[发明专利]基于尖点突变和量子粒子群优化的道路通行能力评价方法

权利要求书

1.一种基于尖点突变和量子粒子群优化的道路通行能力评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：选用速度″V″作为尖点模型的状态变量，时间占有率″O″和流量″Q″作为控制变量，建立V-Q尖点数学模型；其中速度″V″为单位时间内通过待测路段的车辆的平均速度；时间占有率″O″指的是在单位时间内，所有车辆经过检测器的时间的总和占总的测量时间的比例，反映的是车辆的密集程度；流量″Q″为单位时间内通过待测路段的总车辆数；

设共采集到n组数据，等间隔时间通过的平均车速、总车辆数以及道路时间占有率记为：

v_i＝[v₁，v₂，v₃，...，v_i，...，v_n]；

q_i＝[q₁，q₂，q₃，...，q_i，...，q_n]；

o_i＝[o₁，o₂，o₃，...，o_i，...，o_n]；

i＝1，2，3，...，n；

步骤2：将输入数据平移和旋转得到预处理后数据Input；从预处理后数据中随机选取两组数据，解得一组参数a₁和b₁，而后随机选取两组数据又解得一组参数a₂和b₂；如此重复执行m次，获得m组参数{Ans＝[a_k，b_k]，k＝1，2，3，...，m}，其中，2m≤n；

步骤2的具体实现过程是：

以O、Q、V分别为x、y、z轴建立空间直角坐标系，将每个输入的数据作为点在坐标系中表示；设(v₁，q₁，o₁)的点平移后至(v₂，q₂，o₂)则有：

其中，取v₀为最大时间占有率对应的最大车流量时的车速，q₀为时间占有率最大时的流量，o₀为道路通畅状态下的最大时间占有率；

经过平移后，进行Q轴和O轴旋转，设旋转角度为θ，(v₂，q₂，o₂)的点旋转后至(v，q，o)则有：

V-Q尖点数学模型平衡曲面方程为：

V³+aQV+bO＝0 (3)

其中V，Q，O分别为(v₁，q₁，o₁)经过平移和旋转后的点(v，q，o)，a和b为系数；

在式(3)中任意两组输入数据，解得一组参数(a，b)；重复执行m次，获得m组参数{Ans＝[a_k，b_k]，k＝1，2，3，...，m}；

分叉集方程为：

Δ＝4a³Q+27b²O² (4)

则当Δ不同时，系统对应的稳定性也不同，当Δ＞0时，系统稳定，则表明道路处于持续拥堵或持续畅通状态，当Δ＜0时，系统极不稳定，则表明道路上车辆在高速和低速之间变化，当Δ＝0时，则表示系统处在稳定与不稳定的边缘，道路可能会处于拥堵或畅通状态，也可能会突然变得不稳定；

步骤3：初始化产生m个量子态粒子，以及每个粒子在d维空间的位置X_k＝[a_k，b_k]^T，k＝1，2，3，...，m；

步骤4：初始化m个粒子的初始位置X_i(0)，令各个粒子的当前最佳位置为：P_i(0)＝X_i(0)，令全局最佳位置为P_g(0)；

P_g(0)＝arg min{f(X₁(0))，f(X₂(0))，...，f(X_m(0))}；

式中f(X_i(0))表示位置为X_i(0)下的目标函数，初始化具体的值就是P_g(0)，是通过输入的矩阵确定的；

步骤5：从第一组交通数据开始，对所有交通数据循环执行下述操作；

求Input中各组数据在坐标系中对应的点到平衡曲面的距离，到平衡曲面的距离不超过阈值distance的点是附着在曲面上的点，其中distance为实数；

设P_g(t)表示第t次迭代的全局最佳位置，则各粒子的目标函数值为：

计算完毕后设第i次循环的f(X)值为q_i存至数组Q；

更新每个粒子的新局部最优位置P_i(t+1)：

其中X_i(t)表示粒子在第t次迭代中的位置；

更新全局最优位置P_g(t+1)：

P_g(t+1)＝arg min{f(p₁(t+1))，f(p₂(t+1))，...，f(P_m(t+1))}；

更新每个粒子的位置mbest(t+1)，mbest(t+1)是粒子群中所有粒子迭代至最佳位置的中间位置；

步骤6：设存在正整数N，N是与最终结果精度有关的参数，N越大则精度越高，是通过实际情况人为设置的，循环执行步骤五N次后，开始如下判定：

判断Q数组里储存的序列是否趋于稳定；检测方法为：检验Q数组最后的N个数据的均方根误差是否小于已设定阈值，即判断Q数组里储存的序列是否趋于稳定收敛；

若否，则回转执行步骤5；

若是，输出一组参数值作为优化结果P_g(t)，执行下述步骤7；

步骤7：得到一组确定的参数值后，在坐标系中确定唯一平衡曲面；

步骤8：求出尖点平衡曲面的尖点处竖坐标并转换成速度。