城市交通路網(wǎng)的預(yù)測(cè)控制算法和策略研究.pdf

1、城市的交通擁堵問(wèn)題，特別是大城市的交通擁堵問(wèn)題，是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。該問(wèn)題的挑戰(zhàn)性不僅體現(xiàn)在交通路網(wǎng)控制本身的復(fù)雜性上，而且還體現(xiàn)在不斷增長(zhǎng)的城市路網(wǎng)規(guī)模上，特別是：1）大規(guī)模高維度問(wèn)題：由于控制問(wèn)題的變量數(shù)及復(fù)雜度會(huì)隨著路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大而急劇增大，因此問(wèn)題的計(jì)算與優(yōu)化面臨是否實(shí)際可行的問(wèn)題。3）多控制要求：城市交通的控制要求并不是唯一的，因此有必要整合多個(gè)控制性能指標(biāo)。4）不確定問(wèn)題：雖然有很多有效的模型，但是模型與實(shí)際的偏差以及一些

2、無(wú)法確定的擾動(dòng)依然存在。要解決這些問(wèn)題，我們需要研究先進(jìn)的控制和優(yōu)化算法，并保證適應(yīng)復(fù)雜大規(guī)模路網(wǎng)控制問(wèn)題的需要。
　　模型預(yù)測(cè)控制（MPC）是一種可以控制和協(xié)調(diào)多輸入多輸出有約束系統(tǒng)的先進(jìn)控制方法。雖然MPC有很多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)踐中，由于路網(wǎng)規(guī)模大，MPC的在線計(jì)算量也劇增，使其在實(shí)際中的應(yīng)用遇到困難。因?yàn)?，在使用MPC時(shí)，我們需要在每一個(gè)控制采樣時(shí)間，在有限時(shí)間內(nèi)求解一個(gè)復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題。如果MPC控制算法的在線優(yōu)化問(wèn)題是非線性、

3、非凸的，本身就比較難以求解，在加之優(yōu)化問(wèn)題的規(guī)模非常大，則更加耗時(shí)。雖然該優(yōu)化問(wèn)題是理論上是可求解的，但在有限時(shí)間內(nèi)得不到問(wèn)題的解，造成該優(yōu)化問(wèn)題實(shí)時(shí)不可行。因此，提高M(jìn)PC的在線計(jì)算效率是在解決復(fù)雜大規(guī)模路網(wǎng)控制問(wèn)題中的關(guān)鍵。
　　因此，我們?cè)诒菊撐闹?，在設(shè)計(jì)城市路網(wǎng) MPC協(xié)調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上，主要從以下幾個(gè)方面解決MPC的在線計(jì)算量的問(wèn)題：
　　1.模型簡(jiǎn)化:由于，本論文提出的城市路網(wǎng)交通機(jī)理模型是非線性的，基于該模型

4、MPC控制器的在線優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)非線性、非凸的優(yōu)化問(wèn)題。用數(shù)值方法求解非線性、非凸優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，需要大量正向計(jì)算該模型，以得到性能指標(biāo)可能下降的方向，支持優(yōu)化算法的進(jìn)一步搜索。因此，如果城市路網(wǎng)預(yù)測(cè)模型越復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，那么求解在線優(yōu)化問(wèn)題的時(shí)間就越長(zhǎng)。所以，我們可以采用降低預(yù)測(cè)模型的復(fù)雜度，提高預(yù)測(cè)模型的計(jì)算效率的方法，來(lái)提高大規(guī)模路網(wǎng)MPC控制器的在線可行性。
　　2.MPC在線優(yōu)化問(wèn)題的改進(jìn):鑒于MPC在線優(yōu)化問(wèn)題的非線性

5、、非凸性質(zhì)，求解優(yōu)化問(wèn)題的計(jì)算復(fù)雜度，在城市路網(wǎng)規(guī)模增加時(shí)，幾乎是隨路網(wǎng)的被控變量數(shù)目的增長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)的。即使 MPC控制器在線的計(jì)算效率可以通過(guò)模型簡(jiǎn)化來(lái)提高，其效果對(duì)于龐大的交通路網(wǎng)仍然是有限的。因此，為了避免這種情況，MPC控制器的在線計(jì)算效率，也可以通過(guò)對(duì)原非線性非凸MPC優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行近似和調(diào)整，使其能夠用更加高效的優(yōu)化算法來(lái)求解，從而提高計(jì)算效率。
　　3.遞階控制結(jié)構(gòu):為了減少計(jì)算一個(gè)復(fù)雜大規(guī)模的集中MPC控制問(wèn)題計(jì)算