基于微觀模型的城市道路交通流若干典型問題研究.pdf

1、交通擁堵是世界很多城市面臨的重要問題,嚴(yán)重制約著城市和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。為此,深入了解交通流的本質(zhì)特性和交通擁堵產(chǎn)生的原因,提出符合實(shí)際的交通流模型,從而為制定交通管理和控制策略提供理論依據(jù),是交通流理論需要解決的重要問題。當(dāng)前,對(duì)于機(jī)動(dòng)車交通,交通流理論已經(jīng)發(fā)展了較為完善的模型方法。然而仍有大量實(shí)際問題亟待解決。一方面,現(xiàn)有交通流理論的研究多是基于發(fā)達(dá)國(guó)家單一的機(jī)動(dòng)車交通；而我國(guó)城市交通的基本特點(diǎn)是混合和低速,對(duì)這種非同質(zhì)交通流的建

2、模更加復(fù)雜。另一方面,近年來,隨著智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展,對(duì)智能駕駛車輛的建模,以及智能駕駛車輛對(duì)混合交通流的影響成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題之一。
　　 基于以上問題,本論文主要進(jìn)行兩個(gè)方面的研究。首先,針對(duì)我國(guó)城市混合交通的基本特點(diǎn),在分析機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人相互作用機(jī)理的基礎(chǔ)上,探討混合交通現(xiàn)象突出的路段、交叉口,以及人行橫道處混合交通流的微觀建模方法,并通過數(shù)值模擬研究混合交通的特性。其次,基于智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展和應(yīng)用,

3、構(gòu)建考慮多種智能交通信息的車輛跟馳模型；在此基礎(chǔ)上,進(jìn)而研究智能駕駛車輛的推廣對(duì)路段及入匝道瓶頸處交通流特性的影響。本論文的主要工作如下:
　　 (1)針對(duì)無機(jī)非隔離設(shè)施的路段系統(tǒng),結(jié)合NaSch模型和多值元胞自動(dòng)機(jī)模型,建立描述混合交通的耦合元胞自動(dòng)機(jī)模型。該模型兼顧了機(jī)動(dòng)車基于車道的運(yùn)行特性和非機(jī)動(dòng)車自由靈活的運(yùn)行特性。同時(shí),通過設(shè)置沖突處理規(guī)則和避免死鎖規(guī)則,模型也能夠很好描述機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車之間的相互干擾作用。模擬分析發(fā)

4、現(xiàn),機(jī)動(dòng)車流存在一階和二階兩種相變狀態(tài),分別對(duì)應(yīng)于非機(jī)動(dòng)車密度較小和較大的情況。機(jī)動(dòng)車的流量曲線隨著非機(jī)動(dòng)車密度的增大而降低。非機(jī)動(dòng)車的最大流量及其對(duì)應(yīng)的臨界密度隨著機(jī)動(dòng)車密度的增大先增大,之后保持不變。
　　 (2)基于二維優(yōu)化速度模型,提出考慮速度差因素的二維車輛跟馳模型,用以描述典型無信號(hào)十字交叉口處機(jī)動(dòng)車和非機(jī)動(dòng)車的運(yùn)行。模擬分析表明,與非機(jī)動(dòng)車相鄰車道上的機(jī)動(dòng)車流受到非機(jī)動(dòng)車的干擾更加嚴(yán)重。當(dāng)機(jī)動(dòng)車進(jìn)車間距較小時(shí),機(jī)動(dòng)

5、車(非機(jī)動(dòng)車)流量隨非機(jī)動(dòng)車左轉(zhuǎn)概率的增大單調(diào)減小;而當(dāng)機(jī)動(dòng)車進(jìn)車間距足夠大時(shí),流量曲線上出現(xiàn)臨界點(diǎn),將機(jī)動(dòng)車流(非機(jī)動(dòng)車流)劃分為自由流和擁堵流兩個(gè)部分。另外,模擬發(fā)現(xiàn)直行機(jī)動(dòng)車和左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車以集簇的形式交替連續(xù)通過交叉口,這是交通實(shí)際中典型的自組織現(xiàn)象。
　　 (3)建立描述帶有信號(hào)控制人行橫道路段的耦合元胞自動(dòng)機(jī)模型,并進(jìn)行模擬分析。模擬中,考慮三種不同類型的行人:遵守交通規(guī)則的謹(jǐn)慎行人、不遵守交通規(guī)則的冒險(xiǎn)行人,以及普通

6、行人(當(dāng)?shù)却龝r(shí)間小于某個(gè)臨界等待時(shí)間時(shí),普通行人遵守交通規(guī)則,否則他們轉(zhuǎn)變?yōu)槊半U(xiǎn)行人)。通過模擬分析,首先研究了行人由謹(jǐn)慎行人和普通行人構(gòu)成時(shí)機(jī)動(dòng)車和行人的交通流特征。發(fā)現(xiàn),機(jī)動(dòng)車的流量曲線上僅存在一個(gè)臨界點(diǎn),將機(jī)動(dòng)車劃分為自由流和擁堵流兩種狀態(tài)；而行人的流量曲線上則存在兩個(gè)臨界點(diǎn),將行人流劃分為三種狀態(tài):自由流、擁堵流和中間狀態(tài)(在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)自由流和擁堵流兩種狀態(tài))。進(jìn)一步分析了普通行人比例、信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)等因素對(duì)交通流的影

7、響。與普通行人相比,冒險(xiǎn)行人可能在任意時(shí)刻冒險(xiǎn)穿越人行橫道,因此其對(duì)機(jī)動(dòng)車交通的干擾更加嚴(yán)重。另外,對(duì)行人在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)違章過街發(fā)生頻率的分析發(fā)現(xiàn),在到達(dá)行人由三種類型行人構(gòu)成的情況下,違章過街發(fā)生的頻率存在兩個(gè)峰值,這與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果在定性上是一致的。
　　 (4)基于優(yōu)化速度模型及其擴(kuò)展模型,并同時(shí)考慮多輛前車的車頭距和速度差兩種智能交通信息,提出多車頭距和速度差模型。對(duì)模型進(jìn)行線性穩(wěn)定性分析,給出了模型的穩(wěn)定性條件；并通

8、過非線性分析,推導(dǎo)并求解描述交通流密度波傳播的mKdV方程。根據(jù)分析得到的中性穩(wěn)定性曲線和共存曲線,交通流可以分為穩(wěn)定、亞穩(wěn)定和不穩(wěn)定三種狀態(tài)。數(shù)值模擬的結(jié)果表明,同時(shí)考慮多前車的車頭距和速度差兩種信息比僅考慮其中一種信息能在更大程度上提高交通流的穩(wěn)定性,抑制交通擁堵。數(shù)值模擬的結(jié)果與理論分析的結(jié)果是一致的。
　　 (5)采用優(yōu)化速度模型描述普通車輛的運(yùn)行,采用多車頭距和速度差模型描述智能駕駛車輛的運(yùn)行,模擬分析智能駕駛車輛對(duì)交

9、通流的影響。一方面,在周期邊界條件下,研究不同智能駕駛車輛比例下混合交通的基本圖特征。發(fā)現(xiàn),智能駕駛車輛只在中間車流密度范圍內(nèi)能夠提高交通流的穩(wěn)定狀態(tài),而在車流密度很小或很大時(shí),其對(duì)交通流狀態(tài)的影響均很小。并且,隨著智能駕駛車輛比例的增大,繼續(xù)增加智能駕駛車輛對(duì)改善交通流的效用逐漸降低。另一方面,通過引入車輛的入匝道規(guī)則,研究開放邊界條件下,智能駕駛車輛對(duì)入匝道系統(tǒng)交通流的影響。結(jié)果表明,智能駕駛車輛能夠增大主路的自由流區(qū)域,抑制主路的