基于正系统的城市交通建模和事件触发非脆弱控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于正系统的城市交通建模和事件触发非脆弱控制方法。本发明专利技术包括如下步骤：步骤1、构建城市交通控制系统的随机正系统状态空间模型；步骤2、构建城市交通控制系统的事件触发控制条件；步骤3、设计城市交通控制系统的非脆弱控制器；步骤4、验证基于非脆弱控制器所构建城市交通控制系统的正性；步骤5、验证城市交通控制系统的随机稳定性。本发明专利技术能有效改善解决城市交通系统中突发事故带来的道路拥堵问题。基于事件触发机制，设计了事件触发非脆弱控制器，降低了系统设计成本，保证城市交通控制系统安全稳定运行。城市交通控制系统安全稳定运行。城市交通控制系统安全稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
基于正系统的城市交通建模和事件触发非脆弱控制方法


[0001]本专利技术属于自动化技术与现代控制领域，涉及一种基于随机正系统的城市交通系统的建模和事件触发非脆弱控制方法。

技术介绍

[0002]在基础设施建设和科技成果转换的推动下，我国近年来交通基础设施和出行需求都成倍增长，交通系统持续快速发展。城市道路交通系统主要由路网系统、交通流、交通监测和控制系统构成。作为由无数个体构成的宏观系统，城市道路交通系统具备包括高度随机性、不均衡性、不确定性在内的复杂动态系统的一系列特征。这对我们研究城市道路交通系统带来了不小的挑战。
[0003]城市交通治理是城市发展的重要基石，也是城市文明和经济发展的重要表征。但是城市规模的急剧扩张以及以小汽车为主导的出行方式给城市交通治理带来了巨大的挑战，特别是城市交通拥堵带来的一系列负面问题。为解决城市交通拥堵和事故频发等问题，我们首先通过以城市道路网络节点处车流量为研究对象，建立状态空间描述的车辆驶入和驶出系统模型。考虑到系统的状态变量总是非负的和道路交叉口交通信号灯的切换，正马尔科夫跳变系统被用来刻画城市道路交通系统。城市道路交通系统具有相对的稳定性，比如基础设施、网络布局成型后，一般情况下不会去改变，居民的出行需求在一定的时期内也不会发生太大变化，在出行量、出行结构、出行分布上具有相对稳定性。但是这种稳定是一种脆弱的稳定，随时可能受到交通信号灯故障或其他突发状况影响，引发拥堵，且拥堵会迅速破坏稳定系统，快速蔓延、传播。对于这些由于执行元件故障导致的系统不稳定，非脆弱控制方法可以通过设计合适的控制律，保障系统在执行器故障的情况仍可以安全平稳运行。事件触发控制事件通过设计事件触发条件，避免系统执行不必要的采样，从而达到减轻通信负担和避免资源浪费的目的。
[0004]针对上述问题，本专利技术利用现代控制理论技术建立城市道路交通系统的状态空间模型，基于事件触发策略的基础上，为系统设计了非脆弱控制器，分析其正性和稳定性，使城市交通控制系统保持安全稳定运行。综上，设计一种基于随机正系统的城市交通控制系统的建模和事件触发非脆弱控制方法具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本文的目的是针对城市道路交通系统的拥堵和交通信号灯故障等突发状况对交通系统的影响，通过对城市交通系统的建模，提供了一种基于随机正系统的城市交通系统的事件触发非脆弱控制方法。
[0006]本专利技术方法的具体步骤包括如下：
[0007]步骤1、建立城市交通控制系统的随机正系统状态空间模型，具体方法是：
[0008]1.1对实际交通网络进行描述
[0009]考虑城市道路交通系统环形路口(三角环形)。一个道路交通系统的三角环形路口
通常由三条主路和用于疏导车流量的交通指示灯组成，见图1(见说明书附图1)。图1展示了交通系统环形路口各交通元素间的联系，并显示了每条道路车辆的行驶方向(R1、R2、R3分别代表各条主路； x1、x2、x3代表各条主路上的车辆数目)。图1中各个路口的交通灯在整个三角环形交通网络中起到调节各个主路段车流量的作用，以降低各条道路交通拥堵和事故的风险。我们考虑到在交通灯调节时间有限制的情况下，正值放学期间时，当R1主路和医院对应的交通信号灯皆为红灯时， R1主路上的车流会根据R3主路上的车流成比例增加。若此时，医院对应的交通灯突然故障，变为绿色或无法指示，那么大量车流会从医院涌入 R1主路，车辆会在R1主路上形成拥堵。这种拥堵甚至会影响到医院出口的道路和R3主路。针对这种由于执行器(交通信号灯)突然故障带来的对系统稳定性的影响，非脆弱控制器被用来解决这类问题。
[0010]1.2利用上述描述建立城市交通控制系统的状态空间模型：
[0011][0012]其中，表示城市交通系统中道路上的车辆数，为这条道路拥堵或者发生事故后驶入路口的车辆数；{g(t),t＞0}表示路口信号切换符合马可夫跳变过程，它取有限集合中的值S＝{1,2,...,N}，N∈N
+
。
[0013]跳变过程g(t)的转移概率满足以下条件：
[0014][0015]其中，对于i≠j，Δ＞0，λ
ij
≥0，且
[0016]步骤2、建立城市交通控制系统的事件触发控制，其构建形式如下：
[0017]设t
k
为第k个事件触发时刻，且k由事件触发条件决定。事件触发控制律为:u(t)＝Kx(t
k
)，其中，x(t
k
)是满足所设计的事件触发条件时的城市交通系统中道路上的车辆数。将误差信号定义为:
[0018][0019]其中，
[0020]给定事件触发条件为:
[0021][0022]其中，0＜β＜1，β为所建立的事件触发条件的阀值。
[0023]步骤3、设计城市交通控制系统的非脆弱控制器，其构建形式如下：
[0024]3.1设计带有执行器不确定的非脆弱控制器：
[0025][0026]其中，ΔK
i
＝F
i
G
i
，ΔK
i
表示控制器增益可能存在的摄动量，G
i
是要设计的辅助矩阵，且是已知的非负矩阵，对于0＜σ1＜σ2满足且σ1和σ2为通过实际过程中的数据得到的参数。
[0027]3.2执行器故障被描述为：
[0028][0029]其中，表示不确定有界矩阵满足和ρ＞1，h
ip
和可由实际过程中所得到的车流量变化数据得到。定义H
i
＝diag(h
i1
,h
i2
,...,h
im
)和
[0030]3.3城市交通控制系统在执行器故障情况下平稳运行的条件如下：
[0031]设计常数μ＞0,γ＞0,n维向量n维向量使得：
[0032][0033][0034][0035][0036]成立，其中，i≠j，Φ＝I
‑
β1
n
×
n
,Ψ＝I+β1
n
×
n
和Λ＝I
‑
ρβ1
n
×
n
，在非脆弱可靠控制器下，且
[0037][0038][0039]所述的城市交通控制系统是正的且稳定的。这里的向量v
i
是所选取的Lyapunov函数需要用到的大于零的向量；和为利用增益矩阵分解方法分解所设计的第i个子系统的控制器增益矩阵的向量和相应的上下界向量；和为利用增益矩阵分解方法分解相应的第i个子系统的摄动项中的待设计项所得到的向量及其上下界向量；1
m
为m维元素全为1的向量，1
n
×
n
为n
×
n的元素全为1的矩阵。
[0040]步骤4、城市交通系统的正性验证过程如下：
[0041]4.1给定初始状态从步骤2可以得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于正系统的城市交通建模和事件触发非脆弱控制方法，其特征在于该方法包括如下步骤：步骤1、构建城市交通控制系统的随机正系统状态空间模型；步骤2、构建城市交通控制系统的事件触发控制条件；步骤3、设计城市交通控制系统的非脆弱控制器；步骤4、验证基于非脆弱控制器所构建城市交通控制系统的正性；步骤5、验证城市交通控制系统的随机稳定性。2.根据权利要求1所述的基于正系统的城市交通建模和事件触发非脆弱控制方法，其特征在于步骤1中城市交通系统的正系统状态空间模型的构建，实现如下：其中，和分别为城市交通系统中道路上的车辆数和这条道路拥堵或者发生事故后驶入路口的车辆数；A
g(t)
表示控制系统的系统矩阵，B
g(t)
表示控制系统的输入矩阵；函数sat(
·
)：代表道路发生拥堵,即其中，{g(t),t＞0}表示路口信号跳变遵从马尔可夫跳变过程，{g(t),t＞0}取有限集合中的值S＝{1,2,...,N}，N∈N
+
；跳变过程g(t)的转移概率满足以下条件：其中，对于i≠j，Δ＞0，且3.根据权利要求2所述的基于正系统的城市交通建模和事件触发非脆弱控制方法，其特征在于：步骤2构建城市交通控制系统的事件触发控制条件，实现如下：设t
k
为第k个事件触发时刻，且k由事件触发条件决定；事件触发控制律为:u(t)＝Kx(t
k
)，其中，x(t
k
)是[t
k
,t
k+1
)中事件触发时刻下的系统状态(即车辆数)；将误差信号定义为)中事件触发时刻下的系统状态(即车辆数)；将误差信号定义为其中，给定事件触发条件为：其中，0＜β＜1。4.根据权利要求3所述的基于正系统的城市交通建模和事件触发非脆弱控制方法，其特征在于：步骤3中设计城市交通控制系统的非脆弱控制器，其构建形式如下：3.1设计带有执行器不确定的非脆弱控制器：
其中，ΔK
i
＝F
i
G
i
，ΔK
i
表示控制器增益矩阵，用于体现可能存在的波动，G
i
是要设计的决策矩阵，且是已知的非负矩阵，对于0＜σ1＜σ2满足I为m维的单位矩阵；3.2控制器故障被描述为：其中，H
i
＝diag(h
i1
,h
i2
,...,h
im
)表示不确定的有界的故障矩阵，满足和对于p＝1,2,...,m和ρ＞1；定义H
i
＝diag(h
i1
,h
i2
,...,h
im
)和分别表示故障矩阵的下界和上界；3.3城市交通控制系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊锋，冯迎港，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：