本發明專利技術公開了一種基于FPGA及改進LWR模型的在線交通瓶頸控制方法，用于解決現有方法難以在實際的高速公路或封閉道路中對交通瓶頸進行在線預測調控的技術問題，該方法對LWR模型進行改進，把可變信息顯示牌融入到LWR模型中，基于FPGA平臺通過改進的LWR模型對高速公路或封閉道路整體進行預測分析，根據定義的狀態變量找到道路瓶頸，進而給出匝口控制和可變信息顯示牌的控制方案，并把這些控制方案按優先級帶入預測模型，找到合理的控制方案，對交通瓶頸進行在線控制，使得高速公路或封閉道路中的交通瓶頸可以得到有效控制。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種FPGA控制方法，特別涉及一種基于FPGA和改進LWR宏觀交通流模型的在線交通瓶頸預測控制方法。
技術介紹
交通擁堵已成為世界各國共同關注的焦點和急需解決的重要問題，交通瓶頸問題是制約交通流量的最主要問題之一，由于硬件設施的限制或突發狀況的影響，使得一些路段成為整個道路的瓶頸，如不進行調控，則會加速瓶頸路段的流量積累，使交通狀況惡化，發生擁堵，甚至導致整個交通網絡癱瘓。目前，高速公路交通調控的方式只有可變信息顯示牌進行速度限制和匝口控制兩種，為了有效疏導交通、提高高速公路的使用效率，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；另外，在道路堵塞風險很高的情況下，可以控制匝口輸入，甚至在道路匝口強制一些車輛駛出高速公路，以避免擁堵發生；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，難以從全局的角度對瓶頸路段進行交通調控，調控的結果往往是調控的路段暢通了，但非調控路段發生交通堵塞現象。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問題；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。經過檢索發現，專利申請號200810117959. 8，公開日2009年I月14日，記載“一種在交通瓶頸處的控制方法與裝置”，該方法通過設置緩沖區，限制緩沖區內車輛的行駛規貝U，控制緩沖區內的車輛數來對車流量進行控制，具有一定的效果，但該方法沒能指出怎么檢測交通瓶頸，實際道路中，交通瓶頸并不是固定的，每個路段都可能成為交通瓶頸，因此，該方法具有局限性；文獻“曾廣湘.道路交通瓶頸的分析、控制及模擬，2010，廣西大學碩士論文”以LWR模型為基礎，分析了道路減少產生的單向交通瓶頸產生的擾動，并以此為基礎提出在行人交通中改善交通瓶頸的方法，而道路交通瓶頸造成的危害或經濟損失更大，該文獻沒有分析其解決方法；在高速公路或封閉道路中，只能通過可變信息顯示牌或匝口控制來調節交通，而且各個路段都有可能成為交通瓶頸，目前的研究大多只是對交通瓶頸產生原因的分析或者僅僅是怎么解決特定路段交通瓶頸問題，只是對交通路段進行仿真，并沒有把瓶頸預測和交通調控相結合對交通路段進行實時調控，且大都運行在計算機及其以上平臺，體積龐大，這些研究存在難以在實際的高速公路或封閉道路中對交通瓶頸進行在線預測和調控的技 術問題。
技術實現思路
為了克服現有方法難以在實際的高速公路或封閉道路中對交通瓶頸進行在線預測調控的技術缺陷，本專利技術提供一種基于FPGA及改進LWR模型的在線交通瓶頸控制方法，該方法對LWR模型進行改進，把可變信息顯示牌融入到LWR模型中，基于FPGA平臺通過改進的LWR模型對高速公路或封閉道路整體進行預測分析，根據定義的狀態變量找到道路瓶頸，進而給出匝口控制和可變信息顯示牌的控制方案，并把這些控制方案按優先級帶入預測模型，找到合理的控制方案，從而對交通瓶頸進行在線控制，可以有效解決現有方案難以在實際的高速公路或封閉道路中對交通瓶頸進行在線預測調控的技術問題。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案基于FPGA及改進LWR模型的在線交通瓶頸預測控制方法，其特點是包括以下步驟步驟一、根據LWR模型 權利要求1. 一種基于FPGA及改進LWR模型的在線交通瓶頸預測控制方法，其特征在于包括以下步驟 步驟一、根據LWR模型全文摘要本專利技術公開了一種基于FPGA及改進LWR模型的在線交通瓶頸控制方法，用于解決現有方法難以在實際的高速公路或封閉道路中對交通瓶頸進行在線預測調控的技術問題，該方法對LWR模型進行改進，把可變信息顯示牌融入到LWR模型中，基于FPGA平臺通過改進的LWR模型對高速公路或封閉道路整體進行預測分析，根據定義的狀態變量找到道路瓶頸，進而給出匝口控制和可變信息顯示牌的控制方案，并把這些控制方案按優先級帶入預測模型，找到合理的控制方案，對交通瓶頸進行在線控制，使得高速公路或封閉道路中的交通瓶頸可以得到有效控制。文檔編號G06Q10/04GK102938207SQ20121047089公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月19日 優先權日2012年11月19日專利技術者史忠科, 劉通 申請人:西安費斯達自動化工程有限公司本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于FPGA及改進LWR模型的在線交通瓶頸預測控制方法，其特征在于包括以下步驟：步驟一、根據LWR模型：∂ρ∂t+∂(ρv)∂x=π[r(x,t),s(x,t)]v(x.t)=Ve[ρ(x,t)]式中，t為時間，x為與仿真道路起始點的距離，ρ是交通流密度且為x、t的函數，ρ=ρ(x,t)，v為車輛平均速度且為x、t的函數，v=v(x,t)，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)=r0(x,t)？rq(x,t)為t時刻、x路段由匝口進入的車流量，s(x,t)=s0(x,t)+sq(x,t)為t時刻、x路段由匝口駛出的車流量，r0(x,t)、s0(x，t)為由匝口駛入駛出的正常車流量，rq(x,t)為匝口控制禁止駛入高速路造成的流量降低量，sq(x，t)為匝口控制強制駛出車輛造成的流量增量，Ve(ρ)為等價速度且與自由流速度vf和交通流密度ρ相關，全申請書符號定義相同；把可變顯示牌顯示速度融入LWR模型，用可變顯示牌顯示速度vind代替等價速度中的自由流速度vf，得到改進的LWR模型如下：∂ρ∂t+∂(ρv)∂x=π[r(x,t),s(x,t)]v(x.t)=Ve[ρ(x,t),vind]式中，vind表示可變信息顯示牌顯示的速度；步驟二、定義兩個新的狀態變量η(x,t)、σ(x,t)，當狀態變量趨于無窮時，代表交通密度趨于飽和交通密度，產生交通擁堵，當狀態變量趨于無窮時，代表車輛平均速度趨于零，產生交通擁堵；式中，ρjam為交通出現阻塞時的交通流密度；步驟三、a.根據步驟一得到的改進的LWR模型，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∂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，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]內的交通流密度，為第i個路段在[nξ,(n+1)ξ]內車輛的平均速度；得到改進的LWR模型的差分形式為：ρin+1=ξπ(rin,sin)-ξh[vin(ρi+1n-ρin)+ρin(vi+1n-vin)]+ρinvin+1=Ve[ρin,vind(i,n)]式中，表示第i個路段在[nξ,(n+1)ξ]內由匝口進入的車流量，表示第i個路段在[nξ,(n+1)ξ]內由匝口駛出的車流量，vind(i,n)表示第i個路段在[nξ，(n+1)ξ]內可變顯示牌顯示速度；b.建立等價速度模型：Ve[ρin,vind(i,n)]=vind(i,n)(1-ρin/ρjam)1+E(ρin/ρjam)4,式中E為常數；c.在FPGA中編寫基于改進LWR模型的預測控制模塊，包括數據接收模塊、控制方案選擇及數據分配模塊、計算模塊1？計算模塊N、同步模塊、數據輸出模塊，把道路分成N個路段，計算模塊1？計算模塊N為按照前述偏微分方程組的差分解法使用浮點數運算器組合而成的交通流預測計算模塊，預測控制模塊的數據流向為：數據接收模塊接收上位機傳來的各個路段的交通流數據（交通流密度、車輛平均速度），然后傳給控制方案選擇及數據分配模塊，控制方案選擇及數據分配模塊根據這些數據確定交通瓶頸，并制定調控方案，然后將使能信號、控制方案和交通流數據傳給各個計算模塊，各個計算模塊接收到使能信號后同時對交通流密度和車輛平均速度進行預測并把結果存入寄存器，各個模塊計算結束后把各自的計算結束信號傳給同步模塊，同步模塊在所有計算模塊完成計算后發送信號通知控制方案選擇及數據分配模塊接收交通流數據的預測結果，繼續進行預測，在預測時間Tc內，如果交通瓶頸解除，則采用該方案對實際交通進行調控，如果不能解除...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：史忠科，劉通，
申請(專利權)人：西安費斯達自動化工程有限公司，
類型：發明
國別省市：
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