一種基于消息的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)交通信號(hào)優(yōu)化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于消息的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)交通信號(hào)優(yōu) 化控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在城市道路交通系統(tǒng)中，交通網(wǎng)絡(luò)一般由道路和交叉口兩個(gè)基本單元組成，道路 是連接交叉口的中間部分，是車輛在空間上移動(dòng)的載體；交叉口則是道路的重要組成部分， 作用相對(duì)比較特殊，可是實(shí)現(xiàn)車輛向不同方向行駛；然而，正是由于交叉口在協(xié)調(diào)交通運(yùn)行 過(guò)程中，給交通的順暢運(yùn)行帶來(lái)眾多不便，城市道路通行能力主要受交叉口信號(hào)燈的協(xié)調(diào) 控制能力影響，因此，交叉口也被認(rèn)為是分布最廣的交通瓶頸節(jié)點(diǎn)。
[0003] 傳統(tǒng)的控制方法，如針對(duì)單節(jié)點(diǎn)交通模型分析可W追溯到1950年，通過(guò)基于柏松 到達(dá)的分布模型，對(duì)單點(diǎn)的排隊(duì)車輛進(jìn)行了信號(hào)的優(yōu)化控制。20世紀(jì)70年代末，我國(guó)開(kāi)始 了城市路網(wǎng)絡(luò)交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制研究。一方面，一些學(xué)者對(duì)國(guó)外一些典型的區(qū)域控制系統(tǒng) (如SCATS、SCOOT等）進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使之適應(yīng)國(guó)內(nèi)混合交通流的情形；另一方面，一些學(xué) 者對(duì)城市交通協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了理論研究，如基于系統(tǒng)總延誤最小的干線協(xié)調(diào)控制模型，但 是遺傳算法的運(yùn)行效率不高，不適合擴(kuò)展；一種W綠波帶寬最大化為目標(biāo)函數(shù)、相位差為決 策變量的變帶速干線協(xié)調(diào)控制數(shù)學(xué)模型，但它沒(méi)有考慮支路左轉(zhuǎn)車流對(duì)干線直行車流的影 響；采用線性規(guī)劃對(duì)交通系統(tǒng)中的確定性因素建模，獲得信號(hào)燈的初步配時(shí)方案，然后采用 模糊控制方式進(jìn)行補(bǔ)償，但是算法的計(jì)算量太大，不適合實(shí)時(shí)交通計(jì)算。
[0004] 人類生活在一個(gè)包含各種各樣紛繁復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的世界當(dāng)中，從互聯(lián)網(wǎng)、電力網(wǎng)、物流 網(wǎng)、交通網(wǎng)、電信網(wǎng)、包括人體的神經(jīng)網(wǎng)等等，它們雖然分屬不同的領(lǐng)域，但是都對(duì)我們的日 常生活產(chǎn)生著無(wú)法替代的作用。因此，如何最優(yōu)化的發(fā)揮各自的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，研究人員對(duì)每 一種網(wǎng)絡(luò)都進(jìn)行了仔細(xì)的研究，發(fā)現(xiàn)該些網(wǎng)絡(luò)都可W抽象為基本單元及其相互作用構(gòu)成的 網(wǎng)，例如；城市道路網(wǎng)可W抽象為交叉口為節(jié)點(diǎn)和W路段連接的網(wǎng)絡(luò)，其中路段為使車輛從 一個(gè)交叉口節(jié)點(diǎn)行駛到下一節(jié)點(diǎn)的載體，而交叉口則實(shí)現(xiàn)車輛的不同方向的分配和流轉(zhuǎn)； 互聯(lián)網(wǎng)可W抽象為基站和信號(hào)傳輸信道組成的網(wǎng)絡(luò)，其中基站實(shí)現(xiàn)向用戶發(fā)送資源，信道 則是信號(hào)傳輸通道和載體等等。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度不斷增 加，深入分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行機(jī)制，是進(jìn)一步優(yōu)化和控制網(wǎng)絡(luò)，并最大化網(wǎng)絡(luò)通行效率是智 能交通系統(tǒng)的重要課題，城市交通網(wǎng)絡(luò)擁堵問(wèn)題就是一個(gè)典型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和控制問(wèn)題。
[0005] 因此，本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)交通模型易受交通狀態(tài)非線性、離散時(shí)變性、隨機(jī)性等影 響，導(dǎo)致交通預(yù)測(cè)模型不穩(wěn)定、系統(tǒng)運(yùn)算量大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。W復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)信息化模型為 基礎(chǔ)，將交通網(wǎng)絡(luò)抽象為交叉口節(jié)點(diǎn)與道路的網(wǎng)絡(luò)，將車輛抽象為網(wǎng)絡(luò)通訊的數(shù)據(jù)包，交叉 口信號(hào)燈的控制的時(shí)序，即為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的切換控制時(shí)間，提出一種分布式的交通網(wǎng)絡(luò)自適 應(yīng)優(yōu)化方法，提高復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)車輛通行效率，降低系統(tǒng)延時(shí)，具有重大的理論意義及工程 應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種在復(fù)雜區(qū)域交通系統(tǒng)中，需要對(duì)交通信號(hào) 控制和車輛行駛路徑進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路交通的管控時(shí)，提出穩(wěn)定、可靠、環(huán)境 適應(yīng)性強(qiáng)、算法實(shí)時(shí)性高，系統(tǒng)優(yōu)化效率更高的復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)信號(hào)控制優(yōu)化方法。
[0007] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是；一種基于消息的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)交通信號(hào) 優(yōu)化控制方法，包括W下步驟：
[0008] 步驟1 ;建立交通網(wǎng)絡(luò)模型，初始化交通網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；
[0009] 步驟2 ;基于交通網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，初始化各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)燈切換時(shí)間和車輛到達(dá)節(jié) 點(diǎn)時(shí)間；
[0010] 步驟3 ;建立交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)，根據(jù)初始化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的車輛到達(dá)時(shí)間、信號(hào) 燈切換時(shí)間W及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間道路長(zhǎng)度分布，建立各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間消息傳遞函數(shù)；
[0011] 步驟4;利用車輛檢測(cè)器獲取車輛排隊(duì)長(zhǎng)度、道路車流量、平均車速和占有率信 息，計(jì)算車輛到達(dá)節(jié)點(diǎn)時(shí)間；
[0012] 步驟5 ;利用車輛檢測(cè)器獲取的信息，求交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)的最小值，得到新 的建立各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間消息傳遞函數(shù)的值，傳遞至上游和下游節(jié)點(diǎn)；
[0013] 步驟6 ;返回步驟3進(jìn)行循環(huán)迭代處理，當(dāng)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，停止循環(huán)迭代。
[0014] 所述交通網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括交通網(wǎng)絡(luò)路口節(jié)點(diǎn)矩陣、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間道路長(zhǎng)度分布矩陣W 及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間不同道路車流和占有率觀測(cè)矩陣。
[0015] 所述交通網(wǎng)絡(luò)參數(shù)包括交通網(wǎng)絡(luò)路口節(jié)點(diǎn)矩陣為：
[0016]
[0017] 其中，N為MXN維矩陣，其中，iG[0，N-U，jG[0，M-1]，x(ij)為交通網(wǎng)絡(luò)中 交通路口位置坐標(biāo)。
[0018] 所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間道路長(zhǎng)度分布矩陣為兩組道路的空間分布：
[0021] 其中化為NXM-l維矩陣，代表水平道路分布；為N-1XM維矩陣，代表垂 直道路分布。
[0022] 所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間不同道路車流和占有率觀測(cè)矩陣為：
[0025] 其中屯為NXM-l維矩陣，代表水平道路車流和占有率觀測(cè)矩陣；為 N-1XM維矩陣，代表垂直道路車流和占有率觀測(cè)矩陣。
[0026] 所述車輛到達(dá)節(jié)點(diǎn)時(shí)間為：
[0027]
[002引式中，(t)代表路口節(jié)點(diǎn)x(i，如處信號(hào)燈切換時(shí)間，代表路口節(jié)點(diǎn)相鄰 方向到達(dá)路口節(jié)點(diǎn)道路長(zhǎng)度。
[0029] 所述交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)延時(shí)函數(shù)為：
[0030]
[003。 其中，ad(i, _]'）表示車輛從某一方向到達(dá)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，Lxd(i,j)，Lyd(i, _]'）分別表示 水平和垂直方向上到達(dá)節(jié)點(diǎn)的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度，Dd(i，j)，Dyd(i，j)分別表示水平和垂直方向 上節(jié)點(diǎn)各方向的道路長(zhǎng)度，5 (i，j)表示節(jié)點(diǎn)的延時(shí)值。
[0032] 所述各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間消息傳遞函數(shù)為：
[0033] h。，"（a") =minf(XL,D)+g。，…）（X(i,j)+DE(i,j+ 1) )+h(…，J) (x(i,j)+Ds(i+l,j))
[0034] g。，"（a") = minf(X;aN，L, D)+g。，…）（X(i,j)+DE(i,j+ 1) )+h(…，j) (x(i,j)+Ds(i+l,j))
[003引其中，a"表示車輛從西面節(jié)點(diǎn)到達(dá)時(shí)間，aw表示車輛從北面節(jié)點(diǎn)到達(dá)時(shí)間，gu，j+i> 表示從節(jié)點(diǎn)x(i，j)傳遞至x(i，j+1)的消息值，表示從節(jié)點(diǎn)x(i，j)傳遞至x(i+l，j) 的消息值，X為當(dāng)前路口綠燈開(kāi)始時(shí)間，D為節(jié)點(diǎn)x(i，j)到節(jié)點(diǎn)x(i，j+1)的道路長(zhǎng)度，L為 到達(dá)節(jié)點(diǎn)x(i，j)的車輛長(zhǎng)度，咕為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與東面相鄰節(jié)點(diǎn)之間的道路長(zhǎng)度，Ds為當(dāng)前節(jié) 點(diǎn)與南面相鄰節(jié)點(diǎn)之間的道路長(zhǎng)度。
[0036] 所述車輛檢測(cè)器為微波車輛檢測(cè)器或地感線圈。
[0037] 所述最優(yōu)狀態(tài)為當(dāng)前循環(huán)的最小網(wǎng)絡(luò)延遲與上一循環(huán)的最小網(wǎng)絡(luò)延遲的差值不 大于規(guī)定闊值。
[0038] 本發(fā)明具有W下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：
[0039] 1.本發(fā)明W復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)信息化模型為基礎(chǔ)，將交通網(wǎng)絡(luò)抽象為交叉口節(jié)點(diǎn)與道路的 網(wǎng)絡(luò)，將車輛抽象為網(wǎng)絡(luò)通訊的數(shù)據(jù)包，交叉口信號(hào)燈的控制的時(shí)序，即為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的切換 控制時(shí)間，一種基于消息的分布式交通網(wǎng)絡(luò)信號(hào)控制迭代優(yōu)化方法；
[0040] 2.本發(fā)明采用微波車輛檢測(cè)器或地感線圈，利用傳感器實(shí)時(shí)獲取的道路車流量、 車道占有率、平均車速等信息，對(duì)節(jié)點(diǎn)傳遞消息進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新處理，避免傳統(tǒng)交通模型中 需要大數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)優(yōu)化的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性；
[0041] 3.本發(fā)明通過(guò)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)間消息函數(shù)傳遞函數(shù)，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)交通模型的復(fù)雜性，提 高了系統(tǒng)學(xué)習(xí)效率和快速的收斂性；
[0042] 4.本發(fā)明具有快速的收斂性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0043] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖；
[0044] 圖2為本發(fā)明仿真二維交通網(wǎng)路模型示意圖；
[0045] 圖3為本發(fā)明仿真平行等距條件下，交通延時(shí)穩(wěn)定性和收斂性曲線圖；
[0046] 圖4為本發(fā)明仿真點(diǎn)間道路為均勻分布和正態(tài)分布條件下，交通延時(shí)穩(wěn)定性和收 斂性曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0048] 如圖1所示，為本發(fā)明系統(tǒng)流程示意圖。
[0049] 所述步驟1，復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)路口節(jié)點(diǎn)矩陣表示為：
[0050]
[005。 式中，N為MXN維矩陣，其中，iG[0，N-1]，jG[0，M-1]，x(i，_]?)為交通網(wǎng)絡(luò)中 交通路口位置坐標(biāo)。
[0052] 交通節(jié)點(diǎn)間道路長(zhǎng)度分布矩陣為兩組道路的空間分布，如下所示
[005引式中化為NXM-l維矩陣，代表水平道路分布；為N-1XM維矩陣，代表垂 直道路分布；
[0056] 節(jié)點(diǎn)間不同道路車流狀態(tài)觀測(cè)矩陣，用表示。
[0059] 其中屯為NXM-1維矩陣，代表水平道路車流和占有率觀測(cè)矩陣；為 N-1XM維矩陣，代表垂直道路車流和占有率觀測(cè)矩陣。
[0060] 所述步驟2中，交通網(wǎng)絡(luò)達(dá)到時(shí)間，如下所示路口西向到達(dá)時(shí)間表示為：
[0061]
[006引式中，(t)代表路口節(jié)點(diǎn)x(i，如處信號(hào)燈切換時(shí)間，代表路口節(jié)點(diǎn)西向 道路長(zhǎng)度。
[006引所述步驟3 ;交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)函數(shù)，表示為：
[0064]
[0065] 式中，ad(i,j)表示車輛從某一方向到達(dá)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，Lyd(i,j)，Lyd(i,j)分別表示 水平和垂直方向上到達(dá)節(jié)點(diǎn)的車輛長(zhǎng)度，D