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原文传递面向T-CPS的微观交通认知方法及相关研究

论文题名：	面向T-CPS的微观交通认知方法及相关研究
关键词：	交通信息物理系统;认知方法;工作原理;服务功能;跟驰模型
摘要：	随着交通问题日趋严峻，如何以科学的方法准确认知交通现象，如何以先进的技术支撑交通系统的发展，以有效缓解交通拥堵、降低排放/能耗和提高行驶安全，是亟待解决的重要问题。目前，交通信息化与智能化已成为国际上交通系统现代化的主要发展方向，是当代科学技术前沿领域。而由于交通系统本质是非线性、强耦合、泛时空复杂系统，而传统交通系统的感知、计算、通信和控制等过程之间缺乏广泛的互联互通互操作，导致交通系统尚未实现充分的协调与优化。信息物理系统(Cyber Physical Systems，CPS)技术和交通流理论的出现，为上述问题的解决提供了新的途径。因此，在CPS的架构下，研究交通现象的认知方法及相关问题，具有重要的理论和实际意义。　　本文主要围绕面向交通信息物理系统(Transportation Cyber Physical Systems，T-CPS)的微观交通认知方法展开研究。具体内容包括：重点针对传统交通系统的感知、计算、通信和控制等过程之间缺乏广泛的互联互通互操作，提出T-CPS面向服务的基本架构。基于微观交通流理论，系统的讨论微观认知模型的优化速度函数、稳定性分析、非线性分析及零动态等关键问题，进而研究基于FVD认知模型的交通拥堵反馈控制。考虑T-CPS环境下综合交通信息对跟驰车辆行为的影响，提出一种基于多前车位置、速度差和加速度差信息(Multipie Headway，Velocity&Acceleration Difference，MHVAD)的跟驰模型，以准确客观的认知交通现象。理论分析和数值仿真均验证了MHVAD模型的有效性。　　论文的主要工作包括：　　 ①充分利用CPS中物理系统与信息系统之间的相互作用与反馈特点，提出包含感知、通信、计算、控制和服务五个层次的T-CPS基本架构。　　传统交通系统由于缺乏广泛的互联互通互操作，尚未实现充分的协调与优化。而CPS是通过集成3C(Computation，Communication，Control)技术将信息基元与物理元素融为一体，并基于信息系统和物理系统之间的相互作用与反馈，进而实现对物理系统的精确认知和有效控制的前沿技术。本文基于CPS概念并结合交通系统的特点，构建面向服务的T-CPS基本架构，诠释了相应层次的功能，讨论了T-CPS的特点及若干关键技术，为下一代智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)发展提供理论支撑。　　 ②针对交通现象认知的微观方法--跟驰模型，系统的讨论了跟驰模型的优化速度函数、稳定性分析、非线性分析及零动态等关键问题。　　交通流跟驰模型是T-CPS中从微观层面认知交通流状态变化的主要方法之一，一直以来广受学者的关注，现有的跟驰模型大部分均是基于OV模型扩展而来，而OV模型的核心就在于优化速度函数，因此掌握优化速度函数的特点对于研究基于跟驰模型的交通认知方法至关重要；　　在基于跟驰模型的交通认知研究中，模型的稳定性分析是一个重要内容。本文系统的讨论了跟驰模型的局部稳定和渐近稳定问题。此外，为了有效分析跟驰模型的稳定性问题，本文给出了一类二阶系统构造Lyapunov函数的引理，并予以严格证明。随后，据此讨论了交通流跟驰模型的Lyapunov稳定性问题；　　为了揭示交通系统的非线性特性，本文从两方面入手，一方面根据传统的方法，应用微小变量法来导出跟驰模型的mKdV方程；另一方面，引入零动态的概念，导出跟驰模型的零动态方程，这是跟驰模型研究中的一个新的尝试。　　 ③从反馈及系统控制的角度，研究基于跟驰模型的交通拥堵反馈控制问题。　　交通系统本质上是一个复杂的系统。根据物理学的基本规律可知，力是物体运动的原因，而加速度则是改变物体运动状态的原因。为了从系统和控制的角度来展开研究，本文通过设计加速度信息作为反馈信号，并基于FVD模型，讨论了基于跟驰模型的交通拥堵反馈控制问题，仿真结果表明了本方法的有效性。　　 ④考虑T-CPS环境下综合交通信息对跟驰车辆行为的影响，提出了MHVAD跟驰模型。　　为了更加准确的认知实际的交通现象，综合考虑前导车辆的数量、位置、速度差和加速度差等信息的共同影响，提出了MHVAD跟驰模型。并讨论了MHVAD模型的稳定性，同时分别从启动过程、停止过程和演化过程三方面讨论了MHVAD模型的动态性能，并与现有模型进行比较，结果表明MHVAD模型的性能较优，从而为准确的认知交通流运行规律提供基础。　　综上所述，本文提出了面向服务的T-CPS基本架构，系统讨论了T-CPS中微观认知方法--跟驰模型的优化速度函数、稳定性分析、非线性分析、零动态等关键问题，研究了基于跟驰模型的拥堵反馈控制问题，提出了一种基于多前车位置、速度差和加速度差信息(MHVAD)的跟驰模型，理论分析和仿真实验均验证了上述工作的有效性。
作者：	李永福
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：	2012
正文语种：	中文