面向T-CPS的微觀交通認(rèn)知方法及相關(guān)研究.pdf

1、隨著交通問題日趨嚴(yán)峻，如何以科學(xué)的方法準(zhǔn)確認(rèn)知交通現(xiàn)象，如何以先進的技術(shù)支撐交通系統(tǒng)的發(fā)展，以有效緩解交通擁堵、降低排放/能耗和提高行駛安全，是亟待解決的重要問題。目前，交通信息化與智能化已成為國際上交通系統(tǒng)現(xiàn)代化的主要發(fā)展方向，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域。而由于交通系統(tǒng)本質(zhì)是非線性、強耦合、泛時空復(fù)雜系統(tǒng)，而傳統(tǒng)交通系統(tǒng)的感知、計算、通信和控制等過程之間缺乏廣泛的互聯(lián)互通互操作，導(dǎo)致交通系統(tǒng)尚未實現(xiàn)充分的協(xié)調(diào)與優(yōu)化。信息物理系統(tǒng)(Cybe

2、r Physical Systems，CPS)技術(shù)和交通流理論的出現(xiàn)，為上述問題的解決提供了新的途徑。因此，在CPS的架構(gòu)下，研究交通現(xiàn)象的認(rèn)知方法及相關(guān)問題，具有重要的理論和實際意義。
　　 本文主要圍繞面向交通信息物理系統(tǒng)(Transportation Cyber Physical Systems，T-CPS)的微觀交通認(rèn)知方法展開研究。具體內(nèi)容包括：重點針對傳統(tǒng)交通系統(tǒng)的感知、計算、通信和控制等過程之間缺乏廣泛的互聯(lián)互通互

3、操作，提出T-CPS面向服務(wù)的基本架構(gòu)?；谖⒂^交通流理論，系統(tǒng)的討論微觀認(rèn)知模型的優(yōu)化速度函數(shù)、穩(wěn)定性分析、非線性分析及零動態(tài)等關(guān)鍵問題，進而研究基于FVD認(rèn)知模型的交通擁堵反饋控制?？紤]T-CPS環(huán)境下綜合交通信息對跟馳車輛行為的影響，提出一種基于多前車位置、速度差和加速度差信息(Multipie Headway，Velocity&Acceleration Difference，MHVAD)的跟馳模型，以準(zhǔn)確客觀的認(rèn)知交通現(xiàn)象。理論

4、分析和數(shù)值仿真均驗證了MHVAD模型的有效性。
　　 論文的主要工作包括：
　　 ①充分利用CPS中物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)之間的相互作用與反饋特點，提出包含感知、通信、計算、控制和服務(wù)五個層次的T-CPS基本架構(gòu)。
　　 傳統(tǒng)交通系統(tǒng)由于缺乏廣泛的互聯(lián)互通互操作，尚未實現(xiàn)充分的協(xié)調(diào)與優(yōu)化。而CPS是通過集成3C(Computation，Communication，Control)技術(shù)將信息基元與物理元素融為一體，并基

5、于信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)之間的相互作用與反饋，進而實現(xiàn)對物理系統(tǒng)的精確認(rèn)知和有效控制的前沿技術(shù)。本文基于CPS概念并結(jié)合交通系統(tǒng)的特點，構(gòu)建面向服務(wù)的T-CPS基本架構(gòu)，詮釋了相應(yīng)層次的功能，討論了T-CPS的特點及若干關(guān)鍵技術(shù)，為下一代智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)發(fā)展提供理論支撐。
　　 ②針對交通現(xiàn)象認(rèn)知的微觀方法--跟馳模型，系統(tǒng)的討論了跟馳模型的優(yōu)化速度函數(shù)、穩(wěn)定

6、性分析、非線性分析及零動態(tài)等關(guān)鍵問題。
　　 交通流跟馳模型是T-CPS中從微觀層面認(rèn)知交通流狀態(tài)變化的主要方法之一，一直以來廣受學(xué)者的關(guān)注，現(xiàn)有的跟馳模型大部分均是基于OV模型擴展而來，而OV模型的核心就在于優(yōu)化速度函數(shù)，因此掌握優(yōu)化速度函數(shù)的特點對于研究基于跟馳模型的交通認(rèn)知方法至關(guān)重要；
　　 在基于跟馳模型的交通認(rèn)知研究中，模型的穩(wěn)定性分析是一個重要內(nèi)容。本文系統(tǒng)的討論了跟馳模型的局部穩(wěn)定和漸近穩(wěn)定問題。此外，為

7、了有效分析跟馳模型的穩(wěn)定性問題，本文給出了一類二階系統(tǒng)構(gòu)造Lyapunov函數(shù)的引理，并予以嚴(yán)格證明。隨后，據(jù)此討論了交通流跟馳模型的Lyapunov穩(wěn)定性問題；
　　 為了揭示交通系統(tǒng)的非線性特性，本文從兩方面入手，一方面根據(jù)傳統(tǒng)的方法，應(yīng)用微小變量法來導(dǎo)出跟馳模型的mKdV方程；另一方面，引入零動態(tài)的概念，導(dǎo)出跟馳模型的零動態(tài)方程，這是跟馳模型研究中的一個新的嘗試。
　　 ③從反饋及系統(tǒng)控制的角度，研究基于跟馳模型的

8、交通擁堵反饋控制問題。
　　 交通系統(tǒng)本質(zhì)上是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。根據(jù)物理學(xué)的基本規(guī)律可知，力是物體運動的原因，而加速度則是改變物體運動狀態(tài)的原因。為了從系統(tǒng)和控制的角度來展開研究，本文通過設(shè)計加速度信息作為反饋信號，并基于FVD模型，討論了基于跟馳模型的交通擁堵反饋控制問題，仿真結(jié)果表明了本方法的有效性。
　　 ④考慮T-CPS環(huán)境下綜合交通信息對跟馳車輛行為的影響，提出了MHVAD跟馳模型。
　　 為了更加準(zhǔn)確的

9、認(rèn)知實際的交通現(xiàn)象，綜合考慮前導(dǎo)車輛的數(shù)量、位置、速度差和加速度差等信息的共同影響，提出了MHVAD跟馳模型。并討論了MHVAD模型的穩(wěn)定性，同時分別從啟動過程、停止過程和演化過程三方面討論了MHVAD模型的動態(tài)性能，并與現(xiàn)有模型進行比較，結(jié)果表明MHVAD模型的性能較優(yōu)，從而為準(zhǔn)確的認(rèn)知交通流運行規(guī)律提供基礎(chǔ)。
　　 綜上所述，本文提出了面向服務(wù)的T-CPS基本架構(gòu)，系統(tǒng)討論了T-CPS中微觀認(rèn)知方法--跟馳模型的優(yōu)化速度函數(shù)