運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建模與優(yōu)化控制.pdf

1、近年來(lái)，各種運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，管道網(wǎng)絡(luò)，Internet等）在人類(lèi)的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)一般都可以用圖的方式抽象的表示為節(jié)點(diǎn)和邊的集合，在邊上傳輸?shù)奈镔|(zhì)或能量需要遵循物理學(xué)的基本定理，而節(jié)點(diǎn)處往往安裝有控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和負(fù)荷分配的調(diào)節(jié)。由于運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布區(qū)域廣，各部分之間耦合度強(qiáng)，因而較難建立起統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，也十分缺乏行之有效的控制方法，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)象的經(jīng)常發(fā)生，浪費(fèi)了大量的能源和

2、能量，并且有時(shí)局部微小的故障可能會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)大面積的癱瘓。因此有必要對(duì)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，機(jī)理，特性等問(wèn)題進(jìn)行分析研究，進(jìn)而提出有效的控制方案。本論文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合物理，圖論，統(tǒng)計(jì)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)，研究了運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析、建模和綜合問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容包括如下幾方面:
　　 1.采用文獻(xiàn)H.K.Lee等人提出的粗?；椒◤奈⒂^GOVM模型得到一個(gè)新的宏觀交通流模型。該模型繼承了微觀模型中的次鄰近車(chē)輛影響因素。仿

3、真結(jié)果表明在對(duì)交通流的刻畫(huà)上，宏觀模型與原微觀模型幾乎完全等價(jià)，從而證明了該方法是溝通微觀模型和宏觀模型之間的橋梁。有效的宏觀交通流模型的建立對(duì)于采用解析的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)的控制具有十分重要的意義。
　　 2.采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的LOGIT模型描述運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中個(gè)體的路徑選擇特性，從宏觀上將任意節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的車(chē)流根據(jù)各條備選路徑的代價(jià)進(jìn)行分配，將其與流量守恒方程結(jié)合，可以解析地得到任意給定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中車(chē)流分布的狀態(tài)。本文中采用數(shù)值

4、方法近似計(jì)算得到這個(gè)穩(wěn)態(tài)解。本方法首次從實(shí)際交通系統(tǒng)中車(chē)輛路徑?jīng)Q策特性出發(fā)，定量地分析了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)流負(fù)載分配的影響，為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，合理調(diào)度車(chē)輛提供科學(xué)依據(jù)。
　　 3.基于E.Camponogara等人提出的線性動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，本文采用流程控制領(lǐng)域內(nèi)的分布式協(xié)調(diào)模型預(yù)測(cè)控制的方法控制城市交通網(wǎng)絡(luò)中各路口信號(hào)燈的綠信比。根據(jù)空間分布將整個(gè)交通系統(tǒng)分解為一系列互相耦合的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)（局部性能指標(biāo)）中都包含有其他

5、子系統(tǒng)的相關(guān)性能項(xiàng)，各個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)與其鄰域中的子系統(tǒng)之間的通訊，迭代得到最終的控制率值。本方法避免了優(yōu)化控制問(wèn)題陷入“維數(shù)陷阱”的災(zāi)難中，同時(shí)分布式的控制系統(tǒng)構(gòu)建靈活，可靠性高，大大的降低了系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。
　　 4.在確定型交通網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)空間模型基礎(chǔ)上，采用正態(tài)隨機(jī)過(guò)程描述實(shí)際交通網(wǎng)絡(luò)中車(chē)流的不確定性，并運(yùn)用機(jī)會(huì)約束MPC的方法對(duì)車(chē)流負(fù)載較重的交通網(wǎng)絡(luò)中主干道加以控制。本方法定量的分析交通網(wǎng)絡(luò)中不確定性，通過(guò)犧牲一定的控制

6、性能（非主干道的通行能力）來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)中主干道路的通行能力，有效地防止阻塞現(xiàn)象的發(fā)生。
　　 5.運(yùn)用電模擬的方法建立了天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，該模型在精確性與計(jì)算復(fù)雜度之間找到了平衡點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了帶有狀態(tài)約束的非線性時(shí)變最優(yōu)控制命題，目標(biāo)是在維持供氣壓力的前提下最小化壓縮機(jī)群的能量消耗。最后采用迭代動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法得到最優(yōu)控制率。本方法克服了以往只能采用穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）優(yōu)化方法解決氣壓分配問(wèn)題的局限，為實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控