交通流入匝道控制问题的计算

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交通流理论及交通流管理的研究存在于物理、应用数学、交通工程等领域中,随着运输业的发展越来越受到人们的重视。高速公路运输效率高、通行量大、成本低,因此在交通运输中起着重要作用。但是现阶段高速公路面临的交通问题也很突出,比如拥堵情况频发,降低了道路的通行效率。如何高效地运营高速公路,使高速公路的通行效率达到最高,这就涉及到对高速公路进行优化设计以及流量控制。高速公路的流量控制方法有很多种,包括入匝道控制、出匝道控制、最高限速等等,其中入匝道控制是高速公路控制的重要手段之一,通过控制从匝道进入主干道的车流量可以增大一段时间内的总流量,提高运输效率,这也意味着可以使车流密度分布更合理,减少拥堵。  本文将高精度加权基本无振荡格式(WENO)和高分辨自适应移动网格方法应用于入匝道控制问题的计算。这里考虑的入匝道控制问题是一个由交通流的流体力学模型作为约束(也称为控制方程)的最优控制问题,其中,用于描述交通流的方程是Payne-Whitham方程组,目标函数是一段时间内道路上的车辆总流量。基于连续型伴随方法,我们的算法主要分为三个步骤:第一步,用WENO格式或自适应移动网格方法求解最优控制问题中的控制方程,得到每个时间步的车辆密度和流量的值;第二步,用WENO格式或者自适应移动网格方法按时间反方向求解伴随方程,得到优化迭代中的梯度;第三步,利用修正0.618方法选择优化目标函数的迭代步长。  本文构造了多个算例,将基于连续型伴随方法的三阶、五阶、七阶WENO方法以及移动网格方法应用于这些算例。通过计算和比较,一方面验证了数值结果的可靠性,另一方面说明了高精度无振荡格式和自适应移动网格方法在交通流入匝道控制问题的计算中的模拟能力。数值试验结果表明:通过入匝道流量的控制可以使一段时间内道路上的车辆总流量达到最优,进而达到提高道路通行效率的目的。通过合理地选取检测函数可以使自适应移动网格方法的结果和WENO方法的结果吻合得很好,并且可以采用较少的点和较少的CPU时间达到和WENO方法相当的数值结果。
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