交通流復(fù)雜耦合動(dòng)態(tài)特性模擬研究.pdf

1、交通系統(tǒng)是一個(gè)由眾多微觀個(gè)體組成的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中存在各種偶然的、隨機(jī)的、不確定的因素，如司機(jī)的個(gè)人行為、不可預(yù)知的交通事件的影響等，加之系統(tǒng)中大量存在的非線性作用機(jī)制，導(dǎo)致各個(gè)因素之間作用關(guān)系復(fù)雜。
　　 隨著交通流量的迅速增長(zhǎng)，車輛間相互作用越來(lái)越明顯，表現(xiàn)出很強(qiáng)的耦合作用。這種耦合作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，前后車間耦合和相鄰車道車輛間耦合。由于耦合作用，交通系統(tǒng)中一個(gè)因子或個(gè)體的相對(duì)變化，容易導(dǎo)致其它因子或個(gè)體的相應(yīng)變化。交

2、通流理論是研究復(fù)雜交通系統(tǒng)的有效手段，并通過(guò)建立交通流宏微觀模型來(lái)刻畫(huà)。關(guān)于交通流建模已有了許多成果，但針對(duì)車輛間耦合效應(yīng)對(duì)交通流的影響的研究尚少。因此，通過(guò)研究交通系統(tǒng)中耦合作用對(duì)交通流影響的動(dòng)力學(xué)特性，有助于深入了解交通流耦合作用下的微觀本質(zhì)特征和宏觀傳播規(guī)律，也是深入研究交通流復(fù)雜作用關(guān)系機(jī)理的一個(gè)突破口。
　　 本論文針對(duì)交通系統(tǒng)耦合作用關(guān)系，建立了交通流耦合問(wèn)題基本框架，沿著交通流微觀跟馳模型和宏觀動(dòng)力學(xué)模型兩個(gè)層次展

3、開(kāi)，著重從交通流的前后車耦合和車道間耦合關(guān)系兩個(gè)方面，建立了一系列宏微觀交通流描述模型。從微觀跟馳模型研究前后車輛間的耦合作用對(duì)跟馳車的影響，可以了解交通流的穩(wěn)定性、非線性、遲滯現(xiàn)象等動(dòng)態(tài)特征，為觀察、分析、理解和描述各種交通流現(xiàn)象提供新的視角；從宏觀模型研究車輛間的耦合信息擾動(dòng)和車道間耦合對(duì)交通流整體波動(dòng)性的影響，可以了解耦合效應(yīng)下的宏觀交通流內(nèi)在規(guī)律和實(shí)際運(yùn)行機(jī)理。全文主要工作如下：
　　 ①針對(duì)雙車耦合和多車耦合對(duì)跟馳車輛

4、的影響，分別提出了新的交通流雙車跟馳(two cars following，TCF)模型和多車跟馳(multiple car-following，MCF)模型。
　　 隨著現(xiàn)代車流密度的增長(zhǎng)，車輛在行駛過(guò)程中，非鄰近前車行駛信息的變化對(duì)跟馳車存在不可忽視的影響，車輛耦合作用關(guān)系愈加密切。因此，針對(duì)多前車信息對(duì)跟馳車的影響，通過(guò)引入耦合信息的權(quán)值系數(shù)，從雙車耦合和多車耦合兩種情形，分別提出雙車跟馳模型和多車跟馳模型。兩個(gè)模型的分析

5、和仿真表明，通過(guò)調(diào)節(jié)耦合信息的權(quán)值系數(shù)，關(guān)注非鄰近前車行駛信息，增強(qiáng)了交通流的穩(wěn)定性，使車輛運(yùn)動(dòng)延遲時(shí)間和啟動(dòng)波速更接近實(shí)測(cè)值，并克服了過(guò)高減速度現(xiàn)象，避免了全速度差(full velocity difference，F(xiàn)VD)模型在低反應(yīng)系數(shù)λ時(shí)出現(xiàn)的負(fù)速度現(xiàn)象。并通過(guò)線性穩(wěn)定性分析，得到考慮三車耦合信息(m=3)對(duì)跟馳車的影響是多車跟馳模型的優(yōu)化狀態(tài)。也就是說(shuō)，僅考慮前方三輛車耦合信息對(duì)跟馳車的影響就足以使得交通流在小擾動(dòng)下變得非常穩(wěn)

6、定。
　　 ②針對(duì)雙車耦合信息擾動(dòng)和多車耦合信息擾動(dòng)對(duì)宏觀交通流的影響，提出了兩個(gè)新的單車道交通流宏觀動(dòng)力學(xué)擴(kuò)展模型。
　　 針對(duì)雙車耦合信息擾動(dòng)和多車耦合信息擾動(dòng)對(duì)宏觀交通流的影響，在微觀跟馳模型基礎(chǔ)上，按照交通流研究中采用的微觀-宏觀參量關(guān)聯(lián)關(guān)系，從雙車耦合擾動(dòng)和多車耦合擾動(dòng)兩種情形，分別提出了相應(yīng)的宏觀交通流動(dòng)力學(xué)擴(kuò)展模型。模型分析和仿真表明，改進(jìn)模型能夠合理模擬交通流的堵塞和疏導(dǎo)等實(shí)際交通現(xiàn)象。而且考慮雙車耦合擾

7、動(dòng)和多車耦合擾動(dòng)后，穩(wěn)定性區(qū)域明顯增大。
　　 ③針對(duì)相鄰雙車道耦合和換道行為對(duì)交通流的影響，提出了兩車道雙延時(shí)時(shí)間尺度耦合模型和兩車道密度粘性交通流耦合模型。
　　 針對(duì)相鄰雙車道車輛間耦合效應(yīng)和換道行為，通過(guò)引入車道間耦合系數(shù)，在雙延時(shí)時(shí)間尺度連續(xù)交通流模型和Daganzo多車道模型基礎(chǔ)上，建立了兩車道雙延時(shí)時(shí)間尺度耦合模型。數(shù)值仿真表明，該模型能夠正確模擬雙車道耦合作用和換道行為。
　　 然而，由于換道導(dǎo)致

8、多車道具有非各向異性。因此，為了進(jìn)一步研究多車道非各向異性的交通特性，在密度粘性交通流模型和Daganzo多車道模型基礎(chǔ)上，同樣引入車道間耦合系數(shù)，提出了兩車道密度粘性交通流耦合模型。模型分析表明，該模型可以更好地模擬多車道中由于換道導(dǎo)致的非各向異性的實(shí)際交通現(xiàn)象。
　　 通過(guò)上述研究，本論文建立了一系列針對(duì)交通流耦合作用關(guān)系的宏微觀模型，對(duì)耦合效應(yīng)影響下的交通流動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證了模型的合理性