交通系統(tǒng)建模、估計(jì)與控制

交通系統(tǒng)建模、估計(jì)與控制

西北工業(yè)大學(xué)：史忠科

2007年7月31日交通控制系列講座主要內(nèi)容控制問(wèn)題估計(jì)問(wèn)題建模問(wèn)題交通系統(tǒng)建?；疽竽Ｐ蛢?yōu)選條件模型優(yōu)選算法模型驗(yàn)證魯棒辨識(shí)優(yōu)化問(wèn)題1.1交通系統(tǒng)模型描述

數(shù)學(xué)模型是反映動(dòng)態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部變量之間、內(nèi)部變量與外部變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，模型是仿真和控制的基礎(chǔ)。仿真模型是否準(zhǔn)確地描述了仿真對(duì)象，模型結(jié)構(gòu)是否正確，均是仿真和控制結(jié)果可信度的前提。

模型描述：數(shù)學(xué)模型、框圖模型、邏輯模型、圖象模型等數(shù)學(xué)模型：解析模型、逼近模型。（線性、非線性）交通系統(tǒng)模型通常都為非線性模型，復(fù)雜度高。對(duì)航空、航天、潛艇、高速公路流量等模型描述較為準(zhǔn)確，城市交通等其它模型沒有被大多數(shù)研究者認(rèn)可。非線性模型困難首先在于描述，維納描述

模型結(jié)構(gòu)辨識(shí)方法：侯選模型、輸入設(shè)計(jì)、優(yōu)選條件和優(yōu)選算法、模型驗(yàn)證等。1.1交通系統(tǒng)模型描述

侯選模型:與模型可能相關(guān)全部變量、能夠描述可能出現(xiàn)的各種非線性。輸入設(shè)計(jì):必須對(duì)可能出現(xiàn)的各種非線性充分激勵(lì)(持續(xù)激勵(lì)），

否則得到的模型就是特定意義下的簡(jiǎn)單模型！優(yōu)選條件和優(yōu)選算法:建模判據(jù)應(yīng)能使優(yōu)選出的模型具有以下特點(diǎn)：①模型很好地?cái)M合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；②模型各項(xiàng)有明顯的物理意義；③模型能預(yù)測(cè)類似條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；④在性能相當(dāng)?shù)臈l件下是最簡(jiǎn)化的（階次最低）。模型驗(yàn)證:選用一系列與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非類似條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。

1.2模型優(yōu)選條件

1.2模型優(yōu)選條件

1.3模型優(yōu)選算法

1.3模型優(yōu)選算法

1.4模型驗(yàn)證選用一系列與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非類似條件下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)；選用不同模型結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)；檢驗(yàn)?zāi)Ｐ碗A次、侯選模型的表達(dá)、模型優(yōu)選條件、優(yōu)選算法等模型驗(yàn)證環(huán)節(jié)必不可少！FA18A飛行事故！

1.5魯棒辨識(shí)

1.5魯棒辨識(shí)主要內(nèi)容控制問(wèn)題估計(jì)問(wèn)題建模問(wèn)題推廣Kalman濾波含有參數(shù)的估計(jì)方法平滑估計(jì)方法魯棒估計(jì)方法

高速公路流量估計(jì)優(yōu)化問(wèn)題

2.1推廣Kalman濾波

2.1推廣Kalman濾波

2.1推廣Kalman濾波

2.2含有參數(shù)的估計(jì)方法

2.2含有參數(shù)的估計(jì)方法

2.3平滑估計(jì)

2.3平滑估計(jì)

2.3平滑估計(jì)

2.3平滑估計(jì)

2.3平滑估計(jì)

2.3平滑估計(jì)

2.4魯棒估計(jì)方法

2.4魯棒估計(jì)方法

2.4魯棒估計(jì)方法

2.4魯棒估計(jì)方法

2.4魯棒估計(jì)方法

2.4魯棒估計(jì)方法

2.5高速公路流量估計(jì)

2.5高速公路流量估計(jì)

2.5高速公路流量估計(jì)

2.5高速公路流量估計(jì)

2.5高速公路流量估計(jì)

2.5高速公路流量估計(jì)

2.5高速公路流量估計(jì)

2.5高速公路流量估計(jì)

2.5高速公路流量估計(jì)主要內(nèi)容控制問(wèn)題估計(jì)問(wèn)題建模問(wèn)題高速公路流量控制城市交通流量控制智能信號(hào)控制系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題

3.1高速公路流量控制

3.1高速公路流量控制

3.1高速公路流量控制

3.1高速公路流量控制

3.2城市交通流量控制

3.2城市交通流量控制

3.2城市交通流量控制1、TRANSYT——交通網(wǎng)絡(luò)研究工具，是一種脫機(jī)操作的定時(shí)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由仿真模型和優(yōu)化計(jì)算兩部分組成。它將車輛延誤時(shí)間和停車次數(shù)以加權(quán)和的形式折合成總運(yùn)行費(fèi)用（PI），以總運(yùn)行費(fèi)用最小為系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)；控制參數(shù)為綠信比與相位差，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型用“爬山法”進(jìn)行離線優(yōu)化計(jì)算確定，再上機(jī)進(jìn)行控制；周期為選擇確定，即從事先確定的方案中通過(guò)比較各運(yùn)行指標(biāo)選出最佳的周期。TRANSYT是最成功的靜態(tài)系統(tǒng)，已經(jīng)被世界上400多個(gè)城市所采用。但也存在明顯的不足：不能適應(yīng)交通流的變化；若重新進(jìn)行信號(hào)配時(shí)，需要重新進(jìn)行交通調(diào)查，費(fèi)用較高；信號(hào)周期不進(jìn)行優(yōu)化，其信號(hào)配時(shí)方案僅僅是局部最優(yōu)解。2、SCOOT—綠信比、周期、相位差優(yōu)化技術(shù)，是一種交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。SCOOT的模型與優(yōu)化原理與TRANSYT相仿。但SCOOT是方案生成式的控制系統(tǒng)，通過(guò)安裝在交叉口每條進(jìn)口道最上游的車輛檢測(cè)器采集的車輛到達(dá)信息，聯(lián)機(jī)處理，形成控制方案，連續(xù)實(shí)時(shí)調(diào)整周期、綠信比和相位差以適應(yīng)不同的交通流。SCOOT采用小步長(zhǎng)漸近尋優(yōu)方法，無(wú)需大的計(jì)算。

3.2城市交通流量控制由于采用了實(shí)時(shí)控制，SCOOT獲得了明顯優(yōu)于靜態(tài)系統(tǒng)的效果，被很多國(guó)家采用。SCOOT的不足之處在于：相位不能自動(dòng)增減，相序不能自動(dòng)改變；需要大量的車輛檢測(cè)器，單個(gè)檢測(cè)器的失效可能引起系統(tǒng)的崩潰；飽和流率的校核未自動(dòng)化，使現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試時(shí)相當(dāng)繁瑣。3、SCAT—悉尼協(xié)調(diào)自適應(yīng)交通系統(tǒng)，采取分層遞階的控制結(jié)構(gòu)。把收集到的所有數(shù)據(jù)送到控制中心作為運(yùn)行記錄并用于脫機(jī)分析。路口控制器主要是采集分析檢測(cè)器提供的交通數(shù)據(jù)，并傳送到地區(qū)主控制器。同時(shí)接受地區(qū)主控制器的指令，控制本路口信號(hào)。SCAT采用地區(qū)級(jí)聯(lián)機(jī)控制，中央級(jí)聯(lián)機(jī)與脫機(jī)同時(shí)進(jìn)行的控制模式；以類飽和度（車流有效利用綠燈時(shí)間與綠燈顯示時(shí)間之比）綜合流量最大為系統(tǒng)目標(biāo)；無(wú)實(shí)時(shí)交通模型，控制參數(shù)為綠信比、相位差和周期，其選取是從預(yù)先確定的多個(gè)參數(shù)中通過(guò)比較法確定。SCAT作為一種先進(jìn)的交通控制系統(tǒng)，在世界上許多城市的交通控制中起著重要的作用，但同時(shí)存在以下缺點(diǎn)：沒有實(shí)時(shí)交通模型，而是根據(jù)類飽和度和綜合流量從既定方案中選擇信號(hào)控制參數(shù)，限制了控制參數(shù)的優(yōu)化程度；選擇相位差方案時(shí)，無(wú)車流實(shí)時(shí)信息反饋，可靠性低；無(wú)法檢測(cè)到排隊(duì)長(zhǎng)度，難以消除擁擠。

3.2城市交通流量控制我國(guó)城市交通運(yùn)輸問(wèn)題日益嚴(yán)重，交通擁擠、堵塞以及由其帶來(lái)的交通運(yùn)行效率低下、能源浪費(fèi)、城市環(huán)境污染的加劇等問(wèn)題愈加嚴(yán)重，城市交通管理已成為我國(guó)交通運(yùn)輸迫切需要解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)城市道路情況復(fù)雜，行人與非機(jī)動(dòng)車輛違規(guī)比較嚴(yán)重，城市信號(hào)控制模式和信號(hào)優(yōu)化控制方法都不能照搬國(guó)外模式。我國(guó)城市交通控制的觀點(diǎn)：1交通網(wǎng)絡(luò)信號(hào)協(xié)調(diào)控制的智能化綜合交通體系結(jié)構(gòu)與方法：按照交叉路口、干線、區(qū)域和整個(gè)城市交通信號(hào)分級(jí)控制2交通流量信息的在線獲取問(wèn)題：圖象信息3新型智能信號(hào)控制系統(tǒng)：4分級(jí)-協(xié)調(diào)體系結(jié)構(gòu)下的交通信號(hào)控制問(wèn)題；不同級(jí)優(yōu)化：5綜合性:綜合考慮交叉路口、干道、區(qū)域、交通網(wǎng)絡(luò)通行量、能力、安全、環(huán)保、人性化等問(wèn)題，以此作為系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究多級(jí)交通控制方法。

交叉路口、干線、區(qū)域控制大都采用規(guī)劃方法，后面再討論。

3.3智能信號(hào)控制系統(tǒng)（一）

英國(guó)EC-1交通控制器1、 可擴(kuò)展到40個(gè)信號(hào)燈組；2、 信號(hào)周期可長(zhǎng)達(dá)300秒；3、 車輛檢測(cè)線圈數(shù)達(dá)128個(gè)，有40組并行輸入口；4、 可與不同類型的檢測(cè)器兼容，如線圈、雷達(dá)、紅外線和視頻等；5、 應(yīng)用當(dāng)今先進(jìn)的技術(shù)，內(nèi)置高速M(fèi)OTOROLA32Bit處理器，掉電保護(hù)Flash-EEPROM存儲(chǔ)單元為記憶體；6、 使用安全可靠：設(shè)計(jì)了安全保護(hù)電路，可安全避免設(shè)置的沖突；7、 通過(guò)PC機(jī)的串口就可以進(jìn)行設(shè)置；8、 通過(guò)現(xiàn)有通信線路可提供遠(yuǎn)程控制和維護(hù)服務(wù)；9、 硬件結(jié)構(gòu)緊密，體積小，多層板設(shè)計(jì)，集成度高；10、 設(shè)備連接DCF接收器，可獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；11、 需安裝新的控制板時(shí)，可通過(guò)程序調(diào)整，不需設(shè)置跳線開關(guān)；12、 每個(gè)燈控單元可支持4個(gè)信號(hào)燈組。

3.3智能信號(hào)控制系統(tǒng)（二）美國(guó)EAGLE2070系列交通信號(hào)燈控制器1、 全金屬防雨機(jī)箱、96個(gè)DIN線糟提供各類模塊的接入；2、 3種前面板顯示方式的選擇：3、 CPU采用68360微處理器、25MHz；強(qiáng)大的存儲(chǔ)能力，8MB閃存、4MB動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、512KB隨機(jī)存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘；4、 標(biāo)準(zhǔn)微波OS-9多任務(wù)操作和DOS指令，連續(xù)特性文件通訊文件數(shù)據(jù)通道文件管理，隨機(jī)數(shù)據(jù)信息文件管理，嵌入式軟件功能能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的自檢測(cè)、通訊、存儲(chǔ)器等的管理，嵌入式軟件效應(yīng)：FLASH驅(qū)動(dòng)，RAM驅(qū)動(dòng)，Timer庫(kù)，Error日志，自檢確認(rèn)，Modem測(cè)試；5、 可選擇異步、串聯(lián)、以太網(wǎng)等多種通訊方式，并均可提供光纖傳輸形式；6、 供電模塊獨(dú)立，輸入帶保護(hù)，通過(guò)電容備份＋5V備用電源，安全電路控制行向電壓和輸出。

3.3智能信號(hào)控制系統(tǒng)—西工大空管所信號(hào)控制系統(tǒng)

3.3智能信號(hào)控制系統(tǒng)—西工大空管所信號(hào)控制系統(tǒng)內(nèi)容國(guó)外國(guó)內(nèi)新信號(hào)機(jī)總體設(shè)計(jì)思想不考慮非機(jī)動(dòng)車輛和行人情況

僅僅為定周期模式考慮了非機(jī)動(dòng)車輛、行人等其它情況

車流量檢測(cè)采用大量的環(huán)形線圈檢測(cè)不檢測(cè)圖像檢測(cè)、直接判斷不同車輛排隊(duì)長(zhǎng)度和行人檢測(cè)控制方式聯(lián)網(wǎng)控制、“綠波帶”控制、感應(yīng)控制、多時(shí)段控制、定周期控制、閃光控制、手動(dòng)控制等定周期控制、閃光控制、手動(dòng)控制等聯(lián)網(wǎng)控制、“綠波帶”控制、感應(yīng)控制、多時(shí)段控制、定周期控制、閃光控制、手動(dòng)控制等容錯(cuò)方式聯(lián)網(wǎng)控制直接降為閃光控制定周期控制降為閃光控制聯(lián)網(wǎng)控制—“綠波帶”控制—單機(jī)控制－多時(shí)段控制－定周期控制－閃光控制通訊方式RS232、485

Lonworks、CAN、RS232、485價(jià)格基準(zhǔn)1/61/5

主要內(nèi)容控制問(wèn)題估計(jì)問(wèn)題建模問(wèn)題靜態(tài)約束優(yōu)化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)約束下的優(yōu)化靜態(tài)約束優(yōu)化的應(yīng)用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)約束優(yōu)化的應(yīng)用優(yōu)化問(wèn)題

4.1靜態(tài)約束優(yōu)化線性規(guī)劃：非線性規(guī)劃：整數(shù)規(guī)劃：

所有解必須為整數(shù)！

4.1靜態(tài)約束優(yōu)化-線性規(guī)劃

4.1靜態(tài)約束優(yōu)化-線性規(guī)劃

4.1靜態(tài)約束優(yōu)化-非線性規(guī)劃

4.1靜態(tài)約束優(yōu)化-整數(shù)規(guī)劃

4.2動(dòng)態(tài)系統(tǒng)約束下的優(yōu)化

4.2動(dòng)態(tài)系統(tǒng)約束下的優(yōu)化

4.2動(dòng)態(tài)系統(tǒng)約束下的優(yōu)化4.3靜態(tài)約束優(yōu)化的應(yīng)用---隨機(jī)用戶和需求車輛路徑問(wèn)題

4.3靜態(tài)約束優(yōu)化的應(yīng)用---多庫(kù)房隨機(jī)車輛路徑問(wèn)題

4.3靜態(tài)約束優(yōu)化的應(yīng)用---實(shí)時(shí)車輛調(diào)度問(wèn)題(1)

4.3靜態(tài)約束優(yōu)化的應(yīng)用---