最优控制论文现代交通流量控制.docVIP

动态交通系统最优控制的路径选择模型 摘 要: 在分析各种影响动态交通系统最优控制约束的基础上, 依据相关原理, 采用数学建模的方法建 立了态交通系统最优控制模型, 最后给出该模型的主要算法. 智能交通运输系统的核心部分为动态交通 流分配模型与算法, 其基础则为动态交通系统最优控制模型, 因此建立用于诱导路径选择的动态交通系 统最优控制模型将有助于改善城市日益恶化的交通环境, 提升人们的生活质量, 同时也为城市规划与管 理以及各种交通政策的制定提供理论依据. 关键词: 智能交通运输系统; 动态交通流分配; 最优控制模型; 路径选择 随着社会经济的发展, 交通拥挤、交通事故、环 境污染和能源短缺等与交通相关的问题已经成为 世界各国面临的共同问题, 无论是以美国为代表的 西方发达国家, 还是以中国为代表的东方发展中国 家, 都毫无例外地正承受着不断加剧的城市交通问 题的困扰, 交通问题已经成为各国城市, 尤其是大 城市的首要问题之一. 虽然世界各国为达到建成畅 通交通运输系统的目的, 已经在城市交通方面投入 了巨大的资金, 但是效果并不理想, 交通拥挤状况 仍然十分严重, 并有日益恶化的趋势. 我国国民经济的高速发展和城市化进程的加 快, 促使城市机动车拥有量以及各种交通需求量 急剧上升, 城市道路所承受的负荷不断增长, 给城 市管理和人民生活都带来了巨大的考验. 主要表 现为由拥挤造成的交通运输效率持续下降、运能 浪费、能耗增加、事故不断、污染环境等. 当前的交 通状况对人们的生命财产和生存环境构成了极大 地威胁, 交通问题已经成为世界各国面临的极其 严重的??城市病 之一, 同时它也已成为城市可持 续发展的主要瓶颈. 智能交通运输系统(以下简称ITS)正是在在 这种背景下逐渐进入人们的视线, ITS具有先进 的检测、通信、计算机系统集成控制技术, 它能最 大限度地发挥现有交通基础设施的潜力, 提高运 输效率, 改进交通安全, 缓解城市交通拥挤, 节约 能源的消耗, 保护周围环境, 并使现有的交通设施 产生最大的社会经济效益. 鉴于这些优越性, 当前 世界各国都在该领域投入巨大的人力、物力和财 力, 积极探索建立该系统的可能性. 1 交通系统最优控制影响因素分析 虽然ITS涉及众多的学科、技术和领域, 但其 理论体系的核心部分则是动态交通流分配模型和 算法. 动态交通流分配模型和算法极其复杂, 然而 对动态交通流分配理论与方法的深入研究, 一方 面可以从科学的角度加深人们对交通网络系统运 行机理的了解; 另一方面又可以从实践角度为交 通预测和ITS系统中的动态路径诱导提供理论支 持. 因此, 研究动态交通流分配模型和算法在理论 和实践两个层面都具有重要的意义和价值. 影响动态路径选择的交通系统最优控制的因 素有许多, 主要包括时变的OD 需求、交通流的时 变性和该条件下的交通行为以及时变的交通阻抗. 1. 时变的OD需求 由于城市道路交通系统是社会大系统的一 个子系统, 因此它具备系统的共性, 即集合性、相关性、阶层性、整体性、目的性以及环境适应 性等; 同时, 城市道路交通系统也具有自身的个 性, 如: 交通运输系统是一个连续性过程系统 (包括运输生产的连续性和运输生产时间的连 续性) ; 开放性; 网络性; 动态性; 多功能、多环 节、超区域等[ 1] . 城市各小区之间的OD出行需求时时刻刻都 受到复杂各异的因素的影响, 因此, 它是动态的、 时变的. 不同的出行目的对出行的需求也将不同, 它对人们出行时路径的选择将产生极大的影响. 1. 2 交通流的时变性及该条件下的交通行为 出行者根据道路交通实时情况, 将对出行和 到达的时间做出调整, 以减少在道路上消耗无用 的出行时间; OD 对之间的最短路径将随着时变 的道路交通情况发生一定程度的变化; 高峰时段 内的交通流属于非均匀流, 它造成的交通拥堵在 时、空上都具有非稳定状态, 因此非均匀交通流是 交通拥堵时、空特性的决定因素. 时变的交通阻抗 交通阻抗包含多项内容, 如: 行驶时间、安全 要求、成分费用和舒适程度等, 但其中最主要的阻 抗是行驶时间, 其它各种阻抗都与时间密切相关, 根据一定的数学模型可以将其转化成相应的以行 驶时间来表示的交通阻抗. 此外, 行驶时间也是这 些主要交通阻抗中相对容易测得的数据. 在动态 交通条件下, 交通阻抗随着行驶时间的不同具有 时变的特性. ?? ?? 假设t时刻时的速度、流量等交通条件不变, 则时刻t的瞬时路段阻抗可以定义为在t时刻车 辆通过路段所需要的时间, 它与t时刻该路段上 交通流特性有关, 而交通流与时间又具有密切的 联系, 因此, 交通阻抗也存在时变的特性. 2 最优控制模型的建立 2. 1 动态交通系统最优控制模型约束分