節奏式交通控制——概念原理、性能分析與設計方法

"林犀，美國密歇根大學博士，研究方向聚焦於在智慧交通管理、自動駕駛系統、人工智能應用等領域，在交通與管理方向的國際旗艦期刊上發表學術文章近70篇，引用量約3000次，出版學術專著一部。其主導提出並完善的“自動駕駛的節奏式控制”在交通領域**期刊《交通科學》以連載的形式發表，並被遴選為封面文章。何方，現任清華大學工業工程系科研副系主任，清華大學-中國遠洋海運集團綠色數智供應鏈研究院執行副院長，工業工程系長聘副教授、博士生導師，中組部“萬人計劃”青年拔尖人才。發表高水平SCI期刊論文60余篇，連續六年被評為中國高被引學者。科研成果成功應用於中國遠洋海運集團、高德打車、北京冬奧會、武漢電網等重點行業和領域。以第一完成人獲得省部級科技進步獎1項。擔任交通運輸領域**學術期刊《Transportation Science》副主編、《Transportation Research Part B》的編輯、《Transportation Research Part C》的編委。獲評清華大學優秀博士/碩士論文指導教師、清華大學林楓輔導員獎（教師身份）。培養的多名博士生在985/211高校擔任教職。李萌，清華大學長聘教授，博士生導師，國家傑出青年科學基金獲得者。現任清華大學土木水利學院副院長，清華-奔馳可持續交通研究院院長，智能綠色汽車與交通全國重點實驗室智能交通學術帶頭人。發表國際學術論文150余篇，發明專利授權45項，制定行業標準3部。主持國家自然基金傑青課題、優青課題、面上課題等，牽頭國家重點研發計劃項目2項。獲得國家科學技術進步二等獎1項，以及多項省部級科技特等獎、一等獎。擔任WTC應急交通控制技術委員會主席、世界交通研究學會WCTR理事，以及Journal of ITS執行編輯、IEEE Journal of ITS、Smart and Resilient Transportation期刊副主編等。陳湘冬，清華大學土木工程系博士，新加坡國立大學研究員，研究領域包括智能交通控制、交通流建模與優化及多模式交通。在Transportation Science和Transportation Research Part系列等**期刊發表二十余篇論文，多次獲得國際會議**論文獎，並受邀在重要國際學術會議上報告研究成果，參與多國科研合作項目。"

目錄

第1章 緒論 1

1.1 交通的整合化演進 1

1.1.1 整合化背後的普遍邏輯 1

1.1.2 交通行業的發展以及整合化進程 3

1.2 未來交通整合化的基礎技術支撐：交通網聯與自動駕駛 6

1.2.1 交通網聯技術 6

1.2.2 自動駕駛技術 7

1.2.3 兩種技術的結合對於交通整合化的意義 9

1.3 整合化所需的交通控制層面的革新 9

1.4 本書特點以及整體內容安排 12

第2章 節奏式控制的核心理念 15

2.1 交通的節奏 15

2.2 路口節奏式控制 16

2.3 網絡節奏式控制 19

2.4 節奏式控制與現有交通控制的概念對比 22

2.4.1 路口層面：與信號燈控制的對比 22

2.4.2 路口層面：與預約式控制的對比 23

2.4.3 路網層面：與信號燈協同控制的對比 24

2.4.4 路網層面：與區域周界控制的對比 25

2.4.5 簡單小結 26

第一部分 路口節奏式控制

第3章 路口節奏式控制：基礎設計與分析 29

3.1 基本設定與符號 29

3.2 節奏設計 31

3.2.1 設計方案 31

3.2.2 基礎設計的動機 33

3.3 控制效果的理論分析與仿真對比 35

3.3.1 理論結果 35

3.3.2 仿真對比 39

3.3.3 基礎設計的局限性 43

3.4 應急處理機制 44

3.4.1 車輛軌跡偏移 44

3.4.2 虛擬廂關閉 46

3.5 一種圖染色理論的解釋 47

3.6 本章數學證明 49

3.6.1 命題3-1的證明 49

3.6.2 命題3-2的證明 52

3.6.3 命題3-4的證明 54

3.6.4 命題3-5的證明 55

第4章 路口節奏式控制：進階設計與分析 56

4.1 進階設計的基本考慮 56

4.1.1 控制節奏與車道幾何的協同設計 56

4.1.2 差異化控制周期 60

4.1.3 多車虛擬廂 61

4.2 進階控制設計 62

4.2.1 控制效果的理論指標 63

4.2.2 數學規劃模型 66

4.2.3 控制設計流程 69

4.3 數值驗證與討論 71

4.3.1 進階設計數值結果 71

4.3.2 進階設計仿真對比 72

4.3.3 有關控制效果的討論 73

4.4 考慮需求預測的變節奏控制設計 75

4.4.1 變節奏控制設計思路 75

4.4.2 變節奏控制設計數學模型 77

4.5 本章數學證明 80

第5章 非傳統路口形態與近似最優控制 84

5.1 路口車道拓撲的重構 84

5.2 近似最優的節奏式控制 87

5.2.1 基本設定與符號 87

5.2.2 近似最優性分析 89

5.3 給定需求下的控制設計 91

5.3.1 第一階段：控制周期與虛擬廂編組的設計 92

5.3.2 第二階段：沖突點位置與虛擬廂節奏的設計 94

5.4 數值算例與仿真對比 98

5.4.1 紐結形路口設計展示 98

5.4.2 仿真對比 101

5.5 其他平面交叉路口的相關設計 103

5.5.1 丁字路口 103

5.5.2 單向、雙向道路交叉的廣義路口 105

5.6 路口節奏式控制的簡單總結 107

5.7 本章數學證明 109

5.7.1 命題5-1的證明 109

5.7.2 命題5-3的第一個結論的證明 111

5.7.3 命題5-4以及命題5-5的第二個結論的證明 111

5.7.4 命題5-6以及命題5-7的證明 112

第二部分 路網節奏式控制

第6章 路網節奏式控制：方格狀單行道網絡 115

6.1 路網節奏式控制的概念架構 115

6.1.1 啟發案例 115

6.1.2 基本概念與執行架構 118

6.2 方格狀單行道網絡的節奏 121

6.2.1 方格狀單行道網絡 121

6.2.2 控制節奏與系統延誤 124

6.3 實時行程規劃 127

6.3.1 基於預設概率的隨機方法 128

6.3.2 分布式貪心規劃方法 129

6.3.3 基於整數規劃的方法 130

6.3.4 啟發式方法 134

6.4 仿真測試與結果討論 136

6.4.1 節奏設計測試 136

6.4.2 仿真對比測試 138

6.5 應對異質交通場景的概念拓展 142

6.5.1 需求空間分布異質性 142

6.5.2 車速異質性 143

6.5.3 社會車輛/公交車混合流 145

6.5.4 特殊交通任務 147

6.6 本章數學證明 147

第7章 路網節奏式控制：一般網絡中的分析與設計 150

7.1 單行道路網中的通行能力分析 150

7.1.1 基本設定、定義及符號 150

7.1.2 節奏式控制在單行道路網的通行能力 154

7.1.3 具備“策略性停車”功能的節奏式控制的通行能力 156

7.2 單行道路網中的節奏設計 159

7.2.1 節奏設計數學模型 160

7.2.2 系統延誤的理論上界 163

7.3 雙向路路網中的通行能力分析 164

7.3.1 基本設定 164

7.3.2 節奏式控制在雙向路路網中的通行能力 166

7.4 雙向路路網中的節奏設計 169

7.4.1 上層設計：需求分配及虛擬廂編組 169

7.4.2 下層設計：全網節奏協調 171

7.4.3 局部設計：路口內部的細節填充 175

7.5 仿真測試與討論 177

7.5.1 單行道路網中的仿真結果 178

7.5.2 雙向路路網中的仿真結果 181

7.5.3 本章內容的總結性討論 182

7.6 本章數學證明 183

7.6.1 引理7-2的證明 183

7.6.2 命題7-1的證明 184

7.6.3 命題7-3的證明 185

7.6.4 命題7-4的證明 191

7.6.5 命題7-5的證明 192

7.6.6 命題7-7的證明 193

7.6.7 命題7-9的證明 195

7.6.8 命題7-10的證明 200

第8章 密鋪網格中的節奏式控制 204

8.1 基於密鋪網格的網聯自動化交通系統 204

8.2 密鋪網格中控制節奏的性質 206

8.2.1 基本設定 206

8.2.2 完全節奏 207

8.2.3 空間利用不充分的節奏 210

8.2.4 時間利用不充分的節奏 210

8.2.5 非全速的節奏 212

8.3 案例研究：貨架搬運 215

8.4 案例研究：分揀場景 223

8.5 仿真算例 227

8.5.1 不同節奏設計的效果對比 227

8.5.2 貨架搬運場景的仿真 229

8.5.3 分揀場景的仿真 231

8.6 本章數學證明 232

8.6.1 命題8-3的證明 232

8.6.2 命題8-7的證明 233

第9章 路網節奏式控制的抗幹擾方案 235

9.1 節奏式控制中的隨機擾動及相應的對抗策略 235

9.2 基礎抗幹擾方案及其分析 237

9.2.1 基本設定 237

9.2.2 基礎抗幹擾方案 239

9.2.3 簡單拓展：考慮路段行程時間上限 246

9.2.4 基礎抗幹擾方案的整體效果分析 247

9.3 進階抗幹擾方案 254

9.3.1 混合節奏恢復方案 255

9.3.2 時空通道重分配方案 259

9.4 數值及仿真算例 262

9.4.1 玩具網絡中的數值算例 262

9.4.2 方格狀路網中的節奏恢復能力評估 266

9.4.3 仿真實驗 268

9.5 本章數學證明 272

9.5.1 命題9-2的證明 272

9.5.2 命題9-3的證明 273

9.5.3 命題9-4的證明 273

9.5.4 命題9-5的證明 275

9.5.5 命題9-6的證明 275

9.5.6 命題9-7的證明 276

9.5.7 命題9-8的證明 276

9.5.8 命題9-9的證明 277

第10章 非全自動駕駛環境下的類節奏式控制 278

10.1 類節奏式控制的基本概念與框架 278

10.2 “節奏”設計：信號控制的網絡級協調 281

10.2.1 上層設計：需求分配與虛擬廂編組 282

10.2.2 下層設計：全網節奏協調 285

10.3 路網準入控制機制 288

10.3.1 入口信號燈決策模型 289

10.3.2 交通演化預測模型 293

10.3.3 路網通行能力的探討 295

10.4 車輛軟性駕駛引導 298

10.5 仿真算例 304

10.6 本章數學證明 306

10.6.1 引理10-1 的證明 306

10.6.2 命題10-1 的證明 308

10.6.3 命題10-2 的證明 309

第三部分 節奏式控制下的交通均衡與出行管理

第11章 網絡交通均衡：傳統建模與分析 315

11.1 網絡交通均衡的基本概念 315

11.2 靜態網絡交通均衡 317

11.2.1 基礎均衡模型 318

11.2.2 帶路段通行能力約束的均衡模型 320

11.3 動態網絡交通均衡 325

11.3.1 動態交通均衡的基本理論與方法 325

11.3.2 特例：交通瓶頸模型 328

11.4 基於均衡的出行管理 331

11.4.1 靜態交通均衡下的擁堵收費 332

11.4.2 動態交通均衡下的擁堵收費 333

11.4.3 部分其他的出行管理策略 335

第12章 節奏式控制下的網絡交通均衡 337

12.1 節奏式控制與時空通道競爭 337

12.2 Wardrop均衡 339

12.2.1 均衡建模的基礎設定 339

12.2.2 Wardrop均衡條件 340

12.2.3 出行者建模設定的討論：連續統、有限聚合和原子化出行者 341

12.2.4 Wardrop均衡的等價數學形式 343

12.2.5 Wardrop均衡的不穩定性 346

12.3 穩定均衡 347

12.3.1 穩定均衡的定義與基本性質 347

12.3.2 穩定均衡的等價數學形式及一些進階的性質 349

12.3.3 求解特殊的穩定均衡 355

12.4 算例與仿真 358

12.4.1 玩具路網案例 358

12.4.2 大規模路網案例 361

12.4.3 與信號控制的對比 363

12.5 本章數學證明 365

12.5.1 命題12-1 的證明 365

12.5.2 命題12-2 的證明 366

12.5.3 命題12-8 的證明 367

12.5.4 引理12-1 的證明 367

12.5.5 命題12-10 的證明 368

第13章 節奏式控制下的出行管理 370

13.1 節奏式控制下的出行管理機制：時空通道的限定策略 370

13.2 最優時空通道限定：虛擬廂時空網絡的一對一劃分 373

13.2.1 基本設定與概念闡釋 373

13.2.2 策略模型及性質 375

13.3 周期性的時空通道限定與子網絡一對一劃分 379

13.3.1 設定闡釋 379

13.3.2 周期性一對一方案的設計 381

13.3.3 策略管理效果的分析 383

13.4 更加靈活的時空通道限定：虛擬廂時空網絡的混合劃分 388

13.4.1 混合劃分與限定策略的表述 389

13.4.2 混合劃分與限定策略的設計 391

13.4.3 策略性停車在混合劃分與限定中可以發揮的作用 393

13.5 數值算例 395

13.5.1 不同劃分與限定策略之間的對比 395

13.5.2 早高峰型需求下的劃分與限定策略效果測試 396

13.5.3 散布型需求下的劃分與限定策略效果測試 398

13.6 本章數學證明 399

13.6.1 命題13-2 的證明 399

13.6.2 命題13-3 的證明 399

13.6.3 命題13-4 的證明 401

13.6.4 命題13-5 的證明 402

13.6.5 命題13-7 的證明 403

13.6.6 命題13-9 的證明 405

第14章 結語 407

14.1 概念 407

14.2 性質 408

14.3 拓展分析 409

14.4 未來展望 409

參考文獻 412