最優(yōu)控制小論文

1、 題目：城市交叉路口交通燈控制優(yōu)化研究 學 院： 信息工程與自動化 姓 名： 鄧志華 專 業(yè)： 控制工程 學 號： 20152204073 指導老師： 張壽明 昆明理工大學 城市交叉路口交通燈控制優(yōu)化研究 摘 要隨著我國經(jīng)濟發(fā)展迅猛，人均收入逐年增加，為了改善生活水平，基本上每個上班族都購置了一部車，有的家庭甚至不至一輛，加上我國人口基數(shù)大，交通道路還不很完善，必然導致我國各個城市交叉路口車輛通行面臨著很嚴峻的問題。這樣更不利于城市交通道路的管理，給我們每一個居民來了很多不便。本文利用最優(yōu)控制理論，研究了城市交叉路口信號燈控制方式與通過路段歷年車輛交通通行疏密情況并進行計算，由計算結(jié)果可以看出

2、，經(jīng)最優(yōu)控制理論優(yōu)化后交通信號燈，其城市交叉路口人、車通暢路況效果明顯得到改善以及發(fā)生交通事故可能性大幅度的降低，可以作為城市交叉路口人、車輛通行優(yōu)化控制的一種有效手段 申曉東，鐘德鈺，吳騰.基于最優(yōu)控制理論的水庫排沙調(diào)度優(yōu)化研究J.水利發(fā)電學報.2010.8:第29卷，第4期.。關(guān)鍵詞： 最優(yōu)控制；控制；優(yōu)化；城市交叉路口交通燈0Abstract Along with the fast development of economy in China, the per capital income increased year by year,in order to improve the l

3、iving standards, basically every office worker bought a car, some families even not a car, combined with China's large population base, the traffic is not very perfect, bound to lead to each city intersection traffic in our country is facing a serious problem.It is not conducive to the managemen

4、t of the urban traffic road, to each of our residents to a lot of inconvenience. Using optimal control theory, this paper studies the urban intersection signal control way and by road vehicle traffic density and calculated the calendar year, by the calculation results can be seen that after the opti

5、mal control theory to optimize the traffic lights, the city intersection, car unobstructed road effect is obviously improved and greatly reduce the traffic accident probability and can be used as an urban intersection, traffic optimization is an effective means of control.Key words: Optimal control；

6、Control；Optimizing City intersection traffic lights 0目錄前 言3第一章 概 述41.1 城市交通控制系統(tǒng)的組成部分41.2 城市交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)中心控制子系統(tǒng)5第二章 最優(yōu)控制策略62. 1 最優(yōu)控制理論的基本內(nèi)容62.2最優(yōu)控制問題的基本求解方法7 2.2.1解析法.7 2.2.2數(shù)值解法(直接法).7 2.2.3 解析與數(shù)值相結(jié)合的尋優(yōu)方法7 2.2.4 網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化方法7第三章 城市交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)模型73.1 目標與約束條件的關(guān)系集合7第四章 總 結(jié)8第五章 致 謝9參考文獻11前 言 近三十年來，城市交通控制的研究和應(yīng)用

7、都有了很大發(fā)展，現(xiàn)在世界上很多城市的交通均采用計算機協(xié)調(diào)控制。但是，這些控制幾乎都是開環(huán)，半開環(huán)或次最優(yōu)的 劉希，鄒左軍 城市交通協(xié)調(diào)控制綜述.自動化學報，1986.12：430437.。次最優(yōu)的在線控制方式是：當某方向為綠燈時，如果該方向的流量已小于某一給定值i則信號開始有綠變紅 Savolainen PT，Datta TK，Ghosh I，et alEffects of dynamically activated emergency vehicle warning sign on driver behavior at urban inter sectionsJ.Transportation

8、 esearch ecord，2010，2149:77 83。次最優(yōu)控制的仿真研究表明，綠信號往往要延長至最大綠燈時間，這種方法不僅不能達到最優(yōu)，而且還不能保持信號周期不變，即不能與相鄰交叉路口保持穩(wěn)定的相位差，不利于路網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制和管理 Chen K，Dow C，Yang C，et alAn ntcip-based interoperable framework for emergency vehicle preemption system using web service and STMFJJournal of Information Science and Engineering，20

9、10，26(3):801815。 最優(yōu)控制理論是研究和解決從一切可能的控制方案中尋找最優(yōu)解的一門學科。它是現(xiàn)代控制理論的重要組成部分。這方面的開創(chuàng)性工作主要是由貝爾曼( R. E.Bellman)提出的動態(tài)規(guī)劃 賀建勛,連瑞興.實用最優(yōu)控制理論M.廈門:廈門大學出版社,1989.和龐特里雅金(·· )等人提出的最大值原理 白其崢.數(shù)學建模案例分析M.北京:海洋出版社,2000.。這方面的先期工作應(yīng)該追溯到維納(N.Wiener)等人奠基的控制論(Cybernetics)。1948年維納發(fā)表了題為控制論關(guān)于動物和機器中控制與通訊的科學的論文, 第一次科學的提出了信息、反饋和控

10、制的概念,為最優(yōu)控制理論的誕生和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。錢學森1954年所著的工程控制論( Engineering Cybernetics)直接促進了最優(yōu)控制理論的發(fā)展和形成。第1章 概 述1.1 城市交通控制系統(tǒng)的組成部分 智能交通控制系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)包括：車流與行人流監(jiān)測處理、交通信號(優(yōu)化)控制、車輛導航(地區(qū)性或全球性)、緊急事件處理、交通分流顯示牌與媒體傳播、道路橋梁自動收費、路況監(jiān)控與維護、公路公共交通管理與協(xié)調(diào)、公共交通優(yōu)先運行管理、交通流量與旅行時間預(yù)測、自動停車與服務(wù)、立體交通一體(優(yōu)化)化協(xié)調(diào)與管理等.智能交通控制系統(tǒng)的核心部分是交通信號(優(yōu)化)控制子系統(tǒng)。其他子系統(tǒng)是智能交通控制

11、系統(tǒng)的外圍實現(xiàn)功能或?qū)崿F(xiàn)子系統(tǒng)。智能交通控制系統(tǒng)的外圍實現(xiàn)子系統(tǒng)歸根結(jié)底依靠或服務(wù)于交通信號(優(yōu)化)安排、協(xié)調(diào)、控制、保證、優(yōu)化各個子系統(tǒng)的功能。否則，整體交通網(wǎng)絡(luò)的效率并不會提高。智能交通控制系統(tǒng)之所以稱之為系統(tǒng)，就是在于它的各個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化而共同發(fā)揮功能,整體提高效率。因此，僅僅若干個諸如自動化收費站的安裝或監(jiān)控站的建立并不代表進入智能優(yōu)化控制系統(tǒng)。因為系統(tǒng)的能力是由“頸口”的能力(并非唯一)和元素之間有機的協(xié)調(diào)優(yōu)化機制共同約束所決定的。智能交通控制系統(tǒng)不僅僅是自動化設(shè)備的集成, 它還包括社會各個部門和民眾的道德修養(yǎng)等諸方面的參與協(xié)調(diào)。原因是交通涉及到人(司機和行人)的行為、包括人的交通

12、需求、消費水平和社會道德水準等。交通信號（優(yōu)化）控制子系統(tǒng)是智能交通控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)子系統(tǒng)，是其核心部分。從目前國內(nèi)的智力和財力投入來看，存在著相當程度的盲從、混亂和浪費。城市交通迄今仍面臨一個行業(yè)發(fā)展的策略問題：發(fā)展核心控制技術(shù)而后擴展外圍技術(shù)，還是反之決交通信號（優(yōu)化）控制子系統(tǒng)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化問題，并且以此為基礎(chǔ)整合外圍技術(shù)，從而形成相應(yīng)的國家規(guī)范和標準。1.2 城市交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)中心控制子系統(tǒng)文中集中討論智能交通控制系統(tǒng)中子系統(tǒng)之一,智能交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)的模型。智能交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)由以下5個模塊組成。 模塊1 數(shù)據(jù)反饋與處理收集、處理數(shù)據(jù),辨識排隊分布,估計參數(shù),確

13、定函數(shù)形式, 統(tǒng)計特性等等 Jayakrishnan R，Jun-SeokOh, Abd-El-K ader Sahraoui.Calibration and path dynamics issues inmicro-scopic simulation for advanced tr- affic management and information systems.Transportation ResearchRecord.1771,2001,917.。模塊2 控制目標選擇控制目標集合中交通優(yōu)化目標（如:車流量最大、路途最短、車流時滯最小等等)。目標的首先確定可以避免以后模塊或計算中不必要的

14、浪費8 Haight Frank A.Evaluation of projects and progr-ammes: principles and examples. in Project and Policy Evaluation in Transport, Aldershot,Hampsire,England,2002.181208.。智能交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)的目標集還可以包括:預(yù)空迎賓干道最大流；緊急疏散時間最少；事故現(xiàn)場堵塞最??；尾氣排放最少；汽車噪聲最小等目標。交通信號控制子系統(tǒng)的優(yōu)化控制變量包括：進入交通道路網(wǎng)絡(luò)車流量；匝口進入道路網(wǎng)絡(luò)車流量；交叉路口各分流信號；交叉路口車流交匯

15、模式；車道數(shù)目等。交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)的狀態(tài)變量包括:各個交通(硬件)設(shè)施車流到達流量與分布；各個交通(硬件)設(shè)施車流離開流量與分布；各個交通(硬件)設(shè)施之間車速、流量；安全性等。模塊3 各種約束條件確定各種約束條件具體內(nèi)容為交叉路口等交通(硬件)設(shè)施的車流與人流交匯(運行)模式、信號相位差約束以及其他條件約束。模塊3決定約束集合中的約束(條件)選擇、約束條件簡化、約束條件線性化、約束條件分階逼近方式等等 劉楊,云美萍,彭國雄.應(yīng)急車輛出行前救援路徑選擇的多目標規(guī)劃模型.J公路交通科技,2009,26(8):135139。交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)的約束條件包括:叉路口交匯模式子模型；綠色信號(

16、對流)協(xié)調(diào)關(guān)系子模型；交叉路口交通信號子模型；設(shè)施通行能力子模型；車流流量模型；車流交織子模型；車流速度子模型；車流流速與流量關(guān)系子模型；車流震動波(瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài))子模型；行人自行車流速與流量關(guān)系子模型；道路網(wǎng)絡(luò)(相對)地理子模型；道路網(wǎng)絡(luò)地況條件子模型；氣候條件子模型；其他約束子模型。模塊4 優(yōu)化計算調(diào)用優(yōu)化軟件包優(yōu)化計算模型。模塊5 控制指令發(fā)出與控制實現(xiàn) 發(fā)出交通信號控制指令到城市交通信號燈網(wǎng)絡(luò), 根據(jù)模塊2確定的控制目標實施各種類型的最優(yōu)控制。交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)的輸出變量包括網(wǎng)絡(luò)中分流車流的各種信號有交匯模式、信號長度、信號周期、信號序列次序、信號相位差等;網(wǎng)絡(luò)中顯示的各種信息車流狀

17、況、事故地點等智能交通信號最優(yōu)控制系統(tǒng)框架交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)的交通信號控制實施方式必須具備閉環(huán)實時控制、開環(huán)實時控制、完全人工控制、固定程序控制等方式。第2章 最優(yōu)控制策略2. 1 最優(yōu)控制理論的基本內(nèi)容 眾所周知,動態(tài)規(guī)劃、最大值原理和變分法是最優(yōu)控制理論的基本內(nèi)容和常用方法。動態(tài)規(guī)劃是貝爾曼20世紀50年代中期為解決多階段決策過程而提出來的。 這個方法的關(guān)鍵是建立在他提出的所謂“最優(yōu)性原理”基礎(chǔ)之上的,這個原理歸結(jié)為用一組基本的遞推關(guān)系式使過程連續(xù)的最優(yōu)轉(zhuǎn)移 劉駿躍 最優(yōu)控制理論的現(xiàn)狀和發(fā)展J.機電工程.2000.第17卷，第5期.。它可以求這樣的最優(yōu)解, 這些最優(yōu)解是以計算每個決策的

18、后果并對今后的決策制定最優(yōu)決策為基礎(chǔ)的, 但在求最優(yōu)解時要按倒過來的順序進行,即從最終狀態(tài)開始到初始狀態(tài)為止。動態(tài)規(guī)劃對于研究最優(yōu)控制理論的重要性在于 劉駿躍 最優(yōu)控制理論的現(xiàn)狀和發(fā)展J.機電工程.2000.第17卷，第5期.：它可以得出離散時間系統(tǒng)的理論結(jié)果；用動態(tài)規(guī)劃方法可以得出離散時間系統(tǒng)最優(yōu)解的迭代算法；動態(tài)規(guī)劃的連續(xù)形式可以給出它與古典變分法的聯(lián)系,在一定條件下,也可以給出它與最大(小)值原理的聯(lián)系。這樣就使得三種解決最優(yōu)控制問題的基本方法在一定條件下得以溝通。龐特里雅金19561958年間創(chuàng)立的最大值原理是經(jīng)典最優(yōu)控制理論的重要組成部分和控制理論發(fā)展史上的一個里程碑 劉駿躍 最優(yōu)控

19、制理論的現(xiàn)狀和發(fā)展J.機電工程.2000.第17卷，第5期.。它是解決最優(yōu)控制問題的一種最普遍的有效方法。由于它放寬了求解問題的前提條件,使得許多古典變分法和動態(tài)規(guī)劃無法解決的工程技術(shù)問題得到了解決 Tlig M,Bhouri N.A multi-agent system for urban traffic and buses regularity controlJ,Procedia-Social and Behavioral Sciences,2011.20. 10:896-905。同時龐特里雅金在他的著作中已經(jīng)把最優(yōu)控制理論初步形成了一個完整的體系。當然,許多控制問題還是能用古典變分法解決

20、的。在這種情況下,采用古典變分法解決問題會更加簡便和容易。2.2最優(yōu)控制問題的基本求解方法所謂最優(yōu)化問題,就是尋找一個最優(yōu)控制方案或最優(yōu)控制規(guī)律，使系統(tǒng)能最優(yōu)地達到預(yù)期的目標。在最優(yōu)化問題的數(shù)學模型建立后，主要問題是如何通過不同的求解方法解決尋優(yōu)問題。一般而言，最優(yōu)化方式有離線靜態(tài)優(yōu)化方式和在線動態(tài)優(yōu)化方式，而最優(yōu)化問題的求解方法大致可分為四類：2.2.1 解析法 對于目標函數(shù)及約束條件具有簡單而明確的數(shù)學表達式的最優(yōu)化問題，通?？刹捎媒馕龇▉斫鉀Q。其求解方法是先按照函數(shù)極值的必要條件，用數(shù)學分析方法求出其解析解，然后按照充分條件或問題的實際物理意義間接地確定最優(yōu)解。2.2.2 數(shù)值解法(直接

21、法) 對于目標函數(shù)較為復(fù)雜或無明確的數(shù)學表達式或無法用解析法求解的最優(yōu)化問題，通?？刹捎弥苯臃▉斫鉀Q。直接法的基本思想，就是用直接搜索方法經(jīng)過一系列的迭代以產(chǎn)生點的序列，使之逐步接近到最優(yōu)點。直接法常常是根據(jù)經(jīng)驗或?qū)嶒灦玫降摹?.2.3 解析與數(shù)值相結(jié)合的尋優(yōu)方法2.2.4 網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化方法 這種方法以網(wǎng)絡(luò)圖作為數(shù)學模型，用圖論方法進行搜索的尋優(yōu)方法。 第三章 城市交通信號優(yōu)化控制子系統(tǒng)模型3.1 目標與約束條件的關(guān)系集合 從系統(tǒng)模型整體性來說，城市交通的最優(yōu)化控制技術(shù)可分4個層次： 1.主干道的車流高峰方向的最優(yōu)化控制主干道的高峰方向的最優(yōu)化控制是指對車流與自行車和行人流的流量、時滯、距離、

22、車速等等變量的優(yōu)化。流高峰方向有明顯的差異，而且方向相反 Liu Henry X,Jun-SeokOh,Will Recker.Adaptive signal control system with on-line performance measure for single intersection,2002.PWP-2002-5。功能化區(qū)域建設(shè)較為完善的城市，早晚交通高峰相對交錯的現(xiàn)象就較為明顯。為了有效且優(yōu)化使用交通設(shè)施，主干道的高峰方向的車流與自行車和行人流的流量最優(yōu)化控制自然選為智能交通信號優(yōu)化控制優(yōu)化目標之一，也是常用的目標之一。 2.主干道的相對雙方向的最優(yōu)化控制在上個目標基礎(chǔ)上

23、,必須考慮對主干道相對雙向的最優(yōu)化控制,主干道的相對雙方向的最優(yōu)化控制是指對相對雙方向車流與自行車和行人流的流量、時滯、距離、車速等等變量的優(yōu)化 Ritchie Stephen G,Ruey L Cheu.Neural network models for automated detection of Non-recurring congestion.1993.PRR-93-5.。在人口密集或商務(wù)繁榮的城市, 常常出現(xiàn)相對雙方向的優(yōu)化問題。相對雙向的交通信號優(yōu)化使得協(xié)調(diào)難度大大增加。相對雙向信號的“綠燈帶”是本優(yōu)化目標的最簡單形式 Mc Nally Michael G,James E Moor

24、e II,C Arthur Mac Carley et al.Ev aluation of the anaheim advanced traffic control system field operat ional test：final report task B: Assessment of Institutional Issues.1999.PRR-99-27.。 3.道路網(wǎng)車流高峰方向的最優(yōu)化控制在主干道優(yōu)化的基礎(chǔ)上,需要考慮道路網(wǎng)中車流與自行車和行人流的流量、時滯、距離、車速等等變量的優(yōu)化。這就是本優(yōu)化目標的內(nèi)容.當考慮的視野從主干道擴大到道路網(wǎng)時, 問題的復(fù)雜程度急劇上升。協(xié)調(diào)與優(yōu)化道路網(wǎng)中車流高峰方向的優(yōu)化簡化了約束條件,避免了眾多可行解為空集的可能性。 4.道路網(wǎng)相對雙方向的最優(yōu)化控制道路網(wǎng)