[发明专利]一种基于双层规划的混合交通流协同优化控制方法

权利要求书

1.一种基于双层规划的混合交通流协同优化控制方法，其特征在于，该方法是采用基于动态规划递归的双层优化模型进行混合交通流协同决策控制，适用于混合交通流中的不同交通场景，所述不同交通场景包括高速公路匝道车辆汇流、交叉路口车辆合流、车辆通过交叉路口；所述双层优化模型包括上层模型和下层模型；所述上层模型是一个用动态规划递归求解的车辆排序问题；所述下层模型是一个用动态规划递归求解的在不同交通场景中的单次车辆轨迹优化问题；

该方法包括步骤：

S1、建立所述上层模型，包括：

S1-1、确定所述上层模型的划分阶段、状态变量和决策变量，具体如下：

所述上层模型的划分阶段：假定X道路和Y道路为两条有交叉的单向单行道路，X道路上有n辆车需要依次汇入或通过Y道路上车辆间存在的m+1个间隔，并将X道路上的每一单次车辆汇入或通过Y道路的行为表示为一个阶段，记X道路上的第k辆车汇入或通过Y道路的行为为第k阶段，其中k＝1，2，3，...，n；

所述上层模型的状态变量：第k阶段可供X道路上第k辆车汇入或通过Y道路的车辆间隔数，用s_k表示；

所述上层模型的决策变量：每个阶段所做的决策，表示第k阶段X道路上第k辆车在可汇入或通过Y道路的s_k个车辆间隔中选择具体的第x_k个车辆间隔汇入或通过；

S1-2、确定所述上层模型的状态转移方程、费用函数和目标函数，具体如下：

所述上层模型的状态转移方程：

设定初始条件为s₀＝m+1；

所述上层模型的状态转移方程表明，当k＝1时，s_k＝s₁表示在第1阶段可供X道路上第1辆车汇入或通过Y道路的车辆间隔数为m+1个；当k＝2，3，...，n时，在第k-1阶段时X道路上的第k-1辆车选择了第x_k-1个车辆间隔作为汇入或通过Y道路后状态变量s_k的变化；s₀＝m+1表示在初始状态下可供X道路上车辆汇入或通过Y道路的车辆间隔数为m+1个；

所述上层模型的费用函数：

所述上层模型的费用函数D_k(s_k，x_k)表示第k阶段做出决策所需的阶段指标函数，其中表示第k阶段在协同优化控制策略作用下X道路上的第k辆车在汇入或通过可供第k辆车汇入或通过Y道路的s_k个车辆间隔产生的所有可能费用消耗；是指Y道路上没有直接参与到车辆汇流或车辆合流或车辆通过交叉路口过程的车辆，因前车受车辆汇入或通过的影响，而使得自身车辆出于跟驰安全需要所做出的车辆速度调整造成的费用消耗；

所述上层模型的目标函数：

设定初始条件为f₀(s₀)＝0；

所述上层模型的目标函数f_k(s_k)表示第1阶段至第k阶段的系统车辆的累计费用消耗，f₀(s₀)＝0表示在初始状态下系统成本为0；

S2、建立所述下层模型，包括：

S2-1、确定微观跟驰模型，用所述微观跟驰模型描述车辆的跟驰状态，并预测车辆初始轨迹；所述车辆的跟驰状态包括车辆的速度、加速度和位置；

S2-2、建立用于判别第k阶段X道路上的第k辆车是否可以顺利汇入或通过Y道路的条件约束模型；

S2-3、针对混合交通场景下的第k阶段X道路上的第k辆车汇入或通过Y道路的过程中可能出现的各种情况，拟制协同控制策略集；

S2-4、基于步骤S2-1预测的车辆初始轨迹，由步骤S2-2建立的条件约束模型依次判断第k阶段X道路上的第k辆车汇入或通过Y道路上可供第k辆车汇入或通过Y道路的s_k个车辆间隔的每个车辆间隔的过程中出现的具体情况，并依据第k阶段X道路上的第k辆车在汇入或通过Y道路上可供第k辆车汇入或通过Y道路的s_k个车辆间隔的每个车辆间隔的过程中出现的具体情况分别做出步骤S2-3拟制的协同控制策略集中对应的协同控制策略；

S2-5、将参与第k阶段的车辆中可优化控制的车辆确定为目标车辆；分别依据步骤S2-4所做出的协同控制策略对所述目标车辆的行驶轨迹进行优化，并将该优化问题归结为离散时间状态约束的最优控制问题，用动态规划的思想求解得到关于所述目标车辆的协同优化控制策略；

S2-6、计算第k阶段在协同优化控制策略作用下X道路上的第k辆车汇入或通过可供第k辆车汇入或通过Y道路的s_k个车辆间隔的所有可能费用消耗

S3、求解所述双层优化模型：

S3-1、求解所述上层模型，确定系统车辆的累计费用消耗在最低时的所述上层模型的每个阶段所做的决策；

S3-2、由步骤S3-1确定的所述上层模型的每个阶段所做的决策逆推得到所述下层模型X道路上的每个单次车辆汇入或通过Y道路的车辆优化轨迹；

S4、由步骤S3求解得到所述双层优化模型的以系统最优为目的的混合交通流协同决策，并将其作用于系统车辆，控制系统车辆的运行。