一種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制策略，屬于智能交通的技術(shù)領(lǐng)域；所述控制方法通過量子技術(shù)，自動(dòng)的選擇自適應(yīng)控制策略中的參考模型。結(jié)合防止城市道路溢流的Petri網(wǎng)模型構(gòu)成的模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，根據(jù)帶有限制溢流的Petri網(wǎng)模型輸出的期望車流量數(shù)修正各個(gè)相位的時(shí)間長度，有效抑制了城市交叉口群的車輛溢流；相比于現(xiàn)有技術(shù)中固定配時(shí)方案以及建立模糊控制規(guī)則繼而引入信號(hào)決策方法的方案而言優(yōu)化了控制效果。
【專利說明】
一種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及本帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制方法，屬于 智能交通的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 城市道路交通是影響城市經(jīng)濟(jì)增長的因素之一。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人民生活 水平的提高，汽車的需求量在持續(xù)增加。造成交通擁堵的原因除了城市道路供給與日常的 通行需求之間的矛盾外，還有城市交通規(guī)劃的不合理性以及淡漠的交通意識(shí)。城市道路建 設(shè)是系統(tǒng)性的，基礎(chǔ)性的工程。在進(jìn)行城市道路規(guī)劃時(shí)要綜合考慮到多方面的因素。但是由 于目前城市道路規(guī)劃不合理，不科學(xué)，導(dǎo)致道路經(jīng)常性翻修，嚴(yán)重影響了正常的交通通行。 中國的交通組成結(jié)構(gòu)與外國不同，國外的結(jié)構(gòu)以機(jī)動(dòng)車為主，而國內(nèi)的交通結(jié)構(gòu)是混合交 通結(jié)構(gòu)，以自行車和電動(dòng)車為代表的非機(jī)動(dòng)車的占比非常高。在混合交通中，非機(jī)動(dòng)車與機(jī) 動(dòng)車的相互占道現(xiàn)象嚴(yán)重。由于機(jī)動(dòng)車的高速增長，而城市停車位稀缺，導(dǎo)致大量機(jī)動(dòng)車在 非機(jī)動(dòng)車道上違規(guī)停車，阻礙非機(jī)動(dòng)車的通行。同時(shí)，大量非機(jī)動(dòng)車占用機(jī)動(dòng)車道行駛，降 低了機(jī)動(dòng)車的通行速度。淡薄的交通意識(shí)導(dǎo)致闖紅燈，超載，爭道現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，降低通行 效率的同時(shí)也增大了交通事故的發(fā)生頻率。
[0003] 在經(jīng)典的優(yōu)化方法中，Webster和Akcelik分別提出了 Webster模型和ARRB模型。這 兩個(gè)模型在固定配時(shí)方法中有重大的影響。這兩個(gè)模型在低流量下，能夠很好的計(jì)算出來 車輛通過路口的平均延誤時(shí)間，但是在高流量下，計(jì)算的結(jié)果誤差較大。近幾年，隨著Petri 網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，用Petri網(wǎng)建立交叉路口的模型成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)之一。利用Petri網(wǎng)模 型可以同時(shí)描述車輛通過路口的宏觀特征和微觀特征。通過對(duì)連續(xù)Petri網(wǎng)的研究，可以同 時(shí)從連續(xù)的和離散的角度對(duì)交叉路口進(jìn)行分析和研究。
[0004] 傳統(tǒng)的相位配時(shí)方法是通過尋優(yōu)算法對(duì)特定的交叉口延誤模型進(jìn)行尋優(yōu)，得到最 小延誤的信號(hào)分配方案。常用的方法有爬山法，粒子群尋優(yōu)算法，蟻群尋優(yōu)算法等。比較實(shí) 用的是爬山法，其實(shí)現(xiàn)比較的簡單，在實(shí)際中已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用。統(tǒng)計(jì)學(xué)模型和尋優(yōu)算 法一般于用固定配時(shí)方案中，利用人工采集數(shù)據(jù)得到模型中的各個(gè)參數(shù)值，然后結(jié)合尋優(yōu) 算法，求解出配時(shí)方案。但是由于傳統(tǒng)方法是建立在統(tǒng)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，由人工實(shí)現(xiàn)確定模 型的參數(shù)。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，配時(shí)方案不能及時(shí)的調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致車輛的積壓，形成溢流狀態(tài)， 降低路網(wǎng)中交叉口的通行能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供了帶有量子決策的 城市道路交叉口群局部溢流控制策略。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制方法，該方法包括以 下步驟，
[0008] 步驟1，采用量子信息技術(shù)以及Petri網(wǎng)理論，根據(jù)車量的排隊(duì)狀態(tài)，建立交叉路口 的車輛參考模型;針對(duì)欠飽和和過飽和兩種情況，分別設(shè)計(jì)不同交叉口 Petri網(wǎng)參考模型；
[0009] 步驟2,建立各方向基于車隊(duì)的滯留車輛的時(shí)間延長模型，并結(jié)合模糊隸屬度函 數(shù)，得到綜合的平均車輛延誤時(shí)間模型，在初始信號(hào)控制下得到交叉口各方向的延時(shí)時(shí)長； [0010]步驟3,采集交叉口的實(shí)際滯留車輛數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)際車輛的滯留數(shù)量以及參考模型 中的滯留車輛數(shù)，得交叉口信號(hào)控制系統(tǒng)的殘差；以實(shí)際系統(tǒng)與參考模型的滯留車輛的殘 差為輸入，推導(dǎo)得到基于Petr i網(wǎng)的自適應(yīng)控制策略；
[0011]步驟4，依據(jù)實(shí)際車流量的大小，利用量子信息技術(shù)算法進(jìn)行決策，結(jié)合步驟3得出 的基于Petri網(wǎng)的自適應(yīng)控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)的大小。
[0012]所述步驟1具體指，
[0013] 步驟1.1，根據(jù)交叉路口的車輛行駛情況，將其分為四個(gè)相位，分別為：南北向直 行、南北向左轉(zhuǎn)、東西向直行、東西向左轉(zhuǎn)，不考慮右轉(zhuǎn)車輛專門的綠燈相位；
[0014] 步驟1.2,利用量子信息技術(shù)來判斷，在各相位的車輛是否出現(xiàn)過飽和情況，并且 判斷是否有需要采用有限制溢流的Petri網(wǎng)模型為交叉路口信號(hào)自適應(yīng)控制策略中的參考 豐旲型；
[0015] 步驟1.3,參考模型根據(jù)實(shí)際車流量的大小，動(dòng)態(tài)的生成欠飽和狀態(tài)下，交叉口中 各個(gè)車道的滯留車輛數(shù)。
[0016] 所述步驟1.2具體指，利用量子信息技術(shù)設(shè)置兩個(gè)比特位來判斷道路車輛是否會(huì) 發(fā)生溢流，第一比特位用于評(píng)價(jià)排隊(duì)車輛增長速度是否過快，第二比特用于評(píng)價(jià)排隊(duì)車輛 長度是否過長，用|〇〇〉、|〇1〉、|1〇〉、|11〉分別表示沒有溢流發(fā)生、車輛排隊(duì)長度過長可能導(dǎo) 致溢流、車輛排隊(duì)長度增長過快可能導(dǎo)致溢流、車輛排隊(duì)長度過長并且增長速度過快可能 導(dǎo)致溢流；用四個(gè)權(quán)系數(shù)aotKaoUKKan分別表示前四種狀態(tài)的權(quán)重| _ 12+ | aQ112+ | a1Q 12+ an |2 = 1;溢流狀態(tài)表示為：
[0017] \<p) = ?〇〇 ? |〇〇) + * |〇1) + ?1〇 ? |l〇) + ?n '|1!}. ，
[0018] 根據(jù)|供> 判斷溢流狀態(tài)是否發(fā)生以及是否選取帶有限制溢流的Petri網(wǎng)模型為交 叉口信號(hào)自適應(yīng)控制策略中的參考模型。
[0019] 所述步驟2具體指，建立的相位時(shí)間延長模型： 在初始信號(hào)控制下得到交叉口各相位的延時(shí)信號(hào)；
[0020] 其中：Ti是第i個(gè)相位的延長時(shí)間，Ti〇是初始延長時(shí)間，A Ti是相位延長時(shí)間的實(shí) 時(shí)變化量，A是保持路口系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)，ei(k)是第i個(gè)相位在第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)實(shí)際滯留車 輛數(shù)與期望滯留車輛數(shù)的差值，Si是車道飽和流量，
，K是最近一次采樣點(diǎn)在整個(gè) 采樣序列中的序列號(hào)，N是保證k = K-N，…，K時(shí)ei(k)辛0的最大自然數(shù)，i為自然數(shù)，ei = yPi (k)_ymi(k) |ypi(k)_ymi(k) | > y，ypi(k)是第i個(gè)相位在第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的實(shí)際滯留車輛數(shù)， ymi(k)是第i個(gè)相位在第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的期望滯留車輛數(shù)，Y是表示對(duì)擾動(dòng)的不敏感程度，Y 取值大于零。
[0021 ] 所述帶有限制溢流的Petri網(wǎng)模型具體指，根據(jù)Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)理論，當(dāng)交叉口處 于過飽和狀態(tài)時(shí)，為了減少過飽和狀態(tài)的存在時(shí)間，根據(jù)發(fā)生溢流的交叉口方向，自動(dòng)的跳 過發(fā)生溢流方向的綠燈相位，從而避免溢流的惡化以及減少溢流的發(fā)生時(shí)間。
[0022]所述保持路口系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)入：
[0024] nu是設(shè)定的每秒鐘通過路口的車輛數(shù)。
[0025] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0026] (1)帶有量子信息決策模塊的防止溢流自適應(yīng)控制策略能夠根據(jù)車道上是否發(fā)生 溢流，自發(fā)的選擇用于自適應(yīng)控制策略的參考模型。進(jìn)而以Petri網(wǎng)的參考模型輸出的期望 直流車輛數(shù)修正各相位實(shí)際滯留車輛數(shù)與期望滯留車輛數(shù)的差值，修正各相位的延長時(shí) 間。再由修正后的各相位延長時(shí)間、初始相位信號(hào)修正交叉路口的實(shí)際相位信號(hào)，對(duì)路網(wǎng)局 部溢流具有更強(qiáng)的抵抗能力；
[0027] (2)相比于現(xiàn)有技術(shù)中固定配時(shí)方案以及建立模糊控制規(guī)則繼而引入信號(hào)決策方 法的方案而言優(yōu)化了控制效果。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的1個(gè)相位的通行方向；
[0029] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的1個(gè)相位的通行方向；
[0030] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的1個(gè)相位的通行方向；
[0031 ]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的1個(gè)相位的通行方向；
[0032]圖5為本發(fā)明中不帶有限制溢流的道路的Petri網(wǎng)模型；
[0033]圖6為本發(fā)明中帶有限制溢流的道路的Petri網(wǎng)模型；
[0034]圖7為本發(fā)明中交叉口信號(hào)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型；
[0035] 圖8為本發(fā)明中防止城市道路交叉口群的局部溢流控制策略的控制框圖；
[0036] 圖9為車隊(duì)在紅燈初期到達(dá)的離散圖；
[0037] 圖10為車隊(duì)在紅燈初期到達(dá)的離散圖；
[0038] 圖11為車隊(duì)在紅燈中期到達(dá)的離散圖；
[0039]圖12為車隊(duì)在紅燈中期到達(dá)的離散圖；
[0040]圖13為車隊(duì)在綠燈初期到達(dá)的離散圖；
[0041 ]圖14為車隊(duì)在綠燈初期到達(dá)的離散圖；
[0042] 圖15為車隊(duì)在綠燈中期到達(dá)的離散圖；
[0043] 圖16為車隊(duì)在綠燈中期到達(dá)的離散圖；
[0044] 圖17為在車隊(duì)延誤模型中引入的隸屬度函數(shù)圖；
[0045] 圖18為無控制策略的控制效果圖；
[0046]圖19為有溢流控制策略的控制效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047] 本發(fā)明提供一種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制方法，為 使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及效果更加清楚，明確，以及參照附圖并舉實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步 詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0048] 在本實(shí)施例中，被研究的道路交叉口相位變化如圖1所示有4個(gè)相位，相位1如圖2 所示為南北向直行，相位2如圖3所示為南北向左轉(zhuǎn)，相位3如圖3所示為東西向直行，相位4 如圖4所示為東西向左轉(zhuǎn)。在這篇發(fā)明中，因考慮到如果路口有專用右轉(zhuǎn)車道，則右轉(zhuǎn)車輛 與其他方向車輛沖突較小，不考慮專門的綠燈相位。
[0049]第i個(gè)相位的期望滯留車輛數(shù)ymi由交叉口的Petri網(wǎng)模型輸出，交叉口的Petri網(wǎng) 模型的配時(shí)方案由信號(hào)初始分配模塊決定。在信號(hào)初始分配模塊中，設(shè)定對(duì)應(yīng)路口的延誤 模型，并利用爬山法對(duì)初始相位信號(hào)進(jìn)行分配。其具體方案如下：
[0050]下游路口的到達(dá)車輛受到上游路口的信號(hào)影響，易形成車隊(duì)。車隊(duì)到達(dá)時(shí)車流量 明顯大于離散車流量。為了更精確的計(jì)算出車輛通過交叉路口的延誤時(shí)間，將車隊(duì)的不同 到達(dá)情況分開考慮。車隊(duì)在不同時(shí)間的到達(dá)離散圖如圖9至圖16所示，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐 標(biāo)n為滯留車輛數(shù)。由圖9、圖10得到車隊(duì)在紅燈初期到達(dá)的延誤時(shí)間dn，由圖11、圖12得到 車隊(duì)在紅燈中期到達(dá)的延誤時(shí)間d 12，由圖13、圖14得到車隊(duì)在綠燈初期到達(dá)的延誤時(shí)間 d13,由圖15、圖16得到車隊(duì)在綠燈中期到達(dá)的延誤時(shí)間d14:
[0055] 式（1)至式⑷中為車隊(duì)到達(dá)的持續(xù)時(shí)間，等待通行車輛的消散時(shí)間，qpl為 車隊(duì)到達(dá)時(shí)的車流量，qn為無車隊(duì)到達(dá)時(shí)的車流量，qav為平均車流量，r為交叉口的紅燈時(shí) 長，g為交叉口的綠燈時(shí)長，C為交叉口信號(hào)周期，X為車道的飽和度，S為車道的飽和流量。
[0056] qpl= (U)/a ? qav，qn= (p ? qav)/(i-a)，x = qav ? C/(S ? g)。
[0057] dn對(duì)應(yīng)的a和0為： L0060」di2對(duì)應(yīng)的a和0為：

[0063] di3對(duì)應(yīng)的a和0為：
[0066] di4對(duì)應(yīng)的a和0為：
[0069] 為了計(jì)算任意時(shí)刻的車隊(duì)到達(dá)延誤時(shí)間，利用隸屬度函數(shù)將四種車隊(duì)到達(dá)的延誤 模型(式(1)至式(4))聯(lián)系起來并建立目標(biāo)函數(shù)。
[0070] 隸屬度函數(shù)由圖17所示，橫坐標(biāo)為一周期內(nèi)的時(shí)間，根據(jù)圖17可以得到各個(gè)車隊(duì) 到達(dá)類型的隸屬度函數(shù)： _\l + (tPD -g)/(g/2) g/2 < tm < g 〇〇71 l1 -^m~g )/(r/2) g<tPD<g + rfl ⑶ .一 Jl + (" _g-r/2)/('/2) g < tP0 <g-\-r/,2
[0072] Mi _g_?y 2)/(r/2) g+ r/2<tPD < g+ r 的 \]-+{tPD~r-s)M2) g+rl1<^PD<g+r
[0073] l-^/(g/2) 〇<tPD<gl2 (?) _ Jl + (tPD - g/2)/(g/2) 0 < tPD < g/2
[0074] ^ _ gi2)j{g/2) g/2<tm<g (8)
[0075] 式(5)至式(8)中
，Laj是上游路口與下游路口的間距，Vajp是車 輛通過兩個(gè)路口之間道路的平均速度，0是兩個(gè)相鄰路口信號(hào)之間的信號(hào)相位差，R是保證 tPD在0到路口周期C之間最小的整數(shù)。
[0076] 結(jié)合隸屬度函數(shù)和不同的車隊(duì)到達(dá)的延誤模型，目標(biāo)函數(shù)可以選擇為各個(gè)相位延 誤時(shí)間的總和：
[0077] di = lii ? dii+li2 ? di2+y3 ? di3+y4 ? di4 (9)
[0078] 結(jié)合爬山法尋優(yōu)得到最佳的相位配時(shí)，使得路口總延誤模型公式(9)最低。并將結(jié) 果用到基于Petr i網(wǎng)的參考模型中。
[0079]在進(jìn)行信號(hào)進(jìn)一步優(yōu)化之前，先利用量子信息技術(shù)，判斷是否有溢流現(xiàn)象發(fā)生，以 及是否有必要選取帶有溢流限制的交叉口Petri網(wǎng)模型。量子信息中，常用基本概念為比特 位。本專利采用二比特位，一位表示車輛的排隊(duì)長度，另外一位表示車輛排隊(duì)長度的增長速 度，兩個(gè)比特位可以表示四種不同的車輛排隊(duì)情況。用|〇〇〉、|〇1〉、| 10〉、111〉分別表示沒有 溢流發(fā)生、車輛排隊(duì)長度過長可能導(dǎo)致溢流、車輛排隊(duì)長度增長過快可能導(dǎo)致溢流、車輛排 隊(duì)長度過長并且增長速度過快可能導(dǎo)致溢流，如下表所示：
[0081 ]用四個(gè)權(quán)系數(shù)atxKdtn、a1Q、an分別表示前四種狀態(tài)的權(quán)重，I aoo 12+ I aQ112+ I a1Q 12+ aii 12 = 1。溢流狀態(tài)表示為：
[0082] |夕〉=a00 ? |00〉+? |01〉十巧。?0〉+?"」11〉
[0083] 根據(jù)判斷溢流狀態(tài)是否發(fā)生以及是否選取帶有限制溢流的Petri網(wǎng)模型為交 叉口信號(hào)自適應(yīng)控制策略中
的參考模型。(1〇0、(1〇1、 (110、(111的計(jì)算式分別如下：
[0088]當(dāng)aQ1、aiQ、ail的計(jì)算結(jié)果中有1，表示有溢流將要發(fā)生，應(yīng)該采取帶有溢流限制的 參考模型。用于自適應(yīng)控制的參考模型為Petri網(wǎng)模型，如圖2和圖3所示。
[0089]圖5、圖6對(duì)應(yīng)于道路系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型。其中，圖5表示沒有溢流限制的道路交叉 口模型，當(dāng)庫所P1中有對(duì)應(yīng)的托肯時(shí)且?guī)焖鵓intersection未滿，變迀tNS_GS_int。就會(huì)觸發(fā)，車輛就 可以進(jìn)入庫所中成為一個(gè)虛托肯，一段時(shí)間后，虛托肯經(jīng)過托肯變迀轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)托 肯就可以被變迀tNS_GS_out觸發(fā)，離開庫所Pintersection。庫所Pintersection代表交叉口的公共空 間。圖6表示帶有溢流限制的道路模型。當(dāng)庫所 PNS_GS_right是空時(shí)，每周期延時(shí)變迀pNS_ GS_right 可以產(chǎn)生一個(gè)托肯送入庫所PNS_GS_right中。在庫所PNS_GS_right和庫所P1中有托肯時(shí)，車輛才會(huì) 午各口，艮口 j$/^fpintersection 〇 3^x￡tNS_GS_in_copy-^3 tNS_GS_in j tNS_GS_intocopy-^3 tNS_GS_int〇7E^)' 別對(duì)應(yīng)相同的，即圖6中的右邊為虛擬的交叉口道路模型，作用就是統(tǒng)計(jì)進(jìn)入交叉口的車輛 數(shù)，當(dāng)車輛數(shù)到達(dá)限額wvariablJ寸，消除庫所PNS_CS_ rlght中托肯，使得車輛無法繼續(xù)進(jìn)入交叉 口。庫所PNS+CS+into^tion中的托肯代表進(jìn)入了路□的車輛數(shù)，當(dāng)車輛數(shù)到達(dá)WvariablJ寸就會(huì)觸 發(fā)變遷tpassing_right_eliminate，從而消除了庫所PNS_GS_right中的托冃。
[0090] 圖7對(duì)應(yīng)于信號(hào)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型，庫所?1至口4為四個(gè)基礎(chǔ)相位，變迀。至七4表示 四個(gè)相位之間的過渡，其延遲時(shí)間決定了每個(gè)相位的時(shí)間長度。庫所Pt...和變迀..表 示相位跳躍部分。以庫所P3對(duì)應(yīng)的跳躍部分為例，當(dāng)有跳躍第三相位的請(qǐng)求時(shí)，變迀4」^將 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)托肯，送入Pj_p3中。變迀tj_p3e是延時(shí)變迀，延時(shí)時(shí)間可以設(shè)定為一周期。當(dāng)基礎(chǔ) 相位部分對(duì)應(yīng)的Petri網(wǎng)模型中的托肯轉(zhuǎn)移至庫所 W_p3時(shí)，就會(huì)觸發(fā)變迀tu3,直接跳轉(zhuǎn)到 庫所P4，從而相位三的時(shí)間就會(huì)被跳過。結(jié)合圖5、圖6和圖7，可以得到整個(gè)交叉口的Petr i 網(wǎng)模型。將Petri網(wǎng)的交叉口模型用于上文推導(dǎo)的自適應(yīng)控制方案中，優(yōu)化信號(hào)。
[0091] 帶有溢流限制的控制策略如圖8所示，由參考模型的輸出為yM=[yml ym2 ym3 ym4 ]T，其中ymi(i = l，2,3,4)是參考模型各相位的滯留車輛數(shù)（即為權(quán)利要求中的期望滯留車 輛數(shù)）。滯留車輛是在綠燈開始之前就到達(dá)路口，等待綠燈放行，但是綠燈結(jié)束后，依然沒有 通過路口的車輛。實(shí)際道路交叉口的滯留車輛數(shù)為yp = b>馬3 .vp4^其中ypi(i = l， 2,3,4)是實(shí)際交叉口各相位的滯留車輛數(shù)，t是變迀，p是庫所。實(shí)際道路交叉口延長時(shí)間為 KE=[Kel Ke2 Ke3 Ke4]，其中，Ti(i=l，2,3,4)是實(shí)際交叉口各相位的延長時(shí)間。rF為車流量 信息，包括車隊(duì)到達(dá)時(shí)的車流量q Pi、無車隊(duì)到達(dá)時(shí)的車流量qn、平均車流量qav?？刂葡到y(tǒng)反 饋的誤差為eF=[ei(k) e2(k) e3(k) e4(k)]，ei(k)(i = l，2,3,4)是實(shí)際交叉路口各相位滯 留車輛數(shù)與參考模型各相位滯留車輛數(shù)的誤差：
[0092] ei = yPi(k)-ymi(k) | yPi(k)-ymi(k) | > y
[0093] 其中，y是大于0的整數(shù)，代表對(duì)于誤差的不敏感程度，由工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。
[0094] 為了取得最優(yōu)的控制策略，設(shè)立目標(biāo)函數(shù)：
[0096]根據(jù)模型參考自適應(yīng)的推導(dǎo)過程可得：
[0099] 無論ei(k)<0或者ei(k)>0,滯留車輛數(shù)的變化速率都是Si。所以這里采用^:來 替代知⑷/叫。最終得到的綠燈時(shí)間調(diào)節(jié)方程為： _ 7>A7;+7;,, \4).5:+7： 0
[0101]對(duì)于單個(gè)相位，利用離散李雅普諾夫可得：
[0103] 其中，句_ > 〇或者;Elj仏)< 〇。當(dāng)⑷> 〇時(shí)，可得穩(wěn)定條件為 ei /mt ^ le^k) <0即參數(shù)入的限制條件為1 <卻W ? wi/ZLiv ei(妓$當(dāng) G G； Ha⑷<0時(shí)，可得方程，He分)sy%-參數(shù)人的限制條件依然可以寫成 k<2eXk)-m[/'Y^K A^i(^)-^ o
[0104] 綜合上述兩種情況，可得單個(gè)相位道路的控制律穩(wěn)定條件為：
[0106]當(dāng)兩個(gè)相位都要采用溢流限制時(shí)：
[0108] 當(dāng);q㈨> 0和Hv e2⑷> 0時(shí)，參數(shù)A的限制條件為： X 工 e^k) 5*! /?[ -2c\ [k ) > 0
[0109] ^ k.k n Z /. LL'{k}. S，jnu - 2^(/:)> 0 、K-.N， !
[0110] 當(dāng)㈨<0和1二^㈨<0時(shí)，參數(shù)x的限制條件為： I 工 6) (/:) ^ Sj lm{ - 2e{ (A) < 0
[0111] < 人乂， I r a ^ c, (/:) ? S, jnu - 2c\ (A:) < 0
[0112] 當(dāng)He#)和^彳2⑷其中一個(gè)為正，一個(gè)為負(fù)時(shí)，參數(shù)人的限制條件可以表 示為下式，這里假設(shè)㈨> 0和;ElAie#；)<0。 /. y^,e^{k\ Sx mx -2e^{k)> 0
[0113] < k￡n l a 藝 c-, (k) * 5- mn 2c. (k) < 0 、K-'N l
[0114] 參數(shù)A的綜合限制條件為：
[0116]當(dāng)三個(gè)或三個(gè)以上的相位采用溢流限制參考模型時(shí)，參數(shù)A的限制條件為：
3,…無論㈨>〇或1>辦)<〇 K-'N K-.N.
[0118]圖17為利用MATLAB軟件，結(jié)合本文所述的控制方法得到的控制效果圖，圖18為固 定配時(shí)在溢流發(fā)生時(shí)，車輛的排隊(duì)狀態(tài)。圖19為帶有溢流限制的自適應(yīng)控制策略，在有溢流 發(fā)生時(shí)的車輛通行情況。當(dāng)溢流控制被觸發(fā)時(shí)，上游進(jìn)入交叉口的車輛數(shù)減少，以緩解發(fā)生 滯留車道的通行壓力。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制方法，其特征在于：該 方法包括以下步驟， 步驟1，采用量子信息技術(shù)以及Petri網(wǎng)理論，根據(jù)車量的排隊(duì)狀態(tài)，建立交叉路口的車 輛參考模型;針對(duì)欠飽和和過飽和兩種情況，分別設(shè)計(jì)不同交叉口 Petr i網(wǎng)參考模型； 步驟2,建立各方向基于車隊(duì)的滯留車輛的時(shí)間延長模型，并結(jié)合模糊隸屬度函數(shù)，得 到綜合的平均車輛延誤時(shí)間模型，在初始信號(hào)控制下得到交叉口各方向的延時(shí)時(shí)長； 步驟3,采集交叉口的實(shí)際車流量數(shù)據(jù)，對(duì)比實(shí)際車輛的滯留數(shù)量以及參考模型中的滯 留車輛數(shù)，得交叉口信號(hào)控制系統(tǒng)的殘差；以實(shí)際系統(tǒng)與參考模型的滯留車輛的殘差為輸 入，推導(dǎo)得到基于Petri網(wǎng)的自適應(yīng)控制策略； 步驟4,依據(jù)實(shí)際車流量的大小，利用量子信息技術(shù)算法進(jìn)行決策，結(jié)合步驟3得出的基 于Petri網(wǎng)的自適應(yīng)控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)信號(hào)的大小。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制 方法，其特征在于:所述步驟1具體指， 步驟1.1，根據(jù)交叉路口的車輛行駛情況，將其分為四個(gè)相位，分別為:南北向直行、南 北向左轉(zhuǎn)、東西向直行、東西向左轉(zhuǎn)，不考慮右轉(zhuǎn)車輛專門的綠燈相位； 步驟1.2,利用量子信息技術(shù)來判斷，在各相位的車輛是否出現(xiàn)過飽和情況，并且判斷 是否有需要采用有限制溢流的Petri網(wǎng)模型為交叉路口信號(hào)自適應(yīng)控制策略中的參考模 型； 步驟1.3,參考模型根據(jù)實(shí)際車流量的大小，動(dòng)態(tài)的生成欠飽和狀態(tài)下，交叉口中各個(gè) 車道的滯留車輛數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制 方法，其特征在于:所述步驟1.2具體指， 利用量子信息技術(shù)設(shè)置兩個(gè)比特位來判斷道路車輛是否會(huì)發(fā)生溢流，第一比特位用于 評(píng)價(jià)排隊(duì)車輛增長速度是否過快，第二比特用于評(píng)價(jià)排隊(duì)車輛長度是否過長，用|〇〇>、I Ol >、110>、111>分別表示沒有溢流發(fā)生即欠飽和、車輛排隊(duì)長度過長可能導(dǎo)致溢流即過飽和、 車輛排隊(duì)長度增長過快可能導(dǎo)致溢流、車輛排隊(duì)長度過長并且增長速度過快可能導(dǎo)致溢 流;用四個(gè)權(quán)系數(shù)atxKatn、a 1Q、αη分別表示前四種狀態(tài)的權(quán)重I a? 12+ I aQ112+ I a1Q 12+ I an 12 = 1;溢流狀態(tài)表不為：根據(jù)I#判斷溢流狀態(tài)是否發(fā)生以及是否選取帶有限制溢流的Petri網(wǎng)模型為交叉口信 號(hào)自適應(yīng)控制策略中的參考模型。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制 方法，其特征在于:所述步驟2具體指， 建立的相位時(shí)間延長模型在初始信號(hào)控制下得到 交叉口各相位的延時(shí)信號(hào)； 其中：Ti是第i個(gè)相位的延長時(shí)間，Tio是初始延長時(shí)間，△ Ti是相位延長時(shí)間的實(shí)時(shí)變化 量，λ是保持路口系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)，ei(k)是第i個(gè)相位在第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)實(shí)際滯留車輛數(shù)與 期望滯留車輛數(shù)的差值，S1是車道飽和流量，，K是最近一次采樣點(diǎn)在整個(gè)采樣序 列中的序列號(hào)，N是保證k = K_N,…，K時(shí)ei(k)辛O的最大自然數(shù)，i為自然數(shù)，ei = yPi(k)-ymi (k) |ypi(k)-ymi(k)卜γ，ypi(k)是第i個(gè)相位在第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的實(shí)際滯留車輛數(shù)，y mi(k)是 第i個(gè)相位在第k個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的期望滯留車輛數(shù)，γ是表示對(duì)擾動(dòng)的不敏感程度，γ取值大 于零。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制 方法，其特征在于:所述帶有限制溢流的Petri網(wǎng)模型具體指，根據(jù)Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)理論，當(dāng) 交叉口處于過飽和狀態(tài)時(shí)，為了減少過飽和狀態(tài)的存在時(shí)間，根據(jù)發(fā)生溢流的交叉口方向， 自動(dòng)的跳過發(fā)生溢流方向的綠燈相位，從而避免溢流的惡化以及減少溢流的發(fā)生時(shí)間。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種帶有量子決策的防止城市道路交叉口群的局部溢流控制 方法，其特征在于： 所述保持路口系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)λ:πη是設(shè)定的每秒鐘通過路口的車輛數(shù)。
【文檔編號(hào)】G08G1/081GK105931474SQ201610113799
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年2月29日
【發(fā)明人】陳復(fù)揚(yáng), 陳希韜, 王瓅
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)