[0004] 本发明的目的是针对城市道路交通系统的拥堵和事故以及不确定因素对交通系统的影响，通过数据采集、建模、优化控制等手段，提供了一种城市道路交通系统安全运行的控制方法。
[0005] 本发明方法的步骤包括：
[0006] 步骤1、建立城市交通系统的状态空间模型，具体方法是：
[0007] 1.1采集城市交通系统的输入输出数据并对实际交通网络进行描述：
[0008] 我们考虑城市道路交通系统环形路口(三角环形)。一个道路交通系统的三角环形路口通常由连接路口的三条辅路、两两相交的三条主路，以及用于疏导车流量的交通指示灯组成，见图1(见说明书附图1)。图1展示了交通系统环形路口各交通元素间的联系，并显示了每条道路车辆的行驶方向(R1、R2、R3代表连接路口的三条辅路；d1、d2、d3分别表示两两相交的三条主路；x1、x2、x3代表各条主路上的车辆数目；r1、r2、r3分别代表连接三条主路的支路，三条支路分别连接着商场、医院、学校等)。图1中各个路口的交通灯在整个三角环形交通网络中起到调节各个主路段车流量的作用，以降低各条道路交通拥堵和事故的风险。我们考虑到在交通灯调节时间有限制的情况下，在高峰期，当从辅路R2、R3进入主路段d2、d3的灯为绿灯、从辅路R1进入主路段d1的灯为红灯、各条主路上的灯分别为d1-红灯、d2-绿灯、d3-绿灯时，主路段d1易发生拥堵。在晚高峰，从商场驶出的车辆增多，路段d1易拥堵。为解决拥堵问题，采取车流量限制和开辟应急通道来缓解拥堵的情况是非常必要的。比如，路段d1拥堵时，进入内环三角形应急路口自动闸门开启并且进入路口a1的灯变为绿灯，进入路口a2、a3的灯变为红灯。此时在拥堵路段d1的车辆可以进入路口a1并驶出路口a2或a3，从而缓解交通拥堵。因此，在一个时段打开进入a1的绿灯，打开进入路口a2和a3的红灯，只允许路段d1的车辆驶入路口a1；下一个时段打开a2或a3的绿灯，只允许拥堵路段d2或d3的车辆驶入a2或a3，就可解决各时间段各路段车辆拥堵的问题。
[0009] 1.2利用以上采集数据建立城市交通系统的状态空间模型，形式如下：
[0010]
[0011] y(k)＝Cσ(k)x(k),
[0012] 其中，x(k)＝[x1(k),x2(k),...,xn(k)]T为k时刻某一条道路上的车辆数,n代表道路的条数。y(k)为驶出路口的车辆数， 为这条道路拥堵或发生事故后驶入路口的车辆数， 是不可测的影响道路流通性的外部扰动因素(如，高峰期从商场、学校和医院驶出并进入环形路口的车辆)。非线性函数f(x(k))＝[f1(x1(k)),...,fn(xn(k))]T和g(x(k))＝[g1(x1(k)),...,gn(xn(k))]T是向量值函数，代表各种不确定因素对道路交通的影响。我们给出随机变量β(k)，并且 其中 是常数且函数σ(k)为切换信号表示从[0,∞)到有限集S＝{1,…,M}的映射，
对于σ(k)∈S有Aσ(k)≥0，
Bσ(k)≥0，Cσ(k)≥0，Dσ(k)≥0，Eσ(k)≥0。
[0013] 步骤2、实际中，在高峰期和其他各种复杂外界因素的影响下，驶入一条道路车辆过多会导致道路拥堵和事故等问题的发生。外界因素大多是不确定的，我们给出的非线性函数f(x(k))和g(x(k))满足如下条件：
[0014]
[0015]
[0016] 其中，α1,α2,α3,α4是正常数，并且0＜α1＜α2,0＜α3＜α4。
[0017] 步骤3、当环形路口发生拥堵、事故等时，驶入路口车辆数可以被描述为：
[0018]
[0019] 其中，Ldi≤Li≤Lui≤δLdi，Ldi≥0，Lui≥0，δ≥1。
[0020] 步骤4、设计城市交通系统可靠控制器，具体步骤是：
[0021] 4.1设计在城市交通系统道路拥堵下的可靠控制器如下：
[0022]
[0023] 其中， 是一般增益矩阵且
[0024] 4.2设计 的同时满足步骤2和步骤3的条件。考虑外部不确定扰动因素对主道路上车辆的影响，定义函数
[0025]
[0026] 设计线性余正李亚普诺夫函数Vi(x(k))＝x(k)Tυi，它的数学期望为
[0027] E{V(k+1)V(k)}＝x(k+1)Tυσ(k+1)，
[0028] 满足如下条件：
[0029]
[0030] 4.3考虑外部不确定扰动因素对主道路上车辆的影响，根据4.2中的推导可得：
[0031]
[0032] 4.4设计常数α1≥0,α2≥0,α3≥0,α4≥0,0＜μ1＜1,μ2＞1,δ＞1,γ＞0，向量且向量使其满足以下条件：
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] μ1υi≤υj≤μ2υi,
[0038] 成立，其中，(i,j)∈S×S,i≠j,s＝1,...,m,ι＝1,...,m。
[0039] 4.5设计可靠控制器使城市交通系统
[0040]
[0041] 在切换信号σ(k)下步骤1.2中考虑的系统是全局一致指数稳定的，且对任意初始状态，设计常数γ使其系统状态响应满足如下条件(稳定状态)：
[0042]
[0043] 4.6由步骤4.5可将上式转化为：
[0044]
[0045] 根据步骤4.4可得:
[0046]
[0047]
[0048] 即
[0049]
[0050] 4.7依据步骤3所设计的条件，可得如下结果：
[0051]
[0052] 进一步可得：
[0053]
[0054]
[0055] 4.8结合步骤4.4中第1个条件和步骤4.6、4.7可以得到城市交通系统在道路拥堵的情况下系统的驶入车辆状态反馈为：
[0056]
[0057] 本发明提出了一种城市交通系统安全运行的控制方法。该方法针对城市交通系统驶入车流量过大导致的交通拥堵和事故问题，以及外部不确定环境因素对交通网络的影响，通过数据采集、建模、优化控制等手段，提供了一种城市交通系统安全运行的控制方法，建立了系统的状态空间模型。通过设计系统的李雅普诺夫函数来设计状态反馈控制器，以保证切换系统是稳定的。
