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(wèn)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?，F(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?；緢D方法假設(shè)穩(wěn)態(tài)交通流的流量和密度具有一一對(duì)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(lèi)。三相交通流理論進(jìn)一步將擁擠流細(xì)分成寬運(yùn)動(dòng)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(zhēng)議問(wèn)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(duì)基本圖方法的部分批判問(wèn)題，在深入研究格子流體力學(xué)和元胞自動(dòng)機(jī)兩類(lèi)離散模型的基礎(chǔ)上提出了更加符合實(shí)測(cè)現(xiàn)象的模型，通過(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)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(cè)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(duì)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(chē)燈模型的基礎(chǔ)上提出了期望時(shí)間間距剎車(chē)燈模型（DTGBLM模型）。DTGBLM模型不僅可以產(chǎn)生符合實(shí)測(cè)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(guò)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(duì)BL模型的批判問(wèn)題。其次在FMCD和BLDAD剎車(chē)燈模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建了提前慢化剎車(chē)燈模型（ARBLM模型）。ARBLM模型需借助外界

5、擾動(dòng)才能形成同步流，這和實(shí)測(cè)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(chē)期望效應(yīng)跟馳模型思想出發(fā)，將多車(chē)平均間距作為車(chē)輛的期望速度引入隨機(jī)慢化過(guò)程，提出了平均車(chē)輛間距元胞自動(dòng)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(dòng)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(cè)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(méi)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(cè)的基本條件。深入分析多車(chē)期望效應(yīng)跟馳模型，提出了擴(kuò)展平均車(chē)輛間距元胞自動(dòng)機(jī)模型（EASGM模型）。EASGM模型能夠模擬寬運(yùn)動(dòng)堵塞的同步出流，并且證實(shí)了車(chē)輛期望時(shí)間間距、慢啟動(dòng)的隨機(jī)慢化概率和安全控制參數(shù)都可影響寬運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)堵塞同步出流的問(wèn)題。
　　4)提出了三階段標(biāo)定法，并對(duì)上述新模型和幾個(gè)不同類(lèi)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(cè)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(chē)速的參數(shù)，并再次采用試差法或啟發(fā)式算法對(duì)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