协同驾驶信息物理系统的可信分析研究

【摘要】：随着V2X技术的发展,信息种类不断增多,感知范围不断扩大;同时车流密度的增大增进了车辆间的相互作用关系,使得车辆间通过信息进行交互进而实现协同驾驶成为可能。然而协同驾驶的效果仍会受到各种繁杂因素的影响。因此,分析和评估这些繁杂因素的影响是提高协同性能的基础性工作,值得深入研究。协同驾驶是在离散信息因素影响下的连续物理过程,具有信息物理系统(CPS)的典型特征。一般情况下,协同过程达不到预期的效果,会受诸多因素的影响,如基于V2X技术获取的多源异构的协同驾驶时空信息在采集、传输和处理过程中存在数据不同步、离群点、传输时延、错误和冗余等不可靠因素,导致协同信息不可靠;车与车之间的交互过程因各种不可信行为,如欺骗、拒绝服务等,导致交互失败。这些不可靠因素和交互不可信行为会严重影响协同驾驶系统的安全和效率。现有对这些不可靠因素和不可信行为分析和评估的研究中,或侧重于从物理系统的角度分析,或侧重于从信息系统的角度分析,亦或对单一影响因素进行分析,研究的整体性差,缺乏综合性的分析指标。基于上述背景,本文以可信分析作为研究上述繁杂不可靠因素和交互不可信行为的一个综合性属性,围绕协同驾驶信息物理系统的可信问题,建立了CPS的体系架构,构建了交通信息物理系统(T-CPS)的刻画方法,为分析协同驾驶信息物理融合机理和研究协同驾驶信息物理系统的可信问题提供了一种新的视角。在此基础上,以信息物理深度融合为切入点,在协同驾驶信息物理系统的信息可靠性分析中,重点研究了信息源、信息传输以及信息处理中的一些可靠性提升方法和优化机制;在协同驾驶信息物理系统的交互可信性分析中,重点研究了车与车之间信任关系刻画、车与车交互可信度评估以及整个系统的可信传递机制。本文旨在通过提高协同驾驶信息物理系统的信息可靠性和交互的可信性来提升协同驾驶物理系统的安全和效率。具体而言,论文研究工作主要包括以下几个方面:(1)为描述CPS中离散信息系统和连续物理系统交互融合的混成特性,建立了一种离散连续混成的时空事件驱动的CPS体系架构。建立的CPS体系架构用改进的混成自动机理论刻画了离散空间和连续状态混成的CPS体系架构的主体,同时定义了基于时空事件的CPS事件,设计了基于多智能体系统(MAS)的CPS端,并运用定义的不同功能CPS端和CPS事件驱动机制解析了CPS内部信息物理融合过程。最后对协同驾驶系统中单一车辆速度控制信息物理系统进行了形式化描述。(2)为解决T-CPS本质特征难以刻画以及在刻画过程中极易产生的状态空间爆炸等问题,构建了一种基于着色时空Petri网(CSTPN)的T-CPS刻画方法。构建的T-CPS刻画方法通过着色令牌集抽象和标记交通物理实体以解决状态空间爆炸问题,设计了一种CSTPN来刻画和分析T-CPS并基于CSTPN刻画的T-CPS对交叉口协同控制系统进行了形式化描述。在此基础上,给出了协同驾驶信息物理系统的可信分析的整体框架及本文在其中要解决的关键技术和问题。(3)为提高协同驾驶信息物理系统的信息可靠性,提出了一种改进的车辆安全距离状态信息计算方法,建立了一种信息传输可靠性增强机制,并分别设计了一种改进SVM的协同驾驶信息分类方法和一种基于改进萤火虫算法的交通时空离群点检测算法。基于信息物理融深度融合的视角,设计了一种提高协同驾驶信息源可靠性的安全距离状态信息计算方法;针对协同驾驶信息传输过程中的时延、错误和冗余等问题,构建了一种信息传输可靠性增强机制;针对协同驾驶信息处理过程中信息分类、数据不同步以及离群点问题,通过设计一种改进SVM的信息分类方法对信息融合过程中的协同驾驶信息进行分类,提高了协同驾驶融合信息的可靠性;通过改进数据同步算子对协同信息进行了数据同步。在此基础上,通过设计一种基于改进萤火虫算法的交通时空离群点检测算法对同步后的协同时空数据进行离群点检测并分析了离群点检测对协同驾驶系统中交通参数预测的影响。(4)为提高协同驾驶信息物理系统的交互可信性,针对协同驾驶车辆之间动态交互的可信关系刻画、可信度评估以及信任传递问题,建立了一种信任模型和信任评估模型并在此基础上设计了一种基于可信计算理论的信任传递机制。针对协同驾驶信息物理系统的车辆间交互的信任关系及本质特征难以刻画的问题,建立了一种基于隶属云模型的信任模型;在此基础上,为评估协同驾驶信息物理系统的车辆间的可信度并抵御不可信行为,通过引入若干相关因子,构建了一种信任评估模型并基于可信计算理论构建了整个协同驾驶信息物理系统的信任传递机制,进而为验证整个协同驾驶系统的可信提供了有效途径。综上所述,本文对协同驾驶信息物理系统的可信分析整体框架中的部分关键技术和问题进行了研究。建立的CPS体系架构和构建的T-CPS刻画方法,为研究CPS和T-CPS提供相关的分析方法和刻画工具并为研究协同驾驶信息物理系统的可信问题提供了新的视角和系统性方法;协同驾驶信息物理系统的信息可靠性分析和交互可信性分析的研究可望为运用信息物理融合的视角解决协同驾驶信息物理系统的可信分析过程中存在的关键技术和问题提供分析方法和技术支撑。