郭代銀　魯興舉　金尚泰

摘要：針對(duì)快速路系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)變和難于建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，提出基于無(wú)模型自適應(yīng)控制的入口匝道控制方案，控制方案包括控制算法、參數(shù)估計(jì)算法和參數(shù)重置算法。該方案的設(shè)計(jì)無(wú)需精確的數(shù)學(xué)模型，只依賴于受控對(duì)象的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。從而設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的入口匝道控制系統(tǒng)，主要包括上位機(jī)、基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令集機(jī)器（Advanced RISC Machines，ARM）的入口匝道控制器、檢測(cè)器 和信號(hào)燈。為了驗(yàn)證基于無(wú)模型自適應(yīng)控制的入口匝道控制系統(tǒng)的有效性，利用基于微觀交通仿真軟件（Parallel microscopic simulator，PARAMICS）的仿真機(jī)模擬北京市北四環(huán)西路快速路網(wǎng)，生成相應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給入口匝道控制器并接收入口匝道控制器的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)快速路網(wǎng)的實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)發(fā)的基于無(wú)模型自適應(yīng)控制的入口匝道控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。

關(guān)鍵詞：快速路；匝道控制器；自適應(yīng)控制；PARAMCS

中圖分類號(hào)：S 773.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-005X（2015）01-0097-06

Modelfree Adaptive Control for Urban

Freeway Onramp and Implementation with ARM

Guo Daiyin1，2，Lu Xingju1，Jin Shangtai2

（1.College of Mechatronic Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073；

2.Advanced Control Systems Laboratory，School of Electronic and Information Engineering，

Beijing Jiaotong University，Beijing 100044）

Abstract：Considering the complex timevarying urban freeway traffic system，which is difficult to establish an accurate mathematical model，an onramp control scheme is designed based on model free adaptive control（MFAC）in this paper.The designed control scheme includes control algorithm，parameter estimation algorithm and parameter reset algorithm.The control scheme design does not need a precise mathematical model，which only depends on the realtime measured data of the controlled object.Furthermore，a corresponding onramp control system is designed and developed，which includes PC，onramp controller based on ARM，detector and lights.In order to verify the validity of the MFAC based onramp control system，the software simulator based on PARAMICS is used to simulate the North Fourth Ring Road in Beijing fast road network，generate the detecting data which is sent to the onramp controller，and receive the control signal sent by onramp controller to realize the realtime control of the fast road network.The experimental results show that the developed MFAC based onramp control system has good control effect.

Keywords： urban freeway；ramp controller；model free adaptive control；PARAMICS

收稿日期：2014-06-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61120106009）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（2014JBM005）

第一作者簡(jiǎn)介：郭代銀，碩士，研究員。研究方向：無(wú)模型自適應(yīng)控制、智能交通系統(tǒng)等。Email：guodaiyin@gmail.com

引文格式：郭代銀，魯興舉，金尚泰.快速路入口匝道無(wú)模型自適應(yīng)控制及ARM實(shí)現(xiàn)[J].森林工程，2015，31（1）：97-102.近年來(lái)，我國(guó)汽車保有量急劇增多，大量的車輛涌入快速路，導(dǎo)致快速路交通嚴(yán)重阻塞。而交通阻塞將帶來(lái)燃料消耗增加、空氣污染加劇等一系列問(wèn)題[1-2]。車輛擁堵已經(jīng)成為了城市發(fā)展的一個(gè)巨大障礙，而快速路作為城市道路交通的主要承擔(dān)者，它的交通狀況將決定整個(gè)城市的交通狀態(tài)。有效的交通控制可以緩解快速路交通壓力，實(shí)現(xiàn)城市交通的順暢。

快速路交通系統(tǒng)的控制方法一般分為入口匝道控制、主線控制和通道控制，其中，入口匝道控制是最常用也是最有效的控制方法[3]。入口匝道控制是通過(guò)在匝道入口處設(shè)置交通信號(hào)燈，調(diào)節(jié)進(jìn)入快速路的車流量，使得快速路上的交通流密度維持在一個(gè)期望的水平，從而可以避免和預(yù)防交通流的常發(fā)性擁堵和部分偶發(fā)性擁堵。

從系統(tǒng)控制的觀點(diǎn)來(lái)看，入口匝道控制是典型的調(diào)節(jié)問(wèn)題，許多現(xiàn)有的控制方法都可以應(yīng)用，如數(shù)學(xué)規(guī)劃方法[4]、線性二次性調(diào)節(jié)器[5]、PI控制器[6]、最優(yōu)控制理論[7]等。目前應(yīng)用最廣泛的是M.Papageorgiou提出的ALINEA控制方法[8-9]。文獻(xiàn)[10]提出了基于單點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制的ALINEA方法在快速路的應(yīng)用，文獻(xiàn)[11]提出了綜合匝道排隊(duì)長(zhǎng)度的ALINEA控制方法，并以上海武夷路為模型進(jìn)行了仿真。然而ALINEA是屬于PI控制器，它對(duì)于具有強(qiáng)非線性、時(shí)變、結(jié)構(gòu)和參數(shù)不確定的快速路系統(tǒng)控制效果不是太理想。

無(wú)模型自適應(yīng)控制算法的優(yōu)勢(shì)在于控制器設(shè)計(jì)只依賴受控對(duì)象的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，不需要知道受控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、階數(shù)、時(shí)滯以及先驗(yàn)知識(shí)；不需要外部測(cè)試信號(hào)，也不需要訓(xùn)練過(guò)程；算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、計(jì)算負(fù)擔(dān)小，并且具有較強(qiáng)的魯棒性；在一些假設(shè)前提下，基于偏格式線性化的無(wú)模型自適應(yīng)控制和基于緊格式線性化的無(wú)模型自適應(yīng)控制方案的穩(wěn)定性和收斂性已得到了證明[12-14]；無(wú)模型自適應(yīng)控制在實(shí)際的工業(yè)控制中也得到了廣泛的應(yīng)用[15-16]。針對(duì)快速路系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)變和難于建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)模型自適應(yīng)控制的快速路入口匝道控制方案。主要設(shè)計(jì)思路是：首先將非線性的快速路系統(tǒng)等效地轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)線性化數(shù)據(jù)模型，然后基于優(yōu)化指標(biāo)設(shè)計(jì)控制算法，最后利用系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)（入口匝道流量）和輸出數(shù)據(jù)（快速路交通密度）通過(guò)投影算法估計(jì)數(shù)據(jù)模型和控制算法中的偽偏導(dǎo)數(shù)。

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于無(wú)模型自適應(yīng)控制的入口匝道控制系統(tǒng)，主要包括上位機(jī)、基于ARM的入口匝道控制器、檢測(cè)器和信號(hào)燈，并利用基于PARAMICS的仿真機(jī)來(lái)模擬北京北四環(huán)西路的交通狀況，通過(guò)控制系統(tǒng)與PARAMICS仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的入口匝道控制系統(tǒng)的有效性。

第1期郭代銀等：快速路入口匝道無(wú)模型自適應(yīng)控制及ARM實(shí)現(xiàn)

森林工程第31卷

1快速路控制原理

根據(jù)M.Papageorgiou提出的快速路交通流模型[8-9]，將快速路分割成個(gè)路段，每個(gè)路段只有一個(gè)入口匝道和出口匝道，第1個(gè)路段劃分示意圖如圖1所示。

圖1快速路路段劃分示意圖

Fig.1 Freeway segment subdivided into sections

具體的交通流模型如下：

ρi（k+1）=ρi（k）+TLi[qi-1（k）-qi（k）+ri（k）si（k）]。（1）

qi（k）=ρi（k）vi（k）。（2）

vi（+1）=vi（k）+Tτ[V（ρi（k））-vi（k）]+

TLivi（k）[vi-1（k）-vi（k）]-

vT[ρi+1（k）-ρi（k）]τLi[ρi（k）+κ]。（3）

V（ρi（k））=vfree1-ρi（k）ρjamlm。（4）

式中：ρ（k）為路段i第k個(gè)時(shí)段的平均密度，輛/車道/km；vi（k）為路段i第k個(gè)時(shí)段的平均速度，km/h；qi（k）為k時(shí)段從i到i+1路段流量，輛/h；ri（k）為k時(shí)刻從入口匝道進(jìn)入路段i的流量，輛/h；si（k）k為時(shí)段從出口匝道流出路段i的流量，輛/h；Li為路段的i長(zhǎng)度，km；T是采樣周期，h；vfrec和ρjam分別表示自由流速度和單個(gè)車道的最大可能密度，τ，γ，κ，l，m是常數(shù)，反應(yīng)特定交通系統(tǒng)的道路幾何特點(diǎn)、車輛特征、駕駛員行為等。

從系統(tǒng)控制的角度來(lái)看，可以通過(guò)調(diào)節(jié)入口匝道進(jìn)入路段的車流量來(lái)控制入口匝道所在路段的交通流密度，消除路段的擁堵現(xiàn)象使其達(dá)到預(yù)定值，同時(shí)增大道路的有效利用率。基于以上考慮，入口匝道的車流量ri可以認(rèn)為是交通流系統(tǒng)的控制輸入信號(hào)，而該路段的交通流密度ρi是交通流系統(tǒng)的輸出信號(hào)，si為整個(gè)系統(tǒng)的外部擾動(dòng)。

由于交通流模型的強(qiáng)非線性和不確定性，即使在模型完全已知的情況下，應(yīng)用最優(yōu)控制或者自適應(yīng)控制等方法設(shè)計(jì)合理的輸入也是很困難的。針對(duì)交通流模型強(qiáng)非線性和不確定性大的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種快速路系統(tǒng)的基于緊格式動(dòng)態(tài)線性化的無(wú)模型自適應(yīng)控制（compact form dynamic linearization based model free adaptive control，CFDLMFAC）入口匝道控制方案。

首先把宏觀交通流模型轉(zhuǎn)換為如下格式：

ρi（k+1）=ρi（k）+TLi[qi-1（k）-

qi（k）+ri（k）-si（k）]=（1-TLivi（k））ρi（k）

+TLivi-1（k）ρi-1（k）+TLiri（k）-TLisi（k）。（5）

簡(jiǎn)便起見(jiàn)，記ai（k）=1-TLivi（k），bi（k）=TL1vi-1（k），ci（k）=TL，則公式（5）可簡(jiǎn)化為：

ρi（k+1）=ai（k）ρi（k）+bi（k）ρi -1（k）

+ci（k）ri（k）-ci（k）si（k） 。（6）

系統(tǒng)滿足文獻(xiàn)[17]中給出的緊格式動(dòng)態(tài)線性化方法的基本假設(shè)條件，即宏觀交通流模型在任意緊集上對(duì)于所有變量都是連續(xù)可微的[18-19]；有限車流量的變化也不會(huì)引起交通流密度的無(wú)限增加。因此，宏觀交通流模型可等效轉(zhuǎn)換為CFDL數(shù)據(jù)模型：

Δρi（k+1）=φi，c（k）Δri（k）。（7）

其中，Δρi（k+1）=ρi（k+1）-ρi（k）、Δri（k）=ri（k）-ri（k-1）。

給定期望密度ρi，d（k）情況下，相應(yīng)的CFDLMFAC方案設(shè)計(jì)如下[19]：

φ^i，c（k）=φ^i，c（k-1）+ηΔri（k-1）μ+|Δri（k-1）|2×

[ρ1（k）-ρi（k-1）-φ^i，c（k-1）Δri（k-1）]。（8）

φ^i，c（k）=φ^（1），若|φ^i，c（k）|≤ε或|Δri（k-1）|≤ε sign（φ^i，c（k））≠sign（φ^i，c（1）），

則：ri（k）=ri（k-1）+ξφ^i，c（k）[ρid（+1）-ρi（k）]λ+|φ^i，c（k）|2。（9）

式中：φ^i，c（1）為φ^i，c（k）的初始值；ρi（k）為測(cè)量的道路交通流密度；ri（k）為調(diào)節(jié)率；μ>0，λ>0，η∈（0，1]，ξ∈（0，1]；ε為一個(gè)充分小的正數(shù)。調(diào)節(jié)率可通過(guò)下式轉(zhuǎn)換得到綠燈時(shí)間。

G=ri（k）·T/S。（11）

其中，T為控制周期，h；S為匝道正常狀態(tài)下的通行能力，輛/h。

文獻(xiàn)[12-14]已經(jīng)給出了基于緊格式線性化的無(wú)模型自適應(yīng)控制方案在離散非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性證明，限于篇幅，本文不作介紹。

2入口匝道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

入口匝道控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括上位機(jī)、匝道控制器、檢測(cè)器和信號(hào)燈。其中匝道控制器包括：網(wǎng)絡(luò)通信模塊、GPS校時(shí)模塊、ARM處理器、RS232串口通信模塊和220V交流繼電器模塊。

圖2入口匝道控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 The overall design scheme

上位機(jī)可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控道路交通狀況、提取交通流數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、發(fā)送控制信號(hào)及在線調(diào)節(jié)MFAC控制參數(shù)，它遠(yuǎn)離控制現(xiàn)場(chǎng)，方便操作人員使用；匝道控制器負(fù)責(zé)上位機(jī)指令接收、系統(tǒng)控制算法實(shí)現(xiàn)和檢測(cè)信號(hào)接收及控制信號(hào)的發(fā)送，是系統(tǒng)的核心，在與上位機(jī)通信正常的情況下，入口匝道控制器可以隨時(shí)接收上位機(jī)發(fā)送的相關(guān)控制指令：如根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的控制參數(shù)控制入口匝道車流量，強(qiáng)制關(guān)閉匝道和全綠通行等，在與上位機(jī)通信中斷的情況下，它仍然可以獨(dú)立完成入口匝道的控制任務(wù)；檢測(cè)器主要負(fù)責(zé)快速路交通流測(cè)量的任務(wù)，通過(guò)檢測(cè)器，可以得到交通流密度、占有率、密度、車速等數(shù)據(jù)；信號(hào)燈是控制系統(tǒng)指令執(zhí)行部分，主要負(fù)責(zé)入口匝道的放行與禁止，它受匝道控制器控制，匝道控制器將計(jì)算得到的控制時(shí)間通過(guò)通用輸入輸出接口（General Purpose Input Output，GPIO）輸出的信號(hào)來(lái)控制220V交流繼電器，通過(guò)交流繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)紅綠信號(hào)燈。

系統(tǒng)工作流程為：檢測(cè)器將檢測(cè)的信息傳輸給匝道控制器；匝道控制器實(shí)時(shí)接收檢測(cè)器信號(hào)及上位機(jī)信號(hào)，同時(shí)也實(shí)時(shí)的將道路信息上傳給匝道控制器，通過(guò)對(duì)檢測(cè)器信號(hào)的處理，運(yùn)用控制算法得到綠燈時(shí)間，然后將控制信號(hào)發(fā)送給信號(hào)燈；上位機(jī)實(shí)時(shí)的接收匝道控制器發(fā)送的信息并刷新顯示，監(jiān)控人員可以根據(jù)實(shí)際道路交通狀況，在線發(fā)送控制指令給匝道控制器。

2.1上位機(jī)

上位機(jī)軟件中有監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、控制參數(shù)修改模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊以及未來(lái)交通狀況預(yù)測(cè)模塊，監(jiān)控模塊可以實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前快速路的交通狀況；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)入口匝道控制器上傳的相關(guān)數(shù)據(jù)；控制參數(shù)修改模塊可以實(shí)時(shí)修改入口匝道控制器的控制參數(shù)；歷史數(shù)據(jù)查詢模塊可以查詢歷史交通流信息；交通流預(yù)測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)交通狀況的預(yù)測(cè)。

（1）上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)的主監(jiān)控界面如圖3所示，能實(shí)時(shí)顯示道路的交通擁堵情況，匝道紅綠燈狀態(tài)；歷史數(shù)據(jù)查詢界面可以查詢快速路的歷史信息，歷史數(shù)據(jù)包括：時(shí)間、占有率、主線車速、密度、流量、匝道排隊(duì)長(zhǎng)度、紅綠燈狀況、綠燈時(shí)間；匝道算法參數(shù)配置界面可以實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)控制算法參數(shù)的在線修改，當(dāng)用戶修改控制參數(shù)后，上位機(jī)將相關(guān)信息傳輸給匝道控制器，匝道控制器快速的修改相應(yīng)MFAC控制參數(shù)。

圖3上位機(jī)界面

Fig.3 The interface of the PC

（2）通信協(xié)議。上位機(jī)實(shí)時(shí)的與匝道控制器進(jìn)行相關(guān)信息的傳輸。匝道控制器在接收到檢測(cè)器發(fā)送的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，將信息轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)；匝道控制器也會(huì)在每個(gè)控制周期開(kāi)始時(shí)，將控制信息上傳給上位機(jī)。當(dāng)操作人員修改控制算法參數(shù)時(shí)，上位機(jī)將相關(guān)信息發(fā)送給匝道控制器，他們之間的通信采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，具體的通信格式見(jiàn)表1和表2。

表1匝道控制器發(fā)送數(shù)據(jù)格式

Tab.1 Ramp controller data transmission format

數(shù)據(jù)位012～1819～20內(nèi)容0xFE0xFE發(fā)送數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)

表1中，0-1位：表頭；2-3位：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；4-5位：保留位；6位：匝道ID號(hào)；7-8位：主線車流密度；9位：匝道排隊(duì)長(zhǎng)度；10位：綠燈時(shí)間；11-16位：系統(tǒng)時(shí)間；17：標(biāo)志位，1表示控制信號(hào)，0表示檢測(cè)器數(shù)據(jù)信號(hào)；18位：主線流量；19-20位：CRC校驗(yàn)。

表2上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)格式

Tab.2 PC data transmission format

數(shù)據(jù)位012-1013-14內(nèi)容0xFE0xFE發(fā)送數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)

表2中，0-1位：表頭；2-3位：標(biāo)志位；4位：匝道ID；5-6位：ξ；7位：λ；8位：μ；9位：η；10位：φi，c（1）；11-12位：ρid；13-14位：CRC校驗(yàn)。

2.2入口匝道控制器

入口匝道控制器包括主控芯片、網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信、GPS校時(shí)等模塊。主控芯片采用基于ARM ConexM3內(nèi)核的STM32系列32位閃存微控制器，工作于-40℃至+105℃的溫度范圍，其內(nèi)核電壓為1.8V，芯片電壓為3.3 V，可以選擇睡眠模式、待機(jī)模式，保證低功耗應(yīng)用的要求；相對(duì)于ARM系列其他芯片，STM32運(yùn)行速度更快、易于開(kāi)發(fā)、出眾及創(chuàng)新的外設(shè)配置、豐富的通信接口可以多種方式通信；GPS校時(shí)模塊，保證控制控制器時(shí)間信息與現(xiàn)實(shí)同步；RS-232通信模塊用于與檢測(cè)器的通信，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的接收；網(wǎng)絡(luò)通信模塊采用DM9000，外加HR911105A插口，DM9000使用技術(shù)比較成熟，方便設(shè)計(jì)。

入口匝道控制器在初始化完成后，不斷掃描通信接口，并實(shí)時(shí)、連續(xù)地給出控制信號(hào)。當(dāng)接收到檢測(cè)器信號(hào)時(shí)，進(jìn)行判定，若是正確信號(hào)，則將其存儲(chǔ)，并上傳給上位機(jī)；當(dāng)接收到上位機(jī)信號(hào)后，將其存儲(chǔ)并賦值給相應(yīng)的控制參數(shù)。系統(tǒng)采用40 s控制周期，在每個(gè)控制周期開(kāi)始時(shí)，入口匝道控制器利用控制算法計(jì)算出控制量，把控制信息上傳給上位機(jī)，并同時(shí)通過(guò)GPIO口輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈。入口匝道控制算法流程如圖4所示。

圖4匝道控制器程序流程圖

Fig.4 Flow chart of ramp controllor program2.3檢測(cè)器

檢測(cè)器主要功能是實(shí)現(xiàn)快速路交通流的測(cè)量，它包括檢測(cè)線圈、信號(hào)發(fā)生器以及信號(hào)處理器。

信號(hào)發(fā)生器能同時(shí)連接四路檢測(cè)線圈，信號(hào)發(fā)生器數(shù)據(jù)格式為“AA，ADDRESS，XX”，三字節(jié)方式，“AA”是引導(dǎo)碼，ADDRESS是主機(jī)地址，XX表示線圈號(hào)，四路線圈號(hào)分別為0XCA，0XCB，0XCC，0XCD。信號(hào)處理器采用STC12C5A60S2單片機(jī)，其處理速度快、具有雙串口優(yōu)勢(shì)、不同波特率的設(shè)置保證了通信的靈活、準(zhǔn)確性。

當(dāng)車輛通過(guò)檢測(cè)線圈時(shí)，它能產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器通過(guò)感應(yīng)線圈傳送的脈沖信號(hào)產(chǎn)生相關(guān)的車輛通過(guò)信號(hào)，信號(hào)處理器通過(guò)對(duì)信號(hào)相關(guān)的處理，可以得到流量、密度、排隊(duì)長(zhǎng)度信息，并上傳給入口匝道控制器，數(shù)據(jù)傳輸格式見(jiàn)表3。

表3檢測(cè)器發(fā)送數(shù)據(jù)格式

Tab.3 Detector data transmission format

數(shù)據(jù)位012-345內(nèi)容表頭匝道ID交通流密度排隊(duì)長(zhǎng)度流量

單片機(jī)通過(guò)串口接收信號(hào)發(fā)生器信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)接收到信號(hào)發(fā)生器數(shù)據(jù)時(shí)先進(jìn)行判斷，若是線圈數(shù)據(jù)，則將其保存。單片機(jī)20 s計(jì)算一次交通流信息，若此次交通流信息和上一次變化超過(guò)一個(gè)范圍，那么將此次計(jì)算的交通流密度進(jìn)行處理，保證20 s時(shí)間內(nèi)，交通流密度的變化幅度不會(huì)太大。具體的檢測(cè)器程序流程圖如圖5所示。

具體的系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

考慮將所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在實(shí)際道路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，需要現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備，重新規(guī)劃道路交通，成本比較昂貴。而 PARAMCS作為一款專門用于微觀交通仿真的軟件，可以模擬實(shí)際的道路交通，運(yùn)用PARAMCS來(lái)替代實(shí)際的道路，通過(guò)與所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)相連來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，為我們避免了許多麻煩。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的關(guān)系框圖如圖7所示，采用PARAMICS替代所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的檢測(cè)器模塊，由PARAMICS模擬的道路交通來(lái)提供交通流數(shù)據(jù)，匝道控制器除了將控制信號(hào)輸出給紅綠燈以外，還傳輸給PARAMICS，實(shí)現(xiàn)在PARAMICS中對(duì)模擬的入口匝道實(shí)時(shí)控制。

圖5單片機(jī)程序流程圖

Fig.5 MCU program flow chart

圖6入口匝道控制系統(tǒng)實(shí)物圖

Fig.6 The system hardware configuration

圖7實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

Fig.7 Simulation verified diagram

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以北京北四環(huán)西路8個(gè)匝道長(zhǎng)度為目標(biāo)對(duì)象，運(yùn)用PARAMCS模型實(shí)際的道路交通，用設(shè)計(jì)的MFAC控制器對(duì)其中一個(gè)匝道口進(jìn)行控制研究。其中路網(wǎng)主路是4車道，北京北四環(huán)西路車流量的高峰狀態(tài)主路流量大約在5 500輛/h左右，匝道流量在1 800輛/h左右。圖8為PARAMCS仿真一小時(shí)的數(shù)據(jù)經(jīng)提取在MATLAB中所畫(huà)的圖形，其中虛線為沒(méi)有控制的交通流密度，點(diǎn)劃線為采用MFAC控制器的交通流密度，直線為期望交通流密度，可以看出，在使用匝道控制器后，道路的擁堵?tīng)顩r得到緩解，交通流密度的波動(dòng)也沒(méi)有因?yàn)檐囕v過(guò)多而迅速上升，保持在一個(gè)范圍內(nèi)，保證了快速路的暢通。

圖8仿真結(jié)果

Fig.8 Simulation results

對(duì)仿真得到的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行RMS（方均根：指多個(gè)數(shù)的平方和然后再開(kāi)方，在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)一個(gè)量的各瞬時(shí)值的平方的平均值的平方根，RMS=1N∑Nk=1（ρd（k）-ρi（k））2，N是是采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，ρi（k）是各個(gè)時(shí)刻檢測(cè)的交通流密度，ρd（k）是目標(biāo)期望交通流密度）計(jì)算，得出數(shù)據(jù)如下：RMSMFAC為6.153 3，RMS無(wú)控制為13.289。從數(shù)據(jù)可以看出，基于MFAC控制的道路交通能夠有效調(diào)節(jié)交通流密度，減小RMS值，達(dá)到良好的控制效果。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)的基于無(wú)模型自適應(yīng)控制的入口匝道控制系統(tǒng)，主要包括上位機(jī)、入口匝道控制器、檢測(cè)器和信號(hào)燈等?；赑ARAMCS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明開(kāi)發(fā)的入口匝道控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。并且整個(gè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，可移植性強(qiáng)。系統(tǒng)留有多個(gè)數(shù)據(jù)接口便于拓展開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)改造可以實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)的控制，應(yīng)用前景廣闊。

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