适用于混合交通高速公路的鲁棒增益调度连续时间线性二次调节器：一种多类小区传输模型方法

《IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems》：Robust Gain-Scheduled Continuous-Time Linear Quadratic Regulator for Mixed-Traffic Freeways: A Multi-Class Cell Transmission Model Approach

高速公路混合交通流中采用预计算增益调度连续时间LQR方法协调匝道-metering与可变限速，通过多类细胞传输模型实现实时优化，在保证稳定性的同时显著降低控制延迟（中位数0.13ms）和碳排放，优于传统模型预测控制等基线方案。

　　

摘要：

先进的高速公路交通控制策略通常依赖于在线优化，但这在计算上非常耗时，从而限制了它们在大型网络中的实时应用能力。本研究提出了一种计算效率更高的替代方案：一种线性参数可变增益调度连续时间线性二次调节器（GS–CT–LQR），用于协调混合交通高速公路上的匝道流量调节（RM）和车速限制（VSL）。该方法使用一组预先计算好的反馈增益，这些增益源自多类车辆传输模型，并根据实时条件（如协同自适应巡航控制（CACC）的市场渗透率、需求和拥堵状况）进行在线调度。一个二次李雅普诺夫函数确保了系统的均匀指数稳定性，并提供了输入到状态的稳定性界限。在包含实际需求的综合微观仿真研究中，该控制器与无控制、ALINEA、H∞模型以及模型预测控制器等基准方案进行了对比评估。在25%至75%的渗透率范围内，GS–CT–LQR显著提高了通行能力和平均旅行时间，降低了二氧化碳排放，并实现了更加平稳的控制动作。在涉及需求激增、渗透率变化和测量噪声的压力测试中，该控制器表现出卓越的鲁棒性，同时在普通硬件上的每次更新延迟仅为0.13毫秒。研究结果证实，所提出的方法为实时高速公路交通控制提供了一种实用且稳定的解决方案，实现了自适应策略的优势，而无需承担在线优化的负担。