[发明专利]基于Payne宏观交通流模型的FPGA在线预测控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种FPGA预测控制方法，特别涉及一种基于Payne宏观交通流模型的FPGA在线预测控制方法。

背景技术

随着经济的快速发展，汽车保有量的不断增加，交通拥挤已成为世界各国共同关注的焦点和急需解决的重要问题，交通拥挤同时也造成了严重的环境污染，在9种主要的空气污染物质中，6种直接或间接地与汽车尾气排放有关，堵车状态下汽车排出的有害物质浓度比正常行驶时高出5～6倍；此外，交通拥挤与交通事故是城市交通共生的两大问题。一方面，城市交通高峰时期密集的交通流，使得交通事故频发，极易引发严重的交通拥挤；另一方面，当堵车发生时，车辆驾驶员因为过度等待，容易失去耐心，使得交通事故发生的几率大大增加；可见交通拥挤已经成为影响全球城市可持续发展的一个全局性问题。

为了有效疏导交通、提高高速公路的使用效率，常常使用信息显示牌作为交通信息发布和控制的手段；通常，信息显示牌及可变限速标志作为智能交通系统的重要信息发布，由监控中心计算机通过通讯网络实行远程控制、传送并显示各种图文信息、向司机及时发布不同路段的不同路面情况及各类交通信息、进行交通法规，交通知识的宣传、达到减少高速公路重现性阻塞、减少高速公路非重现性事故的影响，提高行车安全；如文献“海依拉提·巴拉提，高速公路信息显示牌设置技术探讨，大陆桥视野，2010年10月，139-140”所述，信息显示牌系统的设置机理为：(1)检测器信息收集和处理系统、(2)信息显示牌信息提供、(3)通信系统、(4)中央控制系统；信息显示牌的设置应从整个交通导行系统建设的角度出发，充分考虑导行与控制的关联，结合考虑地面道路与高架道路的综合效益，制定整体性、合理性、高效性的导行方案；信息显示牌依据设置的地点和目的的不同而采用不同的形式；一种是安装在主线上，进行主线诱导和出口诱导，以字符形式显示前方路段的交通状况如畅通、拥挤、延误等，从而使驾驶员可以转向地面道路，避开拥挤区；另一种安装在匝道入口附近，把匝道入口处的排队长度及拥挤预测情况报告给驾驶员，也可把邻近主线上的交通情况显示给匝道入口上的驾驶员，从而为他们提供合理地诱导；然而，这些方案，将高速道路入口诱导、道路主线诱导、道路出口诱导仅仅按照信息需求划分开，没有有机相结合，特别是信息显示牌的显示信息没有按照宏观交通模型预测输出自动设定，难以对高速公路的交通流密度、行车速度进行有效控制。

为了深入分析交通系统，国内外大量学者研究交通流模型，其中采用流体力学的观点建立的宏观和微观模型分析交通特性者居多；在宏观交通流模型中，交通流被视为由大量车辆组成的可压缩连续流体介质，研究车辆集体的平均行为、单个车辆的个体特性并不凸显；宏观交通流模型以车辆的平均密度ρ、平均速度v和流量q刻画交通流，研究它们所满足的方程；宏观模型可以更好地刻画交通流的集体行为，从而为设计有效的交通控制策略、模拟及估计道路几何改造的效果等交通工程问题提供依据；在数值计算方面，模拟宏观交通流所需时间与所研究交通系统中车辆数目无关，只与所研究道路、数值方法的选取及其中空间x、时间t的离散步长Δx和Δt有关。故此，宏观交通流模型较适合于处理大量车辆组成的交通系统的交通流问题；这类模型被国际上大多数学者用来讨论封闭道路的交通现象。

然而，宏观交通流模型大多数采用偏微分方程描述，即使离散形式的宏观交通流模型也很复杂，这些模型的处理通常在台式机以上的系统处理，很难使用宏观模型对封闭道路匝口和可变信息牌进行在线预测控制。

发明内容

为了克服现有FPGA预测控制方法实时性差的不足，本发明提供一种基于Payne宏观交通流模型的FPGA在线预测控制方法。该方法通过对模型近似离散化处理，建立了并行处理流程，设计了动态数据存储方案，用FPGA实现了基于Payne宏观交通流模型的封闭道路匝口和可变信息牌的预测控制。可以使得高速公路的交通流密度、行车速度实现实时有效控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于Payne宏观交通流模型的FPGA在线预测控制方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、根据Payne模型：