T-CPS下近信號(hào)控制區(qū)多車協(xié)同的行駛一致性控制研究.pdf

1、在近信號(hào)控制區(qū)域，連續(xù)車流在動(dòng)態(tài)變化的信號(hào)燈影響下呈現(xiàn)出周期性的駛停，并極易造成燃油浪費(fèi)，甚至引起追尾碰撞等交通事故。因此，掌握車輛在近信號(hào)控制區(qū)行駛的內(nèi)在規(guī)律，并探索相應(yīng)的控制機(jī)制，對(duì)于提高通行效率和改善交通安全具有重要意義?，F(xiàn)有方法主要從輔助駕駛和自動(dòng)駕駛兩個(gè)角度展開(kāi)，分別研究了個(gè)體車輛以能耗或效率為目標(biāo)的速度引導(dǎo)算法和面向多車的集中式協(xié)同控制策略。
　　事實(shí)上，近信號(hào)控制區(qū)車輛行駛問(wèn)題，究其本質(zhì)是車車和車路協(xié)同問(wèn)題。因此，以

2、協(xié)同行駛為切入點(diǎn)將有助于更深入地揭示車輛在近信號(hào)控制區(qū)行駛的機(jī)制。同時(shí)，隨著信息化技術(shù)在近信號(hào)控制區(qū)的廣泛應(yīng)用使得車輛在這一區(qū)域的行駛過(guò)程具有典型的信息物理融合特征。為此，以信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)融合為突破口，充分發(fā)揮交通信息系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)交通物理系統(tǒng)的協(xié)同，這一途徑可望成為新環(huán)境下解決近信號(hào)控制區(qū)車輛協(xié)同行駛問(wèn)題的有效方法。
　　為此，本文從交通信息物理融合視角，以車車協(xié)同行駛一致性特征為突破點(diǎn)，圍繞近信號(hào)控制區(qū)車輛協(xié)同行駛控制方法

3、展開(kāi)研究。首先提出了車輛協(xié)同行駛一致性的定性和定量描述方法。其次，針對(duì)交通信息物理融合環(huán)境下部分車輛可控情形，研究了考慮行駛一致性的車車協(xié)同控制方法。再次，針對(duì)信號(hào)燈約束下的車輛協(xié)同行駛問(wèn)題，研究了單車行駛的優(yōu)化控制方法和考慮多后車行駛一致性的優(yōu)化控制方法。最后從交通信息物理融合視角研究了面向車路協(xié)同頭車的近信號(hào)控制區(qū)跟隨車協(xié)同行駛控制策略，并探索了集中式控制與分布式控制相結(jié)合的協(xié)同行駛系統(tǒng)的一致性分析方法。
　　本文完成的主要研

4、究工作包括：
　?、?gòu)膮f(xié)同行駛系統(tǒng)的本質(zhì)特征出發(fā)，提出了行駛一致性的定性和定量描述方法。
　　車車協(xié)同問(wèn)題是交通信息物理系統(tǒng)(Transportation Cyber Physical Systems,T-CPS)的研究熱點(diǎn)之一，一直以來(lái)廣受學(xué)者關(guān)注?，F(xiàn)有研究聚焦于協(xié)同策略的制定和協(xié)同系統(tǒng)的搭建等問(wèn)題，而協(xié)同行駛性能是協(xié)同策略和協(xié)同系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，因此建立合適的協(xié)同行駛評(píng)價(jià)方法至關(guān)重要。本文首先根據(jù)擾動(dòng)在協(xié)同行駛系統(tǒng)中的傳

5、播規(guī)律，研究了車輛協(xié)同行駛實(shí)現(xiàn)一致的定性條件。進(jìn)一步針對(duì)協(xié)同行駛系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，基于車速差和車頭距等建立了協(xié)同行駛一致性的定量描述方法。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析了所提行駛一致性與宏觀交通流之間的關(guān)系。
　?、诳紤]路段中部分車輛可控情形，提出了交通信息物理融合環(huán)境下考慮行駛一致性的協(xié)同行駛優(yōu)化控制方法。
　　針對(duì)車輛控制難度大和成本高的問(wèn)題，本文首先建立了基于動(dòng)態(tài)限速控制的車輛控制架構(gòu)，借助交通信息物理融合環(huán)境下鄰近車輛的狀態(tài)信息

6、和①中的行駛一致性度量方法構(gòu)建了協(xié)同行駛優(yōu)化目標(biāo)，并利用車輛對(duì)動(dòng)態(tài)限速的響應(yīng)模型構(gòu)建了基于非線性模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化控制方法。最后分析了路段部分車輛可控和路網(wǎng)中部分路段可引導(dǎo)情形下的協(xié)同行駛系統(tǒng)性能，仿真結(jié)果證明了所提方法的有效性。
　?、劭紤]動(dòng)態(tài)變化的信號(hào)燈對(duì)協(xié)同行駛的約束，建立了近信號(hào)控制區(qū)車車-車路協(xié)同行駛優(yōu)化控制方法。
　　在工作②的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)存在信號(hào)燈約束下的協(xié)同行駛問(wèn)題，首先建立了近信號(hào)控制區(qū)車輛協(xié)同行駛模型

7、，并分析了信號(hào)燈信息對(duì)車輛協(xié)同行駛系統(tǒng)的影響，分析發(fā)現(xiàn)信號(hào)燈切換過(guò)程對(duì)行駛一致性影響較大。其次，從交通信息物理融合視角，以單車的行駛一致性為目標(biāo)建立了優(yōu)化控制方法。進(jìn)一步，考慮部分車輛可控情形，研究了考慮多后車行駛一致性的協(xié)同控制方法。最后借助仿真實(shí)驗(yàn)證明了本文方法的有效性和優(yōu)越性。
　?、苊嫦蜍嚶穮f(xié)同頭車，從交通信息物理融合視角提出了近信號(hào)控制區(qū)跟隨車協(xié)同控制方法。
　　在工作③的研究基礎(chǔ)上，將近信號(hào)控制區(qū)車輛協(xié)同行駛系統(tǒng)

8、構(gòu)建為分布式控制與集中控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)。領(lǐng)頭車采用③的優(yōu)化控制方法，針對(duì)跟隨車的協(xié)同控制問(wèn)題，首先借助交通信息物理系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，建立了考慮鄰車控制信息的跟隨車一致性控制策略。并分析了通信時(shí)延對(duì)協(xié)同行駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一致性的影響。此外，針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在動(dòng)態(tài)變化問(wèn)題，應(yīng)用Lyapunov穩(wěn)定性理論和線性矩陣不等式技術(shù)研究了協(xié)同行駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一致性的條件，仿真結(jié)果證明了所提方法的有效性和理論分析的正確性。
　　綜上所述，本文深入研究了交通