交通流混沌智能控制研究

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1、第一章绪论1．1研究背景与意义1．1．1研究背景交通系统尤其是道路交通系统，在给人们出行带来方便、促进社会经济快速发展的同时，也给社会经济带来了严重的问题。这些问题主要表现为【1】：(1)道路交通安全问题严重，如日本每年交通事故死伤人数达100余万人，中国每年交通死亡人数每年超过10万人，直接经济损失近20亿。(2)环境污染严重，如北京市来自汽车排放尾气中的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物污染物，是北京大气中的主要污染源。(3)道路交通拥堵现象严重，特别是在城市及其城郊结合部、高速公路，给社会和经济带来了沉重的负担。如在日本，每天昼夜行

2、驶的汽车有7000万辆，汽车在各地区均造成了交通拥堵，每年仅时间损失就达53亿小时以上，经济损失超过12兆日元；美国的主要城市每年由于交通拥堵而造成的浪费就超过475亿美元，每年因交通拥堵浪费了多达27亿工作小时：在中国，百万人以上的大城市每年由于交通拥堵给社会带来的直接经济损失超过人民币1600亿元，相当于国内生产总值的3．2％。(4)能源消耗的增加给很多国家政治经济带来巨大的负担，由此带来的能源问题称为世界不稳定的重要因素之一。所有的这些都表明，道路交通系统已经对人类生命j财产和生存环境构成威胁，必须解决好这些问题。解决这些问题的办

3、法只能剧卜3】：科学地规划建设道路交通基础设施系统，有效地增加交通系统供给容量；做好交通需求管理，抑制不合理的无效交通需求；在科学合理规划、建设现代化交通系统的基础上，大力发展智能交通系统(IntelligentTransportSystem，ITS)，提高道路交通的管理、控制水平。单纯的加大道路交通基础设施建设规模不能从根本上解决交通问题，土地特别是城市及其郊区可供修建道路与停车场的空间非常少；经济的发展必然带来出行的增加，即使加快修路桥，路桥建设的步伐也还是赶不上车辆的增加速度。目前我国的城市规模膨胀一交通需求增大一交通基础设施被动

4、增大一城市规模再膨胀一交通需求再增大⋯。交通问题不仅没有解决，相反更加严重：最后，根据Braess诡异现象修建道路并不～定能增加交通网络的通行能力。在一定的时间、空间范围内抑制交通出行，如大城市中心市区征收拥挤费，目前已经成为西方发达国家进行交通管理与控制的一种主要辅助手段，也会成为未来中国交通管理、第一章绪论控制的主要辅助手段之一，但交通的需求随着社会经济的发展将会不可避免的增加，这是社会发展的潮流，谁也无法阻止。抑制交通出行实际上是在一定的时空范围内，通过主从博弈，改变出行者的路径选择行为，是一种辅助手段。以上两种方法都是解决交通问

5、题不可缺少的手段，但均无法解决交通问题的核心一时空问题，而解决时空问题的根本手段就是提高道路交通的管理控制水平12。j。实际上道路交通是复杂巨型系统【4‘5】，主体是主动的、活的实体，个体之间的聚集(Aggregation)使得系统呈现涌现现象；个体之间以及与环境的相互影响和相互作用，是城市交通系统演变和演化的主要动力；系统呈现出非线性(nonlinearity)、远离平衡态、分形和多样性(diversity)的混沌特点；具有不确定性、时空相互矛盾等复杂系统特点。因此，大力发展道路交通系统，在智能交通系统的基础上，从非线性科学角度来提高

6、道路交通的管理、控制水平【5】，是解决道路交通系统的根本手段之一。目前解决城市道路交通的控制方式主要有点控、线控(绿波带控制)、区域交通信号网络协调控制等。控制方法有离线非线性规划模型、神经网络、模糊、模糊神经网络等，其中典型的城市交通控制系统有TRANSYT系统、SCOOT系统、SCAT系统、Siemens系统、Paramics系统等。高速公路控制的方式有匝道控制、速度限制、协调控制等，其中匝道控制是最常用的方式。传统的匝道控制方法有：ALINEA算法、神经网络、模糊、模糊神经网络、区域协调等。所有的这些方法均是从一般控制与管理角度提

7、出的，没有涉及到交通流混沌。研究已经证实：道路交通流中明显地存在着混沌现象【5’7J。实际的交通流总是在有序、混沌、无序三种运动形态之间不断地转化，交通流混沌运动是交通流从有序向无序运动转化的过渡运动形态，一旦出现交通流混沌，任其发展就可能导致交通流无序(交通堵塞)状况15】。如果能够及时识别出交通流的混沌并及时采取控制措施进行“混沌”控制，使交通流从混沌状态迅速回到有序状态，则可以避免交通拥堵(无序状态)的发生。而这正是本论文研究的出发点与背景。1．1．2研究意义本课题研究的意义主要体现在三个方面：(1)在理论上拓展了一般混沌理论、混

8、沌控制的应用领域。从J．Hadamard在19世纪末研究Hmailton系统时发现混沌悼’9J、1987年Hubler和Lscher引入控制混沌的思想以来【10-131，使混沌运动的研究进入到新阶段：混沌现