复杂交通环境下的交通流建模与控制研究

作     者：张力 

作者单位：重庆邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李永福

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 082303[工学-交通运输规划与管理] 082302[工学-交通信息工程及控制] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：交通流模型 交通环境 V2V/V2I通信 稳定性分析 延时反馈控制 

摘      要：随着社会经济的高速发展,车辆保有量呈现爆发式增长,导致交通拥堵已引起了社会的广泛关注。缓解交通拥堵问题的一个有效途径是基于交通流认知模型制定科学的交通管理政策。因此,如何对交通流进行准确的认知,进而为制定科学的交通管理政策提供理论依据是目前亟待解决的关键问题。近年来,V2V/V2I(Vehicleto-Vehicle/Vehicle-to-Infrastructure)通信等车联网技术的出现,为全面感知车辆信息和准确认知交通流行为演变提供了先进的技术手段。因此,借助于车联网等先进技术手段,研究复杂交通环境下的交通流建模与控制,对缓解交通拥堵具有重要的理论价值与现实意义。在此背景下,本文旨在以微宏观并举的方式认知复杂交通环境(非结构化道路及V2V/V2I通信环境)下的交通流行为演变规律,并据此制定适宜的控制策略,以实现对交通流的准确认知和有效控制。具体来讲,一方面,在微观层面,通过考虑复杂交通环境的影响,建立相应的微观交通流模型,并对其进行稳态和动态特性分析,以实现对交通流现象的准确认知;另一方面,在宏观层面,提出基于交通流格子模型的延时反馈控制策略,使交通流平稳的运行,以提高道路通行效率。论文的主要工作包括。(1)针对非结构化道路环境,提出了考虑双边侧隙影响的微观交通流模型,并研究了不同侧隙分布对车辆能耗的影响考虑实际交通中的车道线不清晰或无车道线的非结构化道路环境,通过定义变量,以表征跟驰车辆与左右两侧前导车辆之间的侧向间距,将基于车道线的交通流情形扩展至无车道线情形,从而提出了考虑双边侧隙影响的跟驰模型(Two-sided Full Velocity Difference,TSFVD)。进而,运用微小扰动法对TSFVD模型进行稳定性分析,得出该模型的稳定性条件。理论分析和仿真结果表明:与现有模型相比,TSFVD模型具有较优的稳态性能和动态性能。进一步地,提出包含能量损耗和能量回馈的电动车能耗模型,以车辆速度和加速度为纽带,建立电动车能耗模型与交通流模型之间的关联关系,进而从系统层面展开了对无侧隙、单边侧隙以及双边侧隙影响的电动车交通流能耗评估。仿真结果表明:非结构化道路环境下侧隙因素将增加电动车交通流的能量损耗。(2)针对V2V通信环境,提出了考虑车辆动力学信息的微观交通流模型整体交通流行为演变是单个车辆运动状态变化的集中体现,而整体交通流的行为演变也将影响单个车辆的运动状态。为了探明车辆运动的内在因素与外部状态之间的关联关系,鉴于V2V通信环境下车车之间可交互多元信息的特点,在考虑车辆运动状态信息(如速度和位置等)的基础上,进一步引入车辆动力学信息(如电子节气门开度等),提出了V2V通信环境下考虑电子节气门开度信息的跟驰模型(Throttlebased FVD,T-FVD)。此外,运用微小扰动法对T-FVD模型进行稳定性分析,得出该模型的稳定性条件。理论分析与仿真结果表明:与现有模型相比,T-FVD模型具有较优的稳态性能和动态性能。(3)针对V2I通信环境,提出了综合考虑侧隙与路侧设备双重影响的微观交通流模型考虑到V2I通信环境下的路侧设备可收集并共享其通信范围内的车辆运动状态信息及道路结构信息,从而影响单个车辆的驾驶行为,进而影响整体交通流的行为演变。为了探明路侧设备对非结构道路环境下的交通流行为演变的影响,通过定义变量,以表征跟驰车辆与前导车辆的侧向间距以及跟驰车辆与路侧设备的间距,并引入车路通信信号强度以及车路通信成功率,从而提出了V2I通信环境下考虑侧隙影响的跟驰模型(Non-lane-discipline-roadside-based car-following model,NLDR)。并运用微小扰动法对NLDR模型进行稳定性分析,得出该模型的稳定性条件。理论分析与仿真结果表明:与现有模型相比,NLDR模型具有较优的稳态性能和动态性能。此外,以能耗为评价指标,通过对比分析可得出结论:在非结构化道路环境下,V2I通信将有助于减少电动车交通流的能量损耗。(4)基于宏观交通流格子模型,提出了考虑密度变化率影响的交通流延时反馈控制策略上述的(1)(2)(3)旨在建立复杂交通环境下的交通流模型,以揭示交通流的行为演变规律及其固有特性,从而为缓解交通拥堵和降低能耗提供理论基础。考虑到交通流的向后传播以及延时等特性,基于兼顾微宏观交通流特征的交通流格子模型,以前后格子间密度变化率的差值信息作为反馈信号,提出了交通流的延时反馈控制策略。进而,运用小增益原理对系统进行稳定性分析,得到系统的稳定性条件。仿真结果表明:针对单一密度扰动与多重密度扰动情形,上述控制策略均能有效的抑制扰动的传播,使交通流得以稳定和平滑的运行,以缓解交通拥堵。