一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法,克服了现有方法未考虑路网平均行程速度对于路网容纳车辆数影响的问题，该方法的步骤：1.宏观城市交通流模型的构建:1)输出车辆数的确定:(1)排队车辆数的计算；(2)到达车辆数的计算；2)输入车辆数的确定；2.路网交通信号预测控制器的设计:1)评价指标的提出:提出一个用于描述路网性能的新指标—路网容纳效能,定义为：P＝N·V·T；式中：N表示路网上容纳的车辆数，单位.辆；V表示路网中车辆的平均行程速度，单位.km/h；T表示统计的时间间隔，单位.h；2)基于MPC的信号控制流程:(1)预测模型的动态确定；(2)信号配时方案的滚动优化；(3)MPC控制器的反馈校正。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法
本专利技术涉及一种交通管理与控制领域中的计算方法，更确切地说，本专利技术涉及一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法。
技术介绍
随着城市交通拥堵问题的日益严重，交通信号控制作为一种有效的改善方式备受关注。纵观交通信号控制的发展历程，共包括三个阶段：第一阶段为定时控制，通过采集历史数据提前设置好配时参数；第二阶段为感应控制，利用检测器得到的实时数据动态调整配时方案；第三阶段为利用城市交通流模型，对未来的交通状态信息进行预测，进而在线优化得到最优信号配时参数，其中最为经典的手段是模型预测控制(简称MPC)。然而，目前的城市交通流模型忽略了路网平均行程速度对于路网容纳车辆数的影响，仅考虑了信号配时与路网容纳车辆数的关联，使得已有模型存在一定的不足与限制。综合上述分析，有必要深入探讨路网平均行程速度与信号配时、路网容纳车辆数之间的关系，提出一种更加全面的城市路网交通信号控制方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服了现有方法中未考虑路网平均行程速度对于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法,其特征在于,所述的一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法的步骤如下：/n1)宏观城市交通流模型的构建:/n首先，模型的仿真步长用T

【技术特征摘要】
1.一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法,其特征在于,所述的一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法的步骤如下：
1)宏观城市交通流模型的构建:
首先，模型的仿真步长用Tstep表示，该值通常设置为1s；仿真步长计数器表示为w，在模拟间隔[wTstep,(w+1)Tstep]内允许到达队列末端的车辆在同一时段通过路口；
其次，根据上游交叉口在模拟间隔[wTstep,(w+1)Tstep]的输入、输出的车辆数，更新上游交叉口u和下游交叉口d之间的道路(u,d)中的车辆数:






式中：
nu,d(w+1)表示第w+1个步长内道路(u,d)上容纳的车辆数，单位.辆；

表示道路(u,d)总的存储容量，单位.辆；

表示第w个步长内道路(u,d)的可用存储空间，单位.辆；

表示第w+1个步长内道路(u,d)的可用存储空间，单位.辆；

表示第w个步长内道路(u,d)的输入车辆数，单位.辆；

表示第w个步长内道路(u,d)的输出车辆数，单位.辆。
道路(u,d)的输出车辆数为各个方向输出链路的车辆数之和，同理也可得到道路(u,d)的输入车辆数，见公式(3)-(4)：






式中：
Iu,d表示道路(u,d)的输入节点集，Iu,d＝{i1,i2,i3}；
Ou,d表示道路(u,d)的输出节点集，Ou,d＝{o1,o2,o3}；

表示第w个步长内道路(u,d)上转向o的输出车辆数，单位.辆；

表示第w个步长内第i个方向转入道路(u,d)的车辆数，单位.辆。
则公式(2)转化为：



根据公式(5)可知，宏观城市交通流模型的关键是计算链路的输出车辆数；
(1)输出车辆数的确定:
a.排队车辆数的计算；
b.到达车辆数的计算；
(2)输入车辆数的确定；
2)路网交通信号预测控制器的设计:
(1)评价指标的提出；
(2)基于MPC的信号控制流程。


2.按照权利要求1所述的一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法,其特征在于,所述的输出车辆数的确定是指：
根据交通流的运行特性，输出车辆数与等待和到达的车辆数、交叉口的饱和流率以及下游道路的可用空间相关，计算公式可表示为:



式中：

表示第w个步长内道路(u,d)上的车流转向o的实际排队长度，单位.辆；

表示第w个步长内到达道路(u,d)上第o个方向队尾的车辆数，单位.辆；
αu,d,o(w)表示第w个步长内道路(u,d)上的车流转向o的交通比例，可根据实际情况调查得到；
su,d表示道路(u,d)的饱和流率，单位.辆/小时；

表示第w个步长内交叉口d中转向o的可用存储空间，单位.辆；
bu,d,o(w)指的是布尔值，表示在步长w内，道路(u,d)上转向o的车流在交叉口d的交通信号情况，信号灯为绿色则布尔值为1，红色则为0。
输出车辆数由非饱和状态下车辆数、饱和状态下车辆数、过饱和状态下车辆数这三个中的最小值决定，分别由式(6)中的三项给出；第一项是根据等待和到达队列的车辆计算出非饱和状态下车辆数；第二项计算的是饱和状态下车辆数，取决于饱和流率和仿真间隔；第三项是根据下游道路存储容量的比例计算的过饱和状态下车辆数；
由公式(6)可知，计算输出车辆数时，关键问题是确定排队车辆数和到达车辆数，其他变量均可根据采集的数据直接获取。


3.按照权利要求1所述的一种基于MPC的城市路网交通信号控制方法,其特征在于,所述的排队车辆数的计算是指：
a.确定平均行程速度与平均延误时间的关系
通过分析交通流的运行过程发现,无论路段上的车辆以何种速度行驶、排队车辆以何种形式排队通过交叉口，只要保证车辆的总行程时间不变,交通流总是可以等效为“自由行驶—排队释放”的过程；因此，可以将路段车流行驶过程抽象为自由流行驶，而车辆延误均由排队造成；则，第w个步长内车辆通过道路(u,d)的平均行程时间Tu，d，o由车辆的平均行驶时间和平均延误时间组成，计算公式为：



式中：

表示第w个步长内道路(u,d)上转向o的第i辆车的行程时间，单位.h；

表示第w个步长内道路(u,d)上转向o的第i辆车的行驶时间，单位.h；

表示第w个步长内道路(u,d)上转向o的第i辆车的延误时间，单位.h；
n表示统计车辆的总数；
又结合车辆速度与行程时间的转换关系，公式(7)可转换为：






式中：
Lu,d表示道路(u,d)的长度，单位.m；

表示道路(u,d)中路段部分的长度，其与Lu,d近似相等，单位.m；

表示道路(u,d)上车辆的自由流速度，可根据道路的设计参数获取，单位.km/h；

表示第w个步长内道路(u,d)上转向o的车辆的平均行程速度，单位.km/h；
通过上述转换，确定了平均行程速度与车辆平均延误时间的关系，进而，所求问题转变为计算排队长度与平均延误时间的关系；
b.等效排队长度的提出
根据交叉口的进口道数及绿信比，将交叉口受信号控制的间断车流等效为连续释放车流，即将交叉口进口道等效为相应数量的连续释放车流的车道，转换后车道即为等效车道；经过等效后，车辆的平均行程速度和道路中车辆数不变，交叉口进口道数减少，故而当交通量较大时，车流在进口处易发生阻滞现象，进而产生车辆排队，本发明将该种情况定义为等效车道的排队，相应的排队车辆数称之为等效排队长度；
根据车辆数守恒原则，绿灯期间通过某个方向进口道的车辆数与等效车道在整个周期内释放的车辆数相等，则等效车道数的计算表达式为：






式中：
cd(w)为第w个步长内信号交叉口d的周期，单位.s；
gu,d,o(w)为第w个步长内道路(u,d)上转向o的绿灯时间，单位.s；

表示道路(u,d)上为方向o的车流分配的实际车道数，单位.条；

表示道路(u,d)上为方向o的车流分配的等效车道数，单位.条；
又根据排队车辆数守恒原则，等效排队长度可表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：高雨虹，曲昭伟，宋现敏，夏英集，李志慧，陈永恒，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22