考慮CPS傳輸可靠性的車車協(xié)同穩(wěn)定性分析.pdf

1、交通阻塞和擁堵問題其本質(zhì)是系統(tǒng)失穩(wěn)導致的。緩解交通擁堵就是要探索如何改進交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高抗干擾能力。因此，交通流穩(wěn)定問題在科學認知交通擁堵事件生成機理，準確預測其特征和演化路徑方面占有核心基礎地位。
　　從系統(tǒng)的觀點，交通擁堵導致的根本原因是由于交通系統(tǒng)中各要素未能實現(xiàn)充分的協(xié)調(diào)與優(yōu)化，車流運行產(chǎn)生擾動且不能在擾動下保持自穩(wěn)定能力所致。因此要從根本上解決交通擁堵問題，其關鍵是要尋求一種能實現(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)絡通信帶來的傳輸時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映射到物理世界，作用于實際物理對象或過程，導致包括車車協(xié)同在內(nèi)的車流產(chǎn)生不穩(wěn)定和振蕩。由此可見，對于車車協(xié)同運行這類對控制品質(zhì)和穩(wěn)定性要求高的系統(tǒng)來

3、說，不能忽視上述影響。然而，遺憾的是現(xiàn)有車車關系刻畫模型建立的多是物理模型，尚未深入對等考慮物理及信息二元之間的密切關系。這導致現(xiàn)有車車協(xié)同模型及其穩(wěn)定性研究成果難以刻畫信息空間傳輸不可靠因素帶來的沖擊效應。
　　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上，圍繞車車協(xié)同的穩(wěn)定性問題，從信息物理融合的角度，重點研究信息空間傳輸不可靠性因素(時延和丟包)對車車協(xié)同物理過程穩(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。在此基礎上，獲得了多前車信息可靠性對車車協(xié)同穩(wěn)定性的影響規(guī)律。
　　基于CPS信息的應用，考慮多前車的平均速度信息對跟隨車操控穩(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)。運用非線性分析手段，導出了刻畫臨界點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車流穩(wěn)定性具有顯著改善作用。在此基礎上，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車車協(xié)同的穩(wěn)定效應，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；當多前車數(shù)量固定時，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。
　?、卺槍С嚽樾蔚能囓噮f(xié)同行駛場景，考慮CPS中網(wǎng)絡時延對其穩(wěn)定性的影響，提出帶時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。
　　針對具有超車情形的Nagatani格子流體力學模型沒有涉及實際交通中的流量差效應，提出有超車情形的流量差格子模型。研究結(jié)果表明：流量差效應對車流穩(wěn)定性及其非線性特性具有不可忽視的影響。
　　在此基礎上，進一步考慮CPS中網(wǎng)絡時延對車車協(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)絡時

7、延的增加而逐漸降低。對于不穩(wěn)定區(qū)域車流，當超車通過率較小時，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；當超車通過率較大時，相空間的不穩(wěn)定區(qū)域可進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)出無序震蕩的混沌行為。
　?、坩槍绍嚨老到y(tǒng)的車車協(xié)同場景，提出了考慮最優(yōu)流量差估計信息的車車協(xié)同行駛模型，在此基礎上，揭示了CPS中傳輸可靠性對宏觀車流穩(wěn)定性的影響規(guī)律

8、。
　　基于Nagatani格子流體力學模型思想，考慮最優(yōu)流量差估計效應對宏觀車流的影響，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和最優(yōu)流量差估計信息協(xié)同作用可有效增強車流的穩(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)計量，作為CPS傳輸可靠性下車流穩(wěn)定性的衡量指標。研究結(jié)果表明，無論是否允許車

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信息的應用，提出了計及駕駛員預估效應的前后車協(xié)同模型，在此基礎上，揭示了前后車協(xié)同穩(wěn)定性與車流能耗間的關聯(lián)關系。
　　引入CPS系統(tǒng)采集的駕駛員預估信息，基于全速度差跟馳模型，提出了考慮駕駛員預估效應的前后車協(xié)同模型。運用線性穩(wěn)定性定理獲得了模型的穩(wěn)定性判據(jù)，結(jié)果表明，駕駛員預估效應下的前后車協(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、礎上，通過耦合車輛能耗公式，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聯(lián)關系。研究結(jié)果表明，車流穩(wěn)定性與能耗在時空演化過程中均展現(xiàn)出復雜臨界相變現(xiàn)象，且他們的相變過程具有顯著映射關系。
　　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。在此基礎上，揭示了信息空間中傳輸不可靠性問題對車車協(xié)同物理過程穩(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)認知提供支撐，為自動駕駛控制