图上混杂自动机建模与控制及稳定性分析-面向交通网络的研究

Motivated by two kinds of typical problems （signal network control, vehicle platoon cooperation control）in traffic network,merging graph theory with hybrid automata to describe complex dynamical systems over network or with spatially distributed construction,the project proposes a model called Hybrid Automata over Graph (HAoG for short). The study focuses on the stability analysis and stabilization control design for some typical cases of HAoG model,and the applicaion to the typical traffic problems. The main work includes: 1) Definition of Hybrid Automata over Graph，its characteristic and classification; 2) Stability analysis for some special cases of HAoG; 3) Stabilization control design for some special cases of HAoG; 4) HAoG-based modelling,stabilization control and stability analysis of traffic signal network; 5) HAoG-based modelling,stabilization control and stability analysis of vehicles platoon.. The theoretic significance of the research consists of developing hybrid automata theory to describe the systems on network or with spatially distributed construction,setting up a theoretic framework of Hybrid Automata over Graph, and trying hard to obtain valuable stability criteria and stabilization control strategies. Practical applications of the HAoG model in traffic network will blaze a new path to study these typical traffic problems, and try hard to solve some key issues.

以交通网络中的两类典型问题（信号网络控制、车辆编队协同控制）为背景，将图论与混杂自动机相结合提出图上混杂自动机(简称为HAoG)模型来描述网络或空间分布复杂动态系统，研究该模型典型特例的稳定性判据与镇定控制设计策略，并探讨在上述典型交通问题中的应用。主要研究内容有：1）图上混杂自动机定义、特点分析与分类；2）特殊类型图上混杂自动机的稳定性分析；3）特殊类型图上混杂自动机镇定控制设计；4）交通信号网络的图上混杂自动机建模、镇定控制设计及稳定性分析；5）车辆编队问题的图上混杂自动机建模、稳定性分析与镇定控制设计。.研究意义在于：理论上，借助图论工具拓展混杂自动机理论到网络或空间分布动态系统，建立图上混杂自动机的理论框架，给出易检验的稳定性判据和镇定控制设计策略；应用上，为交通网络中的典型问题提供新的研究途径，力图在新的框架下解决其中一些关键问题。

以两类典型的交通网络问题（交通信号网络、车联网络）为背景，将图论与混杂自动机相结合提出动态图混杂自动机(简称为DGHA)模型来描述网络或空间分布复杂动态系统，研究该模型典型特例的稳定性判据与镇定控制设计策略，研究多智能体系统的一致性，并探讨在上述典型交通问题中的应用。. 主要研究内容有：1）动态图混杂自动机的定义与特点分析；2）特殊类型动态图混杂自动机的稳定性分析与镇定控制设计；3）多智能体系统的一致性协议设计与收敛性分析；4）交通信号网络的动态图混杂自动机建模、镇定控制设计及稳定性分析；5）车辆编队问题的多智能体系统建模与协作协议设计及稳定性分析；6）仿真与实验平台设计与实验分析。 . 取得的重要结果及其科学意义：1）提出了动态图混杂自动机模型，并采用该模型框架对宏观交通流网络和微观车联网络进行了建模。科学意义在于，动态图混杂自动机模型具有非常一般的结构，可用于描述一大类复杂网络或多智能体系统，具有非常广泛的应用前景。在两类交通网络中的应用，为宏观和微观交通问题研究提供了基本的模型基础。2）给出了某些特殊类型动态图混杂自动机模型的稳定性条件，特别是关于部分稳定性的新结果，为一致性问题的研究奠定了基础。3）开展了多智能体系统的一致性问题研究，提出了基于线性变换的部分变元稳定性方法，在一般框架下给出了一系列新的一致性协议设计和收敛性判据。4）研究了宏观交通流信号网络控制的稳定性和镇定控制，以及基于一致性理论的控制，为网络化的交通信号控制提供了新思路。5）提出了基于多智能体系统一致性的智能车辆编队协议。6）采用Modelica 语言开发了交通信息物理系统建模仿真程序库, 并开发了基于动态图混杂系统的宏观交通仿真软件。开发了微观车路协同仿真系统。搭建了用于车辆编队的智能小车实验平台，并开展了车辆编队的实验研究。