[论文解读] Stability of vehicular admission control schemes in urban traffic networks under modelling uncertainty

Michalis Ramp, Andreas Kasis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2026

Traffic control and management被引用 0

一句话总结

论文提出一个基于被动性（passivity）的框架，确保在建模不确定性下大型城市交通网络中分散式车辆准入控制（VAC）方案的稳定性，提供局部可验证条件以及对6区域和20区域网络的示例和仿真。

ABSTRACT

Urban transportation networks face significant challenges due to traffic congestion, leading to adverse environmental and socioeconomic impacts. Vehicular admission control (VAC) strategies have emerged as a promising solution to alleviate congestion. By leveraging information and communication technologies, VAC strategies regulate vehicle entry into the network to optimize different traffic metrics of interest over space and time. Despite the significant development of VAC strategies, their stability at the presence of modelling uncertainty remains under-explored. This paper investigates the stability properties of a class of decentralized VAC schemes under modelling uncertainty. Specifically, we consider large-scale, heterogeneous urban traffic networks characterised by nonlinear dynamics and concave macroscopic fundamental diagrams with bounded uncertainty between flow, density, and speed. In this context, we examine a broad class of decentralized VAC dynamics, described by general nonlinear forms. Using passivity theory, we derive scalable, locally verifiable conditions on the design of VAC schemes, that enable stability guarantees in the presence of modelling uncertainty. Several examples are presented to illustrate the applicability of the proposed design framework. Our analytical results are validated through numerical simulations on a 6 and a 20-region system, demonstrating their effectiveness and practical relevance.

研究动机与目标

• 在区域动力学存在异质性和不确定性时，说明 VAC 以缓解城市拥堵的必要性。
• 为分散式 VAC 方案建立一个能够容纳非线性 MFD 与有界不确定性的稳定性框架。
• 推导可扩展、局部可验证的条件，确保当 VAC 与交通动力学耦合时整个网络的渐近稳定性。
• 通过多区域网络上的多种 VAC 设计示例和数值仿真，展示适用性。

提出的方法

• 用非线性 MFD 与流密度关系的有界不确定性对具有 n 区域的网络进行建模。
• 将 VAC 动态表述为由区域密度驱动、具有区域特定状态与输出映射的局部输入输出系统。
• 对 VAC 动态施加基于局部被动性的条件，以保证与交通动力学的耦合稳定性。
• 利用基于被动性的 Lyapunov 构造证明稳定性，并推导确保收敛到平衡点的条件（不等式）。
• 给出集成-被动的 VAC 扩展并证明并联耦合保持被动性（附带引理/证明）。
• 给出五个满足所推导条件的 VAC 示例，并通过对6区域和20区域网络的仿真来说明。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不确定建模下设计 VAC 以保证大尺度异质交通网络的稳定性？
• RQ2 在与基于非线性 MFD 的交通动力学耦合时，哪些局部可验证的 VAC 动态条件能确保渐近稳定？
• RQ3 包括积分-被动变体在内的广泛 VAC 设计是否能够在不需要全局网络信息的情况下实现稳定性？

主要发现

• 基于被动性的方法提供了可扩展、局部可验证的条件，能够在具有不确定 MFD 动力学的情况下保证启用 VAC 的交通网络的渐近稳定性。
• 该框架容纳了广泛的非线性 VAC 动态，且对任意连通网络配置仍然适用。
• 积分-被动 VAC 方案与稳定性框架兼容，且在不确定性下可提高鲁棒性。
• 对6区域和20区域网络的数值仿真表明，在适当的 VAC 方案下，尽管存在建模不确定性及用户行为不一致，网络仍保持稳定。
• 显示五个 VAC 方案示例满足所提出的条件，展示了实际应用性。