差分形式和等價(jià)速度模型，在FPGA中設(shè)計(jì)包含車(chē)輛平均密度ρ和平均速度v的計(jì)算模塊，根據(jù)實(shí)際道路的長(zhǎng)度和匝口信息把高速公路分成多個(gè)路段，每個(gè)路段對(duì)應(yīng)一個(gè)計(jì)算模塊，根據(jù)初始信息和調(diào)控信息，在FPGA中同時(shí)并行運(yùn)行這些計(jì)算模塊，預(yù)測(cè)出各個(gè)路段下一時(shí)間段的車(chē)輛平均密度和平均速度，然后把車(chē)輛平均密度和平均速度存入寄存器，在所有計(jì)算模塊完成計(jì)算后，輸出車(chē)輛平均密度和平均速度，同時(shí)把這些數(shù)據(jù)回傳給計(jì)算模塊進(jìn)行下一步的計(jì)算；步驟四、以匝口進(jìn)入封閉道路流量作為模型輸入，可變信息牌作為強(qiáng)制速度和匝口強(qiáng)制輸出調(diào)節(jié)量，對(duì)于給定控制輸入預(yù)測(cè)每個(gè)路段的平均交通流密度和車(chē)輛平均速度，如果每個(gè)路段都滿(mǎn)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(diào)整控制方案。FDA00002077222100016.jpg,FDA00002077222100017.jpg,FDA00002077222100021.jpg,FDA00002077222100022.jpg,FDA00002077222100023.jpg,FDA00002077222100024.jpg...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于Zhang改進(jìn)模型的FPGA在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一、根據(jù)Zhang改進(jìn)模型2.根據(jù)權(quán)利...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：史忠科，劉通，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：西北工業(yè)大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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