城市交通信号控制系统的扩展离散事件系统监督控制研究

To achieve the high efficiency of an Urban Traffic Signal Control System (UTSCS), it is critical to build its system model precisely and design effective controllers. UTSCS is a typical hybrid system, in which the signals are discrete and traffic flows are continuous. In view of this hybrid characteristic, this project proposes the following systematic approach to build a high efficient UTSCS: first model the UTSCS as hybrid automaton, and then adopt the R-W supervisory control theory to design controllers such that the overall system behavior satisfies given specifications. This research consists of three parts: building hybrid automaton model for UTSCS, investigating supervisory control problem of extended discrete-event system, and modifying the state-tree structure to design controllers efficiently for complex systems. The correctness and validity of these results will be verified by simulation. Distinguished with other approaches, this project proposes a systematic solution to the supervisory control problem of extended discrete-event systems, which designs effective controllers for UTSCS according to given specifications. This project is devoted to supply a systematic approach to build the system model and design the controller for the UTSCS, and explore new control technology to build high-efficiency traffic signal control systems.

准确地描述城市交通信号控制系统并实施有效的交通控制，是建立高效的城市交通系统的关键。城市交通信号控制系统的信号灯动态是离散的，而交通流动态是连续的，且它们之间相互影响，是典型的混杂系统。基于此，本项目拟采用以混杂自动机模型来描述城市交通信号控制系统，并引入R-W监督控制方法为系统设计控制器的新思路。主要研究内容包括：建立城市交通信号控制系统的混杂自动机模型；研究基于混杂自动机模型的扩展离散事件系统的监督控制器方法；和研究扩展离散事件系统的状态树结构模型及其监督控制方法。这些结果的正确性和有效性将在实验室仿真模型上进行验证。本项目的创新之处是：基于混杂自动机模型和改进状态树结构模型的扩展离散事件系统监督控制方法，能从需求出发系统地为城市交通信号控制系统设计监督控制器，使得系统的总特性满足给定的要求。本项目旨在从系统的建模到控制器的设计，为建立高效的城市交通信号控制系统提出一个系统的解决方案。

随着城市规模的不断扩大和居民汽车保有量的不断增加，交通拥堵以及由此产生的时间延误、交通事故、环境污染等问题日趋严重。发展先进的交通信号控制系统来科学地管控有限的交通资源，提高路网通行效率缓解交通拥堵是一个亟待解决的问题。高效的城市交通信号控制系统能否建立，取决于能否准确地描述系统的特性，并实施有效的交通控制。基于此，本项目的研究内容如下。（1）建立城市交通信号控制系统的混杂自动机模型。城市交通信号控制系统是一类混杂系统，其信号灯动态是离散的，交通流动态是连续的，并且每个交叉口的信号灯动态和交通流动态之间相互影响。本项目采用混杂自动机模型来描述该系统，它统一描述十字路口的离散动态特性（交通灯信号的离散变化）和连续动态特性（车流的连续流动）。（2）部分事件不可观测条件下的离散事件系统控制器设计。项目借助于离散事件系统监督控制方法，为混杂自动机描述的城市交通信号控制系统设计控制器，特别研究了部分事件不可观测问题（部分事件不可观测是由交通信号控制系统中信息采集的不完整性导致的，例如由于车辆遮挡造成摄像头无法检测到行人的闯入），及不可观测条件下的控制器设计方法。（3）离散事件系统分布式控制器设计。针对交通信号控制系统比较复杂的特点：单个交叉口由多个道路组成，而区域交通系统由多个交叉口组成，集中控制方法很难满足要求，为此，项目研究分布式控制器的设计方法，且考虑了在通信延时对分布式控制器的影响。本项目的研究为城市交通信号控制系统提供了一个基于扩展离散事件系统监督控制理论的控制策略计算方法。其潜在价值在于：基于混杂自动机模型离散事件系统监督控制方法，能从需求出发系统地为城市交通信号控制系统设计控制器，使得系统的总特性满足给定的多目标要求，还可应用于城市交通区域信号控制中的协调控制器的设计。