CN113362605B - 基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***及方法 - Google Patents

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CN113362605B CN202110835130.7A CN202110835130A CN113362605B CN 113362605 B CN113362605 B CN 113362605B CN 202110835130 A CN202110835130 A CN 202110835130A CN 113362605 B CN113362605 B CN 113362605B
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Abstract

一种基于潜在同质区域辨识的分布式交通流优化***及方法，为端‑边‑云三层架构，包括：进行城市路网交通状态监控的云计算中心、部署在每个子路网边缘侧的智能路边单元以及智能网联汽车，云计算中心可与智能路边单元进行通信，智能路边单元进行交通感知、信息传输、时间敏感型业务计算，智能网联汽车与路边单元通信以上传车辆状态信息和/或下载交通控制信息。本发明基于历史数据分析，对潜在同质区域进行辨识，以总行驶时间最小为目标，建立模型描述子网路段动态并设计基于双一致性的分布式交通流优化控制算法，能有效减少交通拥堵，降低拥堵传播对周围路段的影响。

Description

基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***及方法
技术领域
本发明涉及的是一种智能交通控制领域的技术，具体是一种基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***及方法。
背景技术
目前针对高速路交通流的优化控制措施主要有匝道限流控制和主路可变限速控制。匝道限流调节通过上匝道进入主路的车辆数，可变限速控制为行驶在主路上的车辆提供最优的速度策略，通过这两种措施的结合可以有效提升高速路的通行能力。现有技术在集中式控制策略与分布式控制策略方面都取得了很大进展，也有通过强化学习(reinforcement learning)提高准确度的改进，但其多基于拥堵路段的实时或预测状态制定策略，并未考虑拥堵传播对周围路段的影响。然而实际交通路网中，由于交通流的流动性和相邻路段交通状态的强耦合性，拥堵状态会向周围路段传播。现有方法未对拥堵传播机制进行有效分析，难以辨识潜在的拥堵区域，或对计算资源要求较高，难以应用于实时交通控制，无法在道路拥堵之前采取交通控制措施，难以避免交通拥堵的传播。
发明内容
本发明针对现有技术在进行城市高速路交通流优化控制时未考虑拥堵传播对上下游路段的影响，不能有效避免拥堵传播的缺陷，提出一种基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***及方法，基于历史数据分析，对潜在同质区域进行辨识，以总行驶时间最小为目标，建立模型描述子网路段动态并设计基于双一致性的分布式交通流优化控制算法，能有效减少交通拥堵，降低拥堵传播对周围路段的影响。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***，为端-边-云三层架构，包括：进行城市路网交通状态监控的云计算中心、部署在每个子路网边缘侧的智能路边单元以及智能网联汽车，其中：云计算中心可与智能路边单元进行通信，智能路边单元进行交通感知、信息传输、时间敏感型业务计算，智能网联汽车与路边单元通信以上传车辆状态信息和/或下载交通控制信息。
所述的车辆状态信息包括：速度、位置信息、起止点信息、下发交通控制信息以及与邻居智能路边单元通信交换信息。
所述的交通控制信息包括：匝道限流控制信息和主路限速信息。
所述的潜在同质区域是指：由拥堵路段及潜在拥堵路段组成的区域，由于交通流的流动性，潜在同质区域内的路段与拥堵路段在交通动态上相似，更易受拥堵传播的影响。
所述的端-边-云三层架构中，端为参与交通的车辆、行人等，边为智能路边单元，装配有交通感知、通信、计算、存储设备，云为交通管理中心，负责整个城市交通路网的监管。
所述的监控包括：大规模交通调度及交通大数据处理。
所述的交通感知是指：路边单元获取的多源交通信息在边缘节点进行融合计算，实现交通状态实时感知，感知的交通状态和拥堵信息根据需要上传云计算中心。
所述的云计算中心包括：通信模块和中央计算模块，其中：通信模块与智能路边模块通信以实时获取路边模块收集的交通数据，实时感知交通网中的拥堵路段，中央计算模块根据拥堵程度或控制目标，依据拥堵路段及其周围路段的历史交通数据，应用时空λ连接性方法进行潜在同质区域辨识，并将辨识结果下发至智能路边模块。
所述的智能路边单元包括：智能传感单元、通信单元和边缘计算单元，其中：智能传感单元感知收集路网中行驶的智能网联车辆速度、位置信息以及路况和天气信息，通信单元与智能网联车辆进行通信并获取速度、位置信息、起止点信息、下发交通控制信息以及与邻居智能路边单元通信交换信息，边缘计算单元对实时交通数据进行清洗、补全处理并进行基于双一致性的分布式交通控制策略的计算。
所述的智能传感单元包括但不限于道路线圈、摄像头、雷达等。
所述的基于双一致性的分布式交通控制策略包括：首先基于邻居一致性约束和标准交替方向乘子法(ADMM)对邻居动态解耦，然后基于对偶一致性(dual-consensus)ADMM算法实现对交通流优化变量的本地求解。
技术效果
本发明整体解决了现有技术在制定交通控制策略时未考虑拥堵传播影响，以及集中式交通控制存在的通信、计算资源需求大，无法有效提升大规模路网交通控制性能的问题；本发明基于时空λ连接性方法，通过分析历史交通数据辨识潜在同质区域，一定程度上量化了交通拥堵的传播与影响，有助于提升交通优化效果；基于双一致性的分布式交通流控制算法可在边缘侧基于邻居节点通信计算交通控制策略，避免了中心云计算所带来的高通信、计算成本，同时具有更好的伸缩性；与现有技术相比，本发明易于布设，避免单点数据及控制中心故障造成严重影响，具有更好的弹性，可有效减少交通拥堵传播，提升路网通行效率。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明分布式高速路优化***图；
图3为实施例子路网拓扑图；
图4-图6为实施例效果示意图；
图7-图11为实施例子路网交通密度变化示意图；
图12为不同控制策略下的交通流量示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种基于潜在同质区域辨识的分布式高速路优化方法，包括：
步骤1)如图2所示的端-边-云三层架构的智能交通***基于C-V2X通信与智能传感单元实时感知如图3所示的城市高速路网的交通状态，当交通拥堵发生时，每个子路网部署的智能路边单元，即边缘节点将感知到的拥堵信息上传云计算中心。
所述的C-V2X通信包括：车车通信(如基于直连通信DSRC的车车通信)、基于蜂窝网的车与路边单元通信(V2R)、车与人通信(V2P)等。
所述的城市高速路网，依据拓扑图划分为多个子路网，每个子路网都建设有智能路边单元，云计算中心对整个路网状态进行监管，并存储有整个路网必要的历史交通信息。
所述的交通状态包括：交通密度，平均车速等。
步骤2)云计算中心基于对历史交通数据的分析，基于时空λ连接性方法辨识潜在同质区域及其动态交通容量δ(t)，并构建交通路网优化问题。
所述的时空λ连接性方法描述一定时间上路段间的关联性，通过对不同历史数据的采样分析，提出时空λ连接性方法，应对交通状态的时空变化，基于区域生长技术，实现对潜在同质区域进行辨识，具体为：当
Figure GDA0003560967900000031
成立时，则两邻居路段
Figure GDA0003560967900000032
与
Figure GDA0003560967900000033
是λ连接的，其中：
Figure GDA0003560967900000034
常数Λ∈[0,1]，任意两节点间的路径：
Figure GDA0003560967900000035
描述两邻居路段
Figure GDA0003560967900000036
与
Figure GDA0003560967900000037
在t时刻的连接性的隐函数：
Figure GDA0003560967900000038
Figure GDA0003560967900000039
和
Figure GDA00035609679000000310
分别是路段
Figure GDA00035609679000000311
和路段
Figure GDA00035609679000000312
的交通密度，d是两路段中心点的地理距离，a与b为权重系数。
所有与拥堵路段存在λ连接关系的路段都被辨识为潜在同质区域，基于区域生长机制，可以最终确定潜在同质区域。
所述的交通路网优化问题的优化目标为所有子路网内车辆通行时间最少，结合经典交通流模型(如CTM)构建为有限时域滚动优化问题。
步骤3)潜在同质区域内各子路网的智能路边单元接收云计算中心信息并基于与邻居节点通信，基于邻居一致性约束和标准交替方向乘子法，实现对具有全局约束和邻居动态耦合的集中式交通优化问题进行求解，确定包括匝道限流与主路可变限速的本地交通控制策略。
所述的集中式交通优化问题是指：
Figure GDA0003560967900000041
其中：xi(k)＝[ρi(k) qi(k)]T为交通状态，ui(k)＝[ri(k) φi(k)]T为交通控制变量，Bij为相应的系数矩阵，ψi为不受控制的车辆，如认为驾驶汽车，且满***通动态模型约束。
所述的交通动态模型，包括：
i)队列平衡方程：
qi(k+1)＝qi(k)+Δt(σi(k)-ri(k))
Figure GDA0003560967900000042
其中：qi为上匝道车辆队列长度，ρi为主路交通密度，Li为路段长度，βi为下匝道分离率，Δt为采样间隔，σi(k)为交通需求
ii)流量约束方程：
Figure GDA0003560967900000043
该非凸流量约束方程导致优化问题难以求解，根据现有技术可等效松弛为如下不等式约束，Vmax与Cmax为指定的常数：
：
Figure GDA0003560967900000044
iii)潜在同质区域的动态流量约束：
Figure GDA0003560967900000045
其中：
Figure GDA0003560967900000046
为外部交通需求的函数，
Figure GDA0003560967900000047
为通过云计算中心对历史数据分析得出的潜在同质区域的通行能力。
所述的基于邻居一致性约束和标准交替方向乘子法具体包括：
a)由于本地交通动态受邻居路段影响，首先引入相邻一致性约束：
Figure GDA0003560967900000051
当um是un的本地副本，则
Figure GDA0003560967900000052
否则为0；u为ui的组合向量，则交通网优化目标，即所有子路网内车辆通行时间
Figure GDA0003560967900000053
可根据部分增广拉格朗日函数转化为带有惩罚项的优化目标：
Figure GDA0003560967900000054
其中，
Figure GDA0003560967900000055
b)基于标准的交替方向乘子法(ADMM)包括：
b.1)
Figure GDA0003560967900000056
其中：本地变量ui更新依赖于全局信息，无法直接分布式求解，进一步分析，采用基于对偶一致性的ADMM算法，对本地变量进行更新；
b.2)
Figure GDA0003560967900000057
其中：网络变量u可按下式进行更新
Figure GDA0003560967900000058
b.3)对偶变量更新：
Figure GDA0003560967900000059
步骤4)智能路边单元基于C-V2X通信将本地交通控制策略下发到智能网联汽车，各个智能网联汽车基于接收到相应的交通控制策略并根据相应交通策略进行通行，实现分布式交通优化控制。
应用上海市实际网络拓扑与交通数据，在基于MATLAB的仿真环境设置下运行上述方法，得到实验数据如图4-图6所示，图4为λ＝0.5时潜在同质区域范围；图5为λ＝0.1时潜在同质区域范围；图6为λ＝0.05时潜在同质区域范围。如图可见λ取值越小，辨识的潜在同质区域越大，可根据交通拥堵程度调节。如图7-11所示，图7为无控制时路网交通密度变化；图8为ALINEA控制下路网交通密度变化；图9为λ＝0.5时路网交通密度变化；图10为λ＝0.1时路网交通密度变化；图11为λ＝0.05时交通密度变化；如图可见，相较于无控制和经典的ALENEA控制策略，该发明可以更好地降低拥堵时路网的交通密度，同时图12中不同控制策略下的交通流量显示，相较于其他方法，该方法能大幅提升交通网的通行能力。
与现有技术相比，本方法能有效降低路网拥堵程度提升路网交通流量
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***，其特征在于，为端-边-云三层架构，包括：进行城市路网交通状态监控的云计算中心、部署在每个子路网边缘侧的智能路边单元以及智能网联汽车，其中：云计算中心可与智能路边单元进行通信，智能路边单元进行交通感知、信息传输、时间敏感型业务计算，智能网联汽车与路边单元通信以上传车辆状态信息和/或下载交通控制信息；
所述的车辆状态信息包括：速度、位置信息、起止点信息、下发交通控制信息以及与邻居智能路边单元通信交换信息；
所述的交通控制信息包括：匝道限流控制信息和主路限速信息；
所述的潜在同质区域是指：由拥堵路段及潜在拥堵路段组成的区域，由于交通流的流动性，潜在同质区域内的路段与拥堵路段在交通动态上相似，更易受拥堵传播的影响；
所述的潜在同质区域辨识的分布式高速路优化方法，包括：
步骤1)端-边-云三层架构的智能交通***基于C-V2X通信与智能传感单元实时感知城市高速路网的交通状态，当交通拥堵发生时，每个子路网部署的智能路边单元，即边缘节点将感知到的拥堵信息上传云计算中心；
步骤2)云计算中心基于对历史交通数据的分析，基于时空λ连接性方法辨识潜在同质区域及其动态交通容量δ(t)，并构建交通路网优化问题；
步骤3)潜在同质区域内各子路网的智能路边单元接收云计算中心信息并基于与邻居节点通信，基于邻居一致性约束和标准交替方向乘子法，实现对具有全局约束和邻居动态耦合的集中式交通优化问题进行求解，确定包括匝道限流与主路可变限速的本地交通控制策略；
步骤4)智能路边单元基于C-V2X通信将本地交通控制策略下发到智能网联汽车，各个智能网联汽车基于接收到相应的交通控制策略并根据相应交通策略进行通行，实现分布式交通优化控制；
所述的城市高速路网，依据拓扑图划分为多个子路网，每个子路网都建设有智能路边单元，云计算中心对整个路网状态进行监管，并存储有整个路网必要的历史交通信息；
所述的时空λ连接性方法描述一定时间上路段间的关联性，通过对不同历史数据的采样分析，提出时空λ连接性方法，应对交通状态的时空变化，基于区域生长技术，实现对潜在同质区域进行辨识，具体为：当
Figure FDA0003606793430000011
成立时，则两邻居路段
Figure FDA0003606793430000012
与
Figure FDA0003606793430000013
是λ连接的，其中：
Figure FDA0003606793430000014
常数Λ∈[0,1]，任意两节点间的路径：
Figure FDA0003606793430000015
描述两邻居路段
Figure FDA0003606793430000016
与
Figure FDA0003606793430000017
在t时刻的连接性的隐函数：
Figure FDA0003606793430000021
Figure FDA0003606793430000022
和
Figure FDA0003606793430000023
分别是路段
Figure FDA0003606793430000024
和路段
Figure FDA0003606793430000025
的交通密度，d是两路段中心点的地理距离，a与b为权重系数；
所述的基于邻居一致性约束和标准交替方向乘子法具体包括：
a)由于本地交通动态受邻居路段影响，首先引入相邻一致性约束：
Figure FDA0003606793430000026
当um是un的本地副本，则
Figure FDA0003606793430000027
否则为0；则交通网优化目标，即所有子路网内车辆通行时间
Figure FDA0003606793430000028
可根据部分增广拉格朗日函数转化为带有惩罚项的优化目标：
Figure FDA0003606793430000029
其中，
Figure FDA00036067934300000210
b)基于标准的交替方向乘子法包括：
b.1)
Figure FDA00036067934300000211
其中：本地变量ui更新依赖于全局信息，无法直接分布式求解，进一步分析，采用基于对偶一致性的ADMM算法，对本地变量进行更新；
b.2)
Figure FDA00036067934300000212
其中：网络变量u可按下式进行更新
Figure FDA00036067934300000213
b.3)对偶变量更新：
Figure FDA00036067934300000214
所述的集中式交通优化问题是指：
Figure FDA00036067934300000215
其中：
Figure FDA00036067934300000216
为交通状态，
Figure FDA00036067934300000217
为交通控制变量，Bij为相应的系数矩阵，ψi为不受控制的车辆，且满***通动态模型约束；
所述的交通动态模型，包括：
i)队列平衡方程：
qi(k+1)＝qi(k)+Δt(σi(k)-ri(k))
Figure FDA0003606793430000031
其中：li为上匝道车辆队列长度，ρi为主路交通密度，Li为路段长度，βi为下匝道分离率，Δt为采样间隔，σi(k)为交通需求；
ii)非凸流量约束方程：
Figure FDA0003606793430000032
该非凸流量约束方程导致优化问题难以求解，根据现有技术可等效松弛为如下不等式约束，Vmax与Cmax为指定的常数：
Figure FDA0003606793430000033
iii)潜在同质区域的动态流量约束：
Figure FDA0003606793430000034
其中：
Figure FDA0003606793430000035
为外部交通需求的函数，
Figure FDA0003606793430000036
为通过云计算中心对历史数据分析得出的潜在同质区域的通行能力。
2.根据权利要求1所述的基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***，其特征是，所述的端-边-云三层架构中，端为参与交通的车辆、行人，边为智能路边单元，装配有交通感知、通信、计算、存储设备，云为交通管理中心，负责整个城市交通路网的监管；
所述的监管包括：大规模交通调度及交通大数据处理；
所述的交通感知是指：路边单元获取的多源交通信息在边缘节点进行融合计算，实现交通状态实时感知，感知的交通状态和拥堵信息根据需要上传云计算中心。
3.根据权利要求1所述的基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***，其特征是，所述的云计算中心包括：通信模块和中央计算模块，其中：通信模块与智能路边模块通信以实时获取路边模块收集的交通数据，实时感知交通网中的拥堵路段，中央计算模块根据拥堵程度或控制目标，依据拥堵路段及其周围路段的历史交通数据，应用时空λ连接性方法进行潜在同质区域辨识，并将辨识结果下发至智能路边模块。
4.根据权利要求1所述的基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***，其特征是，所述的智能路边单元包括：智能传感单元、通信单元和边缘计算单元，其中：智能传感单元感知收集路网中行驶的智能网联车辆速度、位置信息以及路况及天气信息，通信单元与智能网联车辆进行通信并获取速度、位置信息、起止点信息、下发交通控制信息以及与邻居智能路边单元通信交换信息，边缘计算单元对实时交通数据进行清洗、补全处理并进行基于双一致性的分布式交通控制策略的计算。
5.根据权利要求4所述的基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***，其特征是，所述的智能传感单元包括道路线圈、摄像头、雷达。
6.根据权利要求4所述的基于潜在同质区域分析的分布式高速路优化***，其特征是，所述的基于双一致性的分布式交通控制策略包括：首先基于邻居一致性约束和标准交替方向乘子法对邻居动态解耦，然后基于对偶一致性ADMM算法实现对交通流优化变量的本地求解。
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