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原文传递面向道路通行效率提升的T-CPS车路协同建模及控制研究

论文题名：	面向道路通行效率提升的T-CPS车路协同建模及控制研究
关键词：	道路交通;车路协同;动力学建模;故障容错控制;交通信息物理系统;通行效率
摘要：	交通拥堵问题日益严峻，极大制约了道路交通运行效率。事实上，车辆运行效率在一定程度上可以归结为车路协同和交通演化问题。因此，以车路协同行驶建模与控制为切入点有助于更深入地研究交通效率提升的内在机制。借助新兴的信息和控制技术，以信息系统与物理系统深度融合为技术手段，充分利用交通信息系统对交通物理系统的刻画与指导作用，可实现交通信息系统和交通物理系统的交互循环反馈，有望为解决交通效率提升问题提供新的视角和有效方法。　　论文从交通信息物理系统(T-CPS)视角出发，以应用于高速道路、快速路、城市道路的典型车路协同行驶问题为突破点，围绕道路通行效率提升的交通建模和控制策略展开研究。针对高速道路的自主车辆队列行驶系统，研究T-CPS车辆动力学建模和考虑故障容错控制的自主车辆队列控制策略；针对快速路的车车协同跟驰系统，研究考虑连续历史速度差信息的车车协同跟驰模型；针对城市道路的近信号控制区车路协同控制问题，研究基于模型预测控制的车路协同可变限速控制策略；　　论文的研究工作主要从以下三个方面展开：　　①针对高速道路，研究自主车辆队列行驶下的车路协同的运行机制和控制策略。从交通信息物理融合角度出发，建立考虑车辆信息物理因素的T-CPS车辆动力学模型。利用该模型组建自主车辆队列，并设计自主车辆队列行驶的跟随车辆模糊PI控制器。考虑车辆故障因素对车辆队列行驶的影响，设计了自主队列行驶车辆的故障容错控制策略。通过仿真实验，验证了该T-CPS车辆动力学模型可以非常便利的再现车辆出现故障后内外部运行规律；同时基于该模型设计的自主队列故障容错控制策略，在遇到车辆故障情况时，还具备很好的故障抑制能力，保证队列稳定行驶。在保障车辆队列安全的情况下，可以缩短队列中车辆的跟车距离，提升道路通行效率。　　②针对快速路，研究连续历史速度差信息对车车协同跟驰行驶的影响机理。从T-CPS视角出发，提出了一种考虑车辆连续历史速度差信息的车车协同跟驰模型，通过对模型进行线性稳定性分析，推导出模型的车流稳定条件。此外，通过在平衡点附近对模型进行非线性分析，获得了基于mKdV方程描述的车流动态演化行为规律，并开展了仿真实验。通过理论分析和仿真实验，发现增加考虑连续历史速度差信息的时间长度，可以扩大灵敏度空间的稳定区域，考虑历史速度差信息越长，道路交通流稳定性越好。　　③针对城市道路，研究近信号控制区车路协同可变限速控制策略；从T-CPS视角，引入近信号控制区车路协同智能驾驶模型。通过充分考虑车路信息集和车辆动力学约束，采用非线性模型预测控制技术设计了可变限速控制策略，实现了近信号控制区车辆的动态车速引导。通过仿真实验，验证了该控制策略在高交通流量密度下，可提升信号近控制区的道路车流量；并结合实测通信性能参数，开展了仿真实验，仿真实验结果表明延长无线通信距离可增加燃油经济性，在低交通密度和高交通密度情况下可提高道路通行效率。
作者：	杨良义
专业：	控制理论与控制工程
导师：	孙棣华
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文