智能网联环境下匀质车辆交通流的建模与队列协同控制研究

In the field of automobile, the tendency of integration of connected vehicle (CV) and autonomous vehicle (AV) will lead the development of the next generation of automobile. This project focuses on the modeling and cooperative platoon control for homogeneous connected autonomous vehicular traffic flow. In particular, a new traffic flow will be developed by considering the effects of vehicle states and dynamics as well as the road geometry characteristics based on the description of the V2X communication topologies between connected autonomous vehicles (CAVs). And the steady-state and dynamic performance of the proposed model will be analyzed using the perturbation method and the reductive perturbation method, respectively. Then, based on the proposed traffic flow model, a consensus-based control protocol will be designed by considering the effects of different initial states, communication topologies and delays in order to systematically study the forming, merging and diverging of single vehicle platoon. In addition, a group consensus-based cooperative control protocol will be further proposed by considering the local consensus of vehicle states for the intra-platoon and group consensus of vehicle states for the inter-platoon such as to address the issue of multi-platoon cooperation. Finally, simulations and experiments will be performed to verify the effectiveness of the proposed control protocols based on the developed vehicle formation experimental platform and V2X communication devices. The findings of this project will provide insights for scientific decision-making for the future connected and autonomous transportation systems from both the theoretical and experimental perspectives.

从全球范围看，汽车领域的两大前沿技术“智能化”和“网联化”呈现融合趋势，智能网联汽车技术将引领未来汽车的新一轮发展。本项目将对智能网联环境下交通流的建模和队列协同控制进行系统性的研究。具体而言，首先，通过表征V2X通信拓扑结构，综合考虑车辆状态和动力学以及道路结构信息，建立交通流模型，研究模型的稳态和动态性能；其次，应用该模型描述车辆的运动规律，借鉴Leader-Follower方法，考虑不同初始状态、不同通信拓扑类型和通信延时的影响，设计基于一致性的控制协议，研究单个车辆队列的形成、入队和出队的综合控制；在此基础上，同时考虑队列中车辆状态的局部一致性和队列间车辆状态的群一致性，设计基于群一致性的分层协同控制协议，研究多个车辆队列的协同控制；最后，分别应用前期开发的车辆编队实验平台和V2X通信设备，对上述控制算法进行验证，以期为未来智能网联车辆交通系统的规模化发展和决策提供理论和实验依据。

汽车领域的两大前沿技术“智能化”和“网联化”呈现融合趋势，智能网联汽车技术将引领未来汽车的新一轮发展。本项目对智能网联环境下交通流的建模和队列协同控制进行了系统性的研究，取得了一系列研究成果，简要介绍如下。.1、智能网联环境下交通流建模：项目组提出考虑V2X通信传播机制、通信拓扑切换以及通信延时的智能网联车辆交通流模型以及建立综合考虑车辆状态信息和动力学信息以及道路结构信息影响的智能网联车辆交通流模型；.2、基于一致性的单个车辆队列控制研究：项目组项目组基于Leader-Follower方法提出了考虑车辆间耦合作用的车辆队列非线性控制算法，该算法保证了队列中车辆状态的一致性。同时，综合考虑车辆状态信息和真实V2X通信环境下的消息冲突，提出一种基于一致性的非线性智能网联车辆队列形成、汇入和汇出的综合控制方法。所提控制方法能够保证车辆队列出队入队的稳定性。进一步，项目组综合考虑车辆状态信息和车辆间耦合特性，提出了一种非线性智能网联车辆队列控制方法。最后，基于积分滑模控制方法，设计了考虑车辆间耦合作用的车辆队列自适应滑模控制算法，保证队列中的车辆位置和速度的一致性。.3、基于群一致性的多个车辆队列控制研究：项目组提出了保证单个车辆队列串稳定性和多个车辆队列串稳定性的车辆队列横纵向控制方法。针对所提出的控制方法，研究了其协同控制系统的稳定性和一致性，并验证了所提控制方法在单队列和多个队列上的有效性。.4、基于TransModeler软件的仿真验证和基于V2X通信设备的实验验证：在仿真验证方面：基于TransModeler专业交通仿真软件，通过TsmAPI二次开发实验平台并加载车辆协同编队控制算法，用以实现车辆编队仿真并验证相关控制算法的有效性。在实验验证方面：应用基于DSRC技术的V2X通信设备，在重庆市机动车强检试验场开展网联车辆队列控制实验，验证控制算法的有效性。.项目按照计划书要求执行，完成了计划书所列研究内容，达到了预期指标。在本项目的支持下，项目组在国内外知名学术期刊与会议上发表论文46篇，其中SCI论文16篇，中文期刊4篇；申请国家发明专利8项，其中授权发明专利2项。项目负责人及其成员参与了包括IFAC、RCAR以及CAC在内的国际学术会议，并与国际同行围绕智能网联环境下匀质车辆交通流的建模与队列协同控制展开了深入讨论，项目组的研究工作得到了广泛的认可。