面向CPS的車輛協(xié)同系統(tǒng)多尺度穩(wěn)定性研究.pdf

1、道路車流密度的增大增進了車輛之間的協(xié)同作用關系，車輛協(xié)同是道路車流的主要表現(xiàn)特征。從系統(tǒng)的觀點看，道路交通擁堵現(xiàn)象是車輛協(xié)同系統(tǒng)運行不穩(wěn)定的一種外在表現(xiàn)。因此，研究車輛協(xié)同系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題可以掌握交通擁堵形成的內在機理，為交通擁堵控制提供支撐，是解決交通擁堵問題的基礎性工作，具有重要的意義。
　　另一方面，隨著信息技術的發(fā)展，道路車輛的運行不再是孤立的，交通信息對車輛運動的指導作用以及車輛狀態(tài)的信息反饋在車輛協(xié)同系統(tǒng)的運行中將是交

2、互融合的，車輛協(xié)同系統(tǒng)具有信息物理系統(tǒng)(CPS)的典型特征。在CPS視角下，車輛協(xié)同系統(tǒng)在獲取信息的種類、范圍等方面都將突破傳統(tǒng)車輛協(xié)同系統(tǒng)的研究范圍，這些不同種類或范圍的信息對車輛協(xié)同系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用機制和影響效果都各不相同。為此，需采用不同尺度的穩(wěn)定性分析方法研究CPS視角下車輛協(xié)同系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。然而，現(xiàn)有車輛協(xié)同系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究大都是基于交通物理模型展開的，缺乏基于CPS視角的車輛協(xié)同系統(tǒng)多尺度穩(wěn)定性研究成果。
　　為此

3、，論文主要圍繞車輛協(xié)同系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，從信息物理融合的視角，運用漸近穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性以及線性穩(wěn)定性和非線性穩(wěn)定性等多尺度的穩(wěn)定性分析方法，結合數(shù)值模擬手段，重點研究了車速感知不確定性、車輛宏觀期望速度信息、車流隨機中斷信息以及變時延信息等不確定因素對車輛協(xié)同系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，探索了不同交通模式下車流的演化特性及各種非線性現(xiàn)象。具體而言，論文研究工作主要包括以下幾個方面：
　?、籴槍PS視角下交通信息感知的不確定性問題，建立了

4、一個考慮車速感知不確定性的車輛協(xié)同跟馳模型(UVCF模型)，研究了模型的漸近穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性，揭示了車速感知不確定性對車輛協(xié)同系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響機制。
　　基于全速度差跟馳模型，通過考慮當前車感知所得到的前車速度與前車真實速度之間的差異，提出了一個考慮車速感知不確定性的UVCF模型。在此基礎上，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論和攝動分析理論分別推導出了UVCF模型的漸近穩(wěn)定性條件和局部穩(wěn)定性條件。采用數(shù)值模擬方法研究了UVCF模型在

5、車隊啟動、剎車以及車流演化過程的規(guī)律，其結果表明，車速感知不確定性對車隊啟動、剎車以及車流演化過程具有重要影響。當后車對前車速度的感知值大于前車速度的真實值時，車隊在啟動、剎車過程中的響應會更加迅速，然而后車感知所得到的較大的前車速度會使得后車在加、減速過程中幅度過大，導致車輛協(xié)同系統(tǒng)中車流的穩(wěn)定性被削弱，易于誘發(fā)交通擁堵。相反，當后車對前車速度的感知值小于前車速度的真實值時，后車會采取保守策略調節(jié)自身車輛的運動，這一舉措會增大車隊在啟

6、動、剎車過程中的響應時間，但卻能提高車輛協(xié)同系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　②考慮車輛協(xié)同系統(tǒng)中車輛的宏觀運動狀態(tài)信息，分別建立了考慮單車宏觀期望速度的車輛協(xié)同跟馳模型(GDVCF模型)和考慮多前車宏觀期望速度的車輛協(xié)同跟馳模型(MGDVCF模型)，研究了模型的穩(wěn)定性條件和模型在不穩(wěn)定區(qū)域密度波的非線性特性。
　　首先，針對采用局部交通狀態(tài)信息調控車輛的運動過程容易導致車輛頻繁加、減速這一問題，在全速度差跟馳模型的基礎上，引入當前車的宏

7、觀期望速度信息，建立了考慮當前車宏觀期望速度的GDVCF模型。通過對GDVCF模型進行線性和非線性穩(wěn)定性分析，獲得了模型的線性穩(wěn)定性條件和描述模型在不穩(wěn)定區(qū)域密度波傳播的mKdV方程，其結果顯示，當前車的宏觀期望速度信息對車輛協(xié)同系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有改善作用。進一步，通過考慮CPS視角下多前車的宏觀期望速度信息，構建了考慮多前車宏觀期望速度的MGDVCF模型。通過理論分析和數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，前方車輛的宏觀期望速度信息能降低車輛協(xié)同系統(tǒng)的穩(wěn)定性，

8、而且前方兩輛車的宏觀期望速度信息對車輛協(xié)同系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響最為顯著。
　　③針對雙車道車輛協(xié)同系統(tǒng)中車流隨機中斷問題，建立了一個考慮當前格點流量隨機中斷的雙車道格子流體力學模型(CFITLLH模型)。研究了模型在穩(wěn)定區(qū)域、不穩(wěn)定區(qū)域和亞穩(wěn)定區(qū)域密度波的非線性特性以及當前格點流量隨機中斷信息和換道效應對車輛協(xié)同系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響機制。
　　在雙車道格子流體力學模型的基礎上，引入當前格點車流隨機中斷信息，建立了一個考慮當前格點流量

9、隨機中斷的雙車道CFITLLH模型。通過對CFITLLH模型進行線性和非線性穩(wěn)定性分析，獲得了CFITLLH模型在不同中斷概率和換道率下的密度–敏感度相圖以及描述CFITLLH模型在穩(wěn)定區(qū)域、亞穩(wěn)定區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域車流演化規(guī)律的Bergers方程、KdV方程和mKdV方程。通過對CFITLLH模型進行數(shù)值模擬，再現(xiàn)了CFITLLH模型在穩(wěn)定區(qū)域、亞穩(wěn)定區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域呈現(xiàn)出的三角激波、孤立波和扭結–反扭結波。同時還發(fā)現(xiàn)，車流隨機中斷信息

10、對車輛協(xié)同系統(tǒng)的穩(wěn)定性是不利的，容易導致車流發(fā)生擁堵，而換道效應能均衡雙車道系統(tǒng)中兩個車道之間的交通狀況，對交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有增強作用。
　?、芸紤]CPS視角下駕駛過程中存在的時延問題，建立了一個考慮變時延信息的格子流體力學模型(VTDLH模型)，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論獲得了模型的漸近穩(wěn)定性條件，揭示了變時延信息對宏觀車輛協(xié)同系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響。
　　針對車輛協(xié)同系統(tǒng)在駕駛感知、處理和決策過程中存在的時延問題，將

11、變時延信息引入到Nagatani格子流體力學模型，建立了一個考慮變時延信息的VTDLH模型。利用Lyapunov穩(wěn)定性理論，通過對VTDLH模型的狀態(tài)變量構造時延相關的Lyapunov-Krasovskii泛函，獲得了VTDLH模型漸近穩(wěn)定的一個充分條件。仿真結果表明，考慮變時延信息的車輛協(xié)同系統(tǒng)在受到擾動后更容易演化成交通擁堵。為此，為增進車輛協(xié)同系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應盡量降低時延信息的不利影響，提高車輛協(xié)同的實時性。
　　綜上，論文