專(zhuān)利名稱(chēng)：基于Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種FPGA預(yù)測(cè)控制方法，特別涉及一種基于Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制方法。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)保有量的不斷増加，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)尾氣排放有夫，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； 另ー方面，當(dāng)堵車(chē)發(fā)生吋，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)展的ー個(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)；另ー種安裝在匝道入ロ附近，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)的觀點(diǎn)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(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)Ax和At有夫。故此，宏觀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。

發(fā)明內(nèi)容
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，本發(fā)明提供一種基于Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制方法。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Whitham宏觀交通流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。 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案一種基于Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟步驟一、根據(jù)Whitham模型
^ += ^lAx,/), S(X, I)]_ dv CjV _ yjp)-v Y op
d/ dx T pT dx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)]為由于阻ロ進(jìn)入或駛出的車(chē)流量引起的密度變化率函數(shù)，r(x, t)為由阻ロ進(jìn)入的車(chē)流量，s(x, t)=sQ(x, t)+sq(x, t)為由阻ロ駛出的車(chē)流量，S。(x, t)為由阻ロ駛出的正常車(chē)流量、s,(x，t)為信息顯示牌強(qiáng)制駛出車(chē)輛造成的流量増量，Ve(P)為等價(jià)速度，T, y均為常數(shù)；用差分格式表示微分項(xiàng)并略去高階項(xiàng)，得到 dp p(x.(+<；)-p(x./) へ p:卜' -pn~I +り⑷= -iP = P(^^)-PM+0(h) = ^-P dxhh
3v v(x,t + ^)-v(x,t) ^ v +i _yn—=-^~^~- + O(^r)= ' g ! atggIノレ枝,)-'仏,)+呦)=~1式中，I為t的微分,h為X的微分,O (も)為I的高階無(wú)窮小，O (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I，ズ為第i個(gè)路段在[nl，(n+1) I]內(nèi)車(chē)輛的平均密度，Vf為第i個(gè)路段在[n I，(n+1) I ]內(nèi)車(chē)輛的平均速度；
得到Whitham模型的差分形式為
權(quán)利要求
1.一種基于Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于包括以下步驟
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于Whitham宏觀交通流模型的FPGA在線(xiàn)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于所述計(jì)算模塊采用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，自定義浮點(diǎn)數(shù)結(jié)構(gòu)如下表所示
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Whitham宏觀交通流模型的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Whitham宏觀交通流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。
文檔編號(hào)G08G1/00GK102842230SQ201210316039
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者史忠科, 劉通 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)