考慮CPS傳輸可靠性的車車協(xié)同穩(wěn)定性分析.pdf

1、交通阻塞和擁堵問(wèn)題其本質(zhì)是系統(tǒng)失穩(wěn)導(dǎo)致的。緩解交通擁堵就是要探索如何改進(jìn)交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高抗干擾能力。因此，交通流穩(wěn)定問(wèn)題在科學(xué)認(rèn)知交通擁堵事件生成機(jī)理，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其特征和演化路徑方面占有核心基礎(chǔ)地位。
　　從系統(tǒng)的觀點(diǎn)，交通擁堵導(dǎo)致的根本原因是由于交通系統(tǒng)中各要素未能實(shí)現(xiàn)充分的協(xié)調(diào)與優(yōu)化，車流運(yùn)行產(chǎn)生擾動(dòng)且不能在擾動(dòng)下保持自穩(wěn)定能力所致。因此要從根本上解決交通擁堵問(wèn)題，其關(guān)鍵是要尋求一種能實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)深度融合與協(xié)作的

2、理論。信息物理融合系統(tǒng)(cyber physical system,CPS)的出現(xiàn)為上述問(wèn)題的解決提供了新途徑。信息物理融合引入到交通系統(tǒng)后，在信息空間中由傳輸網(wǎng)絡(luò)通信帶來(lái)的傳輸時(shí)延和丟包等不可靠性因素將不可避免和忽略。由于信息空間和物理空間深度融合的原因，交通信息空間的這些不可靠因素必然會(huì)映射到物理世界，作用于實(shí)際物理對(duì)象或過(guò)程，導(dǎo)致包括車車協(xié)同在內(nèi)的車流產(chǎn)生不穩(wěn)定和振蕩。由此可見(jiàn)，對(duì)于車車協(xié)同運(yùn)行這類對(duì)控制品質(zhì)和穩(wěn)定性要求高的系統(tǒng)來(lái)

3、說(shuō)，不能忽視上述影響。然而，遺憾的是現(xiàn)有車車關(guān)系刻畫(huà)模型建立的多是物理模型，尚未深入對(duì)等考慮物理及信息二元之間的密切關(guān)系。這導(dǎo)致現(xiàn)有車車協(xié)同模型及其穩(wěn)定性研究成果難以刻畫(huà)信息空間傳輸不可靠因素帶來(lái)的沖擊效應(yīng)。
　　基于此背景，本文在借鑒現(xiàn)有交通流理論研究成果的基礎(chǔ)上，圍繞車車協(xié)同的穩(wěn)定性問(wèn)題，從信息物理融合的角度，重點(diǎn)研究信息空間傳輸不可靠性因素(時(shí)延和丟包)對(duì)車車協(xié)同物理過(guò)程穩(wěn)定性的影響，并采用理論分析和數(shù)值仿真手段，探索伴隨穩(wěn)

4、定性變化的各種非線性現(xiàn)象。論文的主要工作如下：
　?、倏紤]多前車平均速度信息，構(gòu)建了CPS下車車協(xié)同行駛模型。在此基礎(chǔ)上，獲得了多前車信息可靠性對(duì)車車協(xié)同穩(wěn)定性的影響規(guī)律。
　　基于CPS信息的應(yīng)用，考慮多前車的平均速度信息對(duì)跟隨車操控穩(wěn)定性的影響，提出了新的車車協(xié)同行駛模型。運(yùn)用線性穩(wěn)定性分析獲得了模型的線性穩(wěn)定性判據(jù)。運(yùn)用非線性分析手段，導(dǎo)出了刻畫(huà)臨界點(diǎn)附近交通阻塞傳播規(guī)律的mKdV方程，數(shù)值仿真和理論分析結(jié)果一致表明：

5、多前車平均速度信息對(duì)車流穩(wěn)定性具有顯著改善作用。在此基礎(chǔ)上，引入多前車信息可靠性度量參數(shù)，研究了多前車信息可靠度對(duì)車車協(xié)同的穩(wěn)定效應(yīng)，結(jié)果表明：在同一CPS傳輸可靠程度下，車流的穩(wěn)定性隨著多前車數(shù)量的增加而逐漸增加；當(dāng)多前車數(shù)量固定時(shí)，交通系統(tǒng)的平均速度隨著CPS傳輸可靠程度的增加而逐漸提高。
　　②針對(duì)帶超車情形的車車協(xié)同行駛場(chǎng)景，考慮CPS中網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)其穩(wěn)定性的影響，提出帶時(shí)滯的流量差格子模型，獲得模型的線性穩(wěn)定性判據(jù)及不穩(wěn)定

6、區(qū)域交通阻塞的非線性特征。
　　針對(duì)具有超車情形的Nagatani格子流體力學(xué)模型沒(méi)有涉及實(shí)際交通中的流量差效應(yīng)，提出有超車情形的流量差格子模型。研究結(jié)果表明：流量差效應(yīng)對(duì)車流穩(wěn)定性及其非線性特性具有不可忽視的影響。
　　在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮CPS中網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)車車協(xié)同行駛車流穩(wěn)定性的影響，提出了有超車情形下的時(shí)滯流量差格子模型。獲得了模型的穩(wěn)定性判據(jù)和臨界點(diǎn)附近交通阻塞傳播演化規(guī)律。研究結(jié)果表明，車流穩(wěn)定性隨著CPS網(wǎng)絡(luò)時(shí)

7、延的增加而逐漸降低。對(duì)于不穩(wěn)定區(qū)域車流，當(dāng)超車通過(guò)率較小時(shí)，不穩(wěn)定車流以mKdV方程描述的扭結(jié)-反扭結(jié)波形式傳播；當(dāng)超車通過(guò)率較大時(shí)，相空間的不穩(wěn)定區(qū)域可進(jìn)一步劃分為密度波特征區(qū)域和混沌特征區(qū)域。在密度波特征區(qū)域，失穩(wěn)車流以周期行為演化，而混沌特征區(qū)域失穩(wěn)車流展現(xiàn)出無(wú)序震蕩的混沌行為。
　?、坩槍?duì)兩車道系統(tǒng)的車車協(xié)同場(chǎng)景，提出了考慮最優(yōu)流量差估計(jì)信息的車車協(xié)同行駛模型，在此基礎(chǔ)上，揭示了CPS中傳輸可靠性對(duì)宏觀車流穩(wěn)定性的影響規(guī)律

8、。
　　基于Nagatani格子流體力學(xué)模型思想，考慮最優(yōu)流量差估計(jì)效應(yīng)對(duì)宏觀車流的影響，構(gòu)建了新的兩車道車車協(xié)同行駛模型。在此基礎(chǔ)上，獲得了兩車道系統(tǒng)車流的穩(wěn)定條件及描述交通阻塞演化規(guī)律的密度波方程。研究結(jié)果表明：兩車道間的換道效應(yīng)和最優(yōu)流量差估計(jì)信息協(xié)同作用可有效增強(qiáng)車流的穩(wěn)定性。引入概率參數(shù)表征了CPS的傳輸可靠性，并引入各路段車流密度分布均方差統(tǒng)計(jì)量，作為CPS傳輸可靠性下車流穩(wěn)定性的衡量指標(biāo)。研究結(jié)果表明，無(wú)論是否允許車

9、輛換道，兩車道系統(tǒng)的車流穩(wěn)定性均隨著CPS傳輸可靠性的增加而提高。
　?、芑贑PS信息的應(yīng)用，提出了計(jì)及駕駛員預(yù)估效應(yīng)的前后車協(xié)同模型，在此基礎(chǔ)上，揭示了前后車協(xié)同穩(wěn)定性與車流能耗間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
　　引入CPS系統(tǒng)采集的駕駛員預(yù)估信息，基于全速度差跟馳模型，提出了考慮駕駛員預(yù)估效應(yīng)的前后車協(xié)同模型。運(yùn)用線性穩(wěn)定性定理獲得了模型的穩(wěn)定性判據(jù)，結(jié)果表明，駕駛員預(yù)估效應(yīng)下的前后車協(xié)同能顯著提高車流穩(wěn)定性，降低交通系統(tǒng)能耗。在此基

10、礎(chǔ)上，通過(guò)耦合車輛能耗公式，系統(tǒng)研究了前后車協(xié)同穩(wěn)定性與單車能量耗散和道路整體能量耗散的關(guān)聯(lián)關(guān)系。研究結(jié)果表明，車流穩(wěn)定性與能耗在時(shí)空演化過(guò)程中均展現(xiàn)出復(fù)雜臨界相變現(xiàn)象，且他們的相變過(guò)程具有顯著映射關(guān)系。
　　綜上所述，本文從信息物理融合的角度建立了面向CPS的車車協(xié)同模型。在此基礎(chǔ)上，揭示了信息空間中傳輸不可靠性問(wèn)題對(duì)車車協(xié)同物理過(guò)程穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究成果可望為CPS環(huán)境下車車協(xié)同行駛穩(wěn)定性的系統(tǒng)認(rèn)知提供支撐，為自動(dòng)駕駛控制