基于基本圖和三相交通流理論的離散建模方法研究.pdf

1、科學(xué)解決交通問題的首要任務(wù)是深入研究交通流的演化機(jī)理，掌握交通流的運(yùn)行規(guī)律。現(xiàn)階段的交通流理論已發(fā)展成以傳統(tǒng)基本圖方法與新興三相交通流理論為核心的科學(xué)體系。基本圖方法假設(shè)穩(wěn)態(tài)交通流的流量和密度具有一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，并將交通流分成自由流和擁擠流兩類。三相交通流理論進(jìn)一步將擁擠流細(xì)分成寬運(yùn)動堵塞和同步流，并假設(shè)穩(wěn)態(tài)同步流在流量密度平面上呈現(xiàn)二維分布。合理解決基本圖方法和三相交通流理論的爭議問題一直是交通流理論研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。遵循相互包容

2、、協(xié)同發(fā)展的科學(xué)原則，本文立足于基本圖方法，解決了三相交通流理論對基本圖方法的部分批判問題，在深入研究格子流體力學(xué)和元胞自動機(jī)兩類離散模型的基礎(chǔ)上提出了更加符合實(shí)測現(xiàn)象的模型，通過理論分析和數(shù)值模擬研究了交通流的各種非線性現(xiàn)象，探討了不同類型模型之間的內(nèi)在聯(lián)系。研究工作如下:
　　1)在Nagatani格子流體力學(xué)模型基礎(chǔ)上，提出了考慮前后格子密度差效應(yīng)的格子模型（DDLM模型）。通過線性穩(wěn)定性分析得到了DDLM模型的中性穩(wěn)定性曲

3、線，并發(fā)現(xiàn)考慮密度差效應(yīng)可以提高交通流的穩(wěn)定性。通過非線性穩(wěn)定性分析得到了穩(wěn)定區(qū)域、亞穩(wěn)定區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域存在的以Burgers方程、KdV方程和mKdV方程描述的三角激波、孤立波和扭結(jié)波。隨后提出了匝道系統(tǒng)的格子流體力學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了隨機(jī)型和確定型匝道兩種數(shù)值模擬方法。隨機(jī)型匝道的模擬結(jié)果和基本圖方法的實(shí)測結(jié)果一致，確定型匝道的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)了四種新的組合擁擠模式，發(fā)現(xiàn)DDLM模型的堵塞可以產(chǎn)生于同步流，因此三相交通流理論對基本圖方法模

4、型堵塞產(chǎn)生于自由流的批判不適用于DDLM模型。
　　2)在BL剎車燈模型的基礎(chǔ)上提出了期望時(shí)間間距剎車燈模型（DTGBLM模型）。DTGBLM模型不僅可以產(chǎn)生符合實(shí)測的同步流以及三相交通流理論的擴(kuò)展同步流模式和全面模式，而且過大減速度現(xiàn)象出現(xiàn)的概率可忽略不計(jì)，因此DTGBLM模型解決了三相交通流理論對BL模型的批判問題。其次在FMCD和BLDAD剎車燈模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建了提前慢化剎車燈模型（ARBLM模型）。ARBLM模型需借助外界

5、擾動才能形成同步流，這和實(shí)測通行能力陡降現(xiàn)象借助瓶頸產(chǎn)生的機(jī)理一致，因此ARBLM模型不僅可以解釋通行能力陡降現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，而且比三相交通流理論的FMCD模型更加符合實(shí)際。
　　3)從傳統(tǒng)的多車期望效應(yīng)跟馳模型思想出發(fā)，將多車平均間距作為車輛的期望速度引入隨機(jī)慢化過程，提出了平均車輛間距元胞自動機(jī)模型（ASGM模型）。ASGM模型不僅可以模擬自由流到同步流以及同步流到寬運(yùn)動堵塞的一階相變，而且可以模擬三相交通流理論的各種實(shí)測擁擠

6、模式。由于ASGM模型和大多數(shù)三相交通流理論模型的模擬結(jié)果沒有本質(zhì)區(qū)別，穩(wěn)態(tài)擁擠交通流在流量密度平面上呈現(xiàn)二維分布不是模型符合實(shí)測的基本條件。深入分析多車期望效應(yīng)跟馳模型，提出了擴(kuò)展平均車輛間距元胞自動機(jī)模型（EASGM模型）。EASGM模型能夠模擬寬運(yùn)動堵塞的同步出流，并且證實(shí)了車輛期望時(shí)間間距、慢啟動的隨機(jī)慢化概率和安全控制參數(shù)都可影響寬運(yùn)動堵塞的出流狀態(tài)。ASGM模型和EASGM模型不僅建立了連續(xù)的跟馳模型和離散的元胞自動機(jī)模型之

7、間的聯(lián)系，而且解決了三相交通流理論批判基本圖方法不能模擬寬運(yùn)動堵塞同步出流的問題。
　　4)提出了三階段標(biāo)定法，并對上述新模型和幾個(gè)不同類型、不同理論體系的模型進(jìn)行了標(biāo)定。三階段標(biāo)定法首先挑出可以根據(jù)缺省值和實(shí)測數(shù)據(jù)直接給定的參數(shù)，然后采用試差法或啟發(fā)式算法標(biāo)定模型的其他參數(shù)，最后從第一步中挑選出能夠直接影響車速的參數(shù)，并再次采用試差法或啟發(fā)式算法對其進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定結(jié)果表明新模型的標(biāo)定誤差均小于原模型;三相交通流理論模型和基本圖方