基于熱力學(xué)熵和混沌理論的城市道路交通系統(tǒng)的研究.pdf

1、城市道路交通系統(tǒng)的研究是依據(jù)一定的科學(xué)理論、科學(xué)思想和科學(xué)方法，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特性以及系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)方面以及系統(tǒng)與外界的相互關(guān)系和相互作用規(guī)律從不同角度不同層面進(jìn)行研究，并建立相關(guān)的數(shù)學(xué)和物理模型，從而揭示交通系統(tǒng)的發(fā)展演化規(guī)律。 研究城市道路交通系統(tǒng)的特性及其發(fā)展演化規(guī)律對(duì)于城市道路交通系統(tǒng)的控制與管理、系統(tǒng)的規(guī)劃與建設(shè)、甚至對(duì)整個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與建設(shè)都有著十分重要的意義。 城市道路交通系統(tǒng)的研究是交

2、通工程基礎(chǔ)科學(xué)理論研究的重要課題之一，長(zhǎng)期以來(lái)，人們從不同方面對(duì)其進(jìn)行了研究，并獲得了相應(yīng)的研究成果，對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。但是采用物理學(xué)方法(包括動(dòng)力學(xué)理論、熱力學(xué)熵理論、混沌理論等)從系統(tǒng)特征入手對(duì)其進(jìn)行較全面和較深入的研究還不多見(jiàn)。 本文在借鑒國(guó)內(nèi)外成熟研究成果的基礎(chǔ)上，采用物理學(xué)原理和方法從不同角度對(duì)包括交通流系統(tǒng)在內(nèi)的城市道路交通系統(tǒng)的多個(gè)方面進(jìn)行了深入研究。 論文從系統(tǒng)入手，首先分析了交通系統(tǒng)以及

3、交通流系統(tǒng)的特點(diǎn)和特性，提出了交通系統(tǒng)演化的基本原理。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述了道路交通系統(tǒng)的熱力學(xué)特征，構(gòu)造了該系統(tǒng)的熱力學(xué)熵。 在分析道路交通系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，引入了交通勢(shì)的概念，闡述了交通勢(shì)的物理意義；分析了交通勢(shì)的影響因素，通過(guò)定義交通勢(shì)梯度，使相對(duì)交通壓力得到量化；論文根據(jù)交通流基本特性以及交通流與路網(wǎng)相互作用規(guī)律，提出了城市道路交通系統(tǒng)供需關(guān)系演化的蛛網(wǎng)模型，并基于混沌理論對(duì)該蛛網(wǎng)模型相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了討論，從中得到了相應(yīng)

4、的結(jié)論。 基于城市道路交通與城市發(fā)展的相互作用中所存在的負(fù)反饋特性，提出了道路交通系統(tǒng)發(fā)展演化的動(dòng)力學(xué)模型；對(duì)城市道路交通系統(tǒng)發(fā)展演化的邏輯斯蒂(S形)曲線的特性進(jìn)行了分析，特別是對(duì)曲線上的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，得出了有益的結(jié)論；最后根據(jù)混沌分形理論對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步闡述和分析。 論文依據(jù)動(dòng)力學(xué)原理對(duì)交通流模型進(jìn)行了研究。首先，對(duì)路段交通壓力進(jìn)行了深入分析，明確了它的物理意義；通過(guò)引入相對(duì)交通壓力和相對(duì)動(dòng)量的概念，并依

5、據(jù)動(dòng)量定理推導(dǎo)得出交通流微分方程；其中粘滯阻力項(xiàng)是在公式推導(dǎo)過(guò)程中自然導(dǎo)出的，避免了人為引入?yún)?shù)的隨意性，此項(xiàng)的獲得對(duì)實(shí)際交通流的微分方程的應(yīng)用和相關(guān)公式的推導(dǎo)具有重要意義；在推導(dǎo)交通流微分方程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮到實(shí)際應(yīng)用條件，從而導(dǎo)出了格林希爾治方程和一維線性跟馳模型，從而使得交通流理論中的幾個(gè)重要公式獲得了理論上的統(tǒng)一。 采用熱力學(xué)熵理論的方法對(duì)交通流系統(tǒng)進(jìn)行了研究。首先，對(duì)熱力學(xué)熵的構(gòu)成進(jìn)行了分析研究，總結(jié)歸納出了構(gòu)造方

6、法，并以此建立了交通流系統(tǒng)的熱力學(xué)熵；然后通過(guò)分析熵理論中廣義流產(chǎn)生的原因，進(jìn)而揭示了交通流系統(tǒng)中熱力學(xué)熵產(chǎn)生的內(nèi)部機(jī)制：最后根據(jù)熵理論，推導(dǎo)得出了具有動(dòng)力學(xué)特征的道路交通系統(tǒng)中的交通流微分方程。由于是首次引入了熱力學(xué)熵對(duì)交通流系統(tǒng)進(jìn)行研究，加之已有的關(guān)于交通流系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)熵研究和討論，從而構(gòu)成了一個(gè)較為完整的交通流熵理論體系。 本文對(duì)交通波進(jìn)行了研究，首先對(duì)交通波進(jìn)行了三個(gè)狀態(tài)的劃分，通過(guò)分析前后兩個(gè)斷面交通流的流入和流出率，導(dǎo)

7、出交通波的擴(kuò)展和收縮方程；以此為基礎(chǔ)，討論了起動(dòng)波及消散時(shí)間、停車波及停車長(zhǎng)度等問(wèn)題，還對(duì)交通流通過(guò)交叉口進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。 以可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)，提出了城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局評(píng)價(jià)的基本思想和原則，分析和確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)以及相應(yīng)的影響因素和修正系數(shù)；建立了路網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局的評(píng)價(jià)模型；并將其應(yīng)用于實(shí)際評(píng)價(jià)當(dāng)中，效果良好。 在分析城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其功能的基礎(chǔ)上，將路網(wǎng)劃分為主通路和連接路段；在分析主通路、連接路段以及交叉口可靠性的基礎(chǔ)上，通過(guò)

8、引入連通度修正因子，導(dǎo)出了OD路網(wǎng)可靠性公式；通過(guò)實(shí)例應(yīng)用和深入分析，揭示了連通度在實(shí)際路網(wǎng)中具有的雙重效應(yīng)。 通過(guò)定義路網(wǎng)的微觀態(tài)、時(shí)效及其時(shí)效熵，建立了路網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)效熵公式，并給出了計(jì)算步驟：根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的通行時(shí)間概率分布曲線，定義了路徑選擇風(fēng)險(xiǎn)和路徑選擇風(fēng)險(xiǎn)熵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)出行路徑選擇風(fēng)險(xiǎn)的量化描述。 在混沌吸引子原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)交通流時(shí)間序列進(jìn)行相空間重構(gòu)，分析了臨近點(diǎn)與預(yù)測(cè)點(diǎn)相關(guān)性，確定了相關(guān)權(quán)重；通過(guò)對(duì)綜

9、合權(quán)重的確定，建立了修正后的一階線性預(yù)測(cè)模型；通過(guò)進(jìn)一步地深入分析指出，預(yù)測(cè)結(jié)果與演化過(guò)程中相鄰相點(diǎn)間各維分量之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系有關(guān)；通過(guò)合理地利用轉(zhuǎn)化關(guān)系，將實(shí)際值的預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)化為了分量百分比的預(yù)測(cè)，并通過(guò)綜合分析，建立了基于混沌吸引子的多元線性回歸預(yù)測(cè)模型，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況較為接近。 采用灰關(guān)聯(lián)度和信息熵結(jié)合的方法對(duì)交通影響因素進(jìn)行了排序。由于用灰關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行排序可能造成突出個(gè)別大關(guān)聯(lián)測(cè)度值對(duì)結(jié)果的影響，進(jìn)而使排序結(jié)果與實(shí)際