基于駕駛行為細(xì)致分析的交通流建模和模擬.pdf

1、交通科學(xué)基礎(chǔ)研究的目的是建立交通流模型，通過(guò)分析和仿真，發(fā)現(xiàn)制約交通系統(tǒng)的基本規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理，用以指導(dǎo)交通工程實(shí)踐。本文的工作旨在研究道路交通流理論的若干前沿性問(wèn)題，在綜合分析各種現(xiàn)有的交通流模型的基礎(chǔ)上，提出更為符合實(shí)際的模型，并通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，探索交通系統(tǒng)中的各種非線(xiàn)性現(xiàn)象。全文的主要工作如下： 一.基于NaSch元胞自動(dòng)機(jī)模型，考慮局部密度和司機(jī)的延遲反應(yīng)對(duì)隨機(jī)減速概率的影響，以及司機(jī)的個(gè)性特征和車(chē)輛密度對(duì)隨機(jī)減速

2、概率的影響，提出了兩個(gè)改進(jìn)的元胞自動(dòng)機(jī)模型。 在NaSch元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型的基礎(chǔ)上，考慮到車(chē)輛的隨機(jī)減速概率不僅要受到車(chē)輛速度的影響，還要受到局部密度和司機(jī)延遲反應(yīng)的影響，當(dāng)車(chē)輛的局部密度較大時(shí)，隨機(jī)減速概率會(huì)增大，反之則減小，為此提出了一個(gè)新的模型(簡(jiǎn)稱(chēng)為DDR模型)，認(rèn)為隨機(jī)減速概率依賴(lài)于前一時(shí)刻的局部密度。數(shù)值模擬顯示，該模型能夠再現(xiàn)真實(shí)交通中的復(fù)雜現(xiàn)象，如時(shí)走時(shí)停交通、亞穩(wěn)態(tài)和回滯現(xiàn)象，且得到的道路最大流量比NaSc

3、h模型更接近于實(shí)測(cè)值，更重要的是，當(dāng)r≥7時(shí)，模型能夠模擬出真實(shí)交通中的自由流、均勻流和寬幅運(yùn)動(dòng)阻塞。此外，通過(guò)考慮車(chē)輛密度和司機(jī)個(gè)人行為的差異對(duì)隨機(jī)減速概率產(chǎn)生的影響，提出了另一個(gè)元胞自動(dòng)機(jī)新模型，簡(jiǎn)稱(chēng)為IBDR模型。模型同樣能夠再現(xiàn)時(shí)走時(shí)停交通、亞穩(wěn)態(tài)和回滯現(xiàn)象，也得到了比NaSch模型更接近于實(shí)測(cè)值的最大流量，同時(shí)發(fā)現(xiàn)司機(jī)的個(gè)性特征對(duì)最大流量的影響要比密度的影響更大一些，當(dāng)?shù)缆飞嫌幸恍┍容^謹(jǐn)慎的司機(jī)在駕駛車(chē)輛時(shí)，隨機(jī)減速概率就大，

4、道路的流量明顯下降，這也從一個(gè)方面證明了設(shè)置快慢車(chē)道的必要性。本章提出的兩個(gè)模型能部分地描述真實(shí)交通現(xiàn)象，可以為交通流理論的發(fā)展提供一定的參考。 二.在Chowdhury等人提出的雙車(chē)道元胞自動(dòng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬研究了存在事故車(chē)瓶頸時(shí)混合交通流的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性。 利用Chowdhury等人提出的雙車(chē)道元胞自動(dòng)機(jī)模型，對(duì)含有事故車(chē)交通瓶頸的混合交通流的特性進(jìn)行了分析研究。通過(guò)數(shù)值模擬，得到了基本圖和車(chē)輛的時(shí)空演

5、化圖，證實(shí)當(dāng)?shù)缆飞蠜](méi)有事故車(chē)瓶頸和其它瓶頸，慢車(chē)對(duì)交通流特性有很大的影響。當(dāng)采用不同的換道規(guī)則以及事故車(chē)出現(xiàn)在不同的車(chē)道時(shí)，不同車(chē)道上的基本圖呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。在中低密度區(qū)，當(dāng)右車(chē)道(慢車(chē)道)上存在事故車(chē)時(shí)，采用非對(duì)稱(chēng)換道規(guī)則比用對(duì)稱(chēng)性換道規(guī)則更易緩解本車(chē)道的擁堵，當(dāng)左車(chē)道(快車(chē)道)上存在事故車(chē)時(shí)，則采用對(duì)稱(chēng)換道規(guī)則時(shí)本車(chē)道有較大的流量。從時(shí)空斑圖上可以看到，事故車(chē)瓶頸不僅會(huì)引起本車(chē)道的交通擁堵，而且會(huì)對(duì)鄰道的交通產(chǎn)生嚴(yán)重的影響?；緢D

6、中表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)與車(chē)輛的時(shí)空演化圖中表現(xiàn)出來(lái)的擁堵特性較為吻合。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在混合交通情況下，或者道路上存在事故車(chē)瓶頸時(shí)，就會(huì)發(fā)生頻繁的換道，而采用非對(duì)稱(chēng)性換道規(guī)則時(shí)的換道概率更是要大于采用對(duì)稱(chēng)性換道規(guī)則時(shí)的換道概率，當(dāng)?shù)缆飞系能?chē)輛都有相同的最大速度，又沒(méi)有事故車(chē)時(shí)，車(chē)輛換道的概率最小。 三.提出了一個(gè)改進(jìn)的跟馳模型，分別考慮司機(jī)的反應(yīng)延遲與車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)延遲，并研究了該模型在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域密度波的非線(xiàn)性特征。 基于N

7、agatani提出的差分形式的跟馳模型和Bando等人提出的優(yōu)化速度函數(shù)，對(duì)單車(chē)道周期性邊界條件下的交通流進(jìn)行了數(shù)值模擬，再現(xiàn)了孤立波、扭結(jié)-反扭結(jié)波的時(shí)空演化圖，得到了向后傳播的密度波。再次論證了不管是周期性邊界條件還是開(kāi)放式邊界條件，在中性穩(wěn)定線(xiàn)附近總是出現(xiàn)孤立波，并且當(dāng)初始車(chē)頭間距小于安全間距時(shí)，孤立波呈現(xiàn)正立波型，反之，當(dāng)初始車(chē)頭間距大于安全間距時(shí)，孤立波呈現(xiàn)倒置波型。同時(shí)對(duì)扭結(jié).反扭結(jié)波幅值的理論解和數(shù)值解進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)幅值

8、的變化趨勢(shì)是相同的，即隨著敏感度口的增大而減小，并且當(dāng)α>2.3時(shí)，兩者在數(shù)值上吻合也較好，而當(dāng)α<2.3時(shí)，數(shù)值解稍大于理論解。我們認(rèn)為，差異的原因在于理論解在非線(xiàn)性分析時(shí)忽略了高階小量。另外，數(shù)值模擬顯示，交通流的最大流量隨著安全間距的減小而增大。數(shù)值結(jié)果與解析解較為符合。 在上述模型的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)改進(jìn)的跟馳模型，把司機(jī)的反應(yīng)延遲與車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)延遲分開(kāi)考慮，通過(guò)線(xiàn)性分析得到了該模型的中性穩(wěn)定線(xiàn)和臨界點(diǎn)，進(jìn)一步通過(guò)攝動(dòng)分析

9、得到了KdV方程和mKdV方程，分別用來(lái)描述中性穩(wěn)定線(xiàn)和臨界點(diǎn)附近的交通現(xiàn)象。當(dāng)司機(jī)的反應(yīng)延遲與總的延遲時(shí)間具有不同的比例n時(shí)，給出了中性穩(wěn)定線(xiàn)和共存曲線(xiàn)在車(chē)頭間距-敏感度相圖中的分布情況，并發(fā)現(xiàn)隨著n值的增大，穩(wěn)定區(qū)域縮小。這意味著當(dāng)司機(jī)的敏感性越差，即司機(jī)反應(yīng)延遲的時(shí)間越長(zhǎng)，就越容易產(chǎn)生交通阻塞。數(shù)值模擬還給出了孤立波和扭結(jié)-反扭結(jié)波的時(shí)空演化圖，它們都呈現(xiàn)向后傳播的特性，同時(shí)隨著n值的增大，扭結(jié)-反扭結(jié)波顯得更密一些。結(jié)果表明司機(jī)

10、的反應(yīng)延遲在交通擁堵的形成過(guò)程中起著重要的作用，此延遲時(shí)間越長(zhǎng)，越易造成交通阻塞。該模型從微觀(guān)的角度揭示了交通擁堵形成的部分機(jī)理。四.提出了一個(gè)考慮司機(jī)反應(yīng)延遲的格子流體力學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了線(xiàn)性和非線(xiàn)性的理論分析。 在Nagatani提出的單車(chē)道格子流體力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合第四章的研究?jī)?nèi)容，提出了兩個(gè)改進(jìn)的格子流體力學(xué)模型(模型Ⅰ和模型Ⅱ)，在模型中分別考慮司機(jī)的反應(yīng)延遲與車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)延遲。經(jīng)由線(xiàn)性分析得到了模型的中性穩(wěn)定曲

11、線(xiàn)和臨界點(diǎn)，采用攝動(dòng)理論對(duì)臨界點(diǎn)附近的交通流現(xiàn)象進(jìn)行了非線(xiàn)性分析，得到了mKdV方程，當(dāng)司機(jī)的反應(yīng)延遲與總的延遲時(shí)間具有不同的比例n時(shí)，給出了中性穩(wěn)定線(xiàn)和共存曲線(xiàn)在車(chē)頭間距-敏感度相圖中的分布情況。圖中顯示出模型I的臨界點(diǎn)、中性穩(wěn)定曲線(xiàn)和共存曲線(xiàn)都低于模型Ⅱ的相應(yīng)值，這一點(diǎn)與Nagatani的結(jié)論一致。在同一個(gè)模型中，隨著司機(jī)反應(yīng)延遲的增加，交通流的穩(wěn)定區(qū)域不斷縮小，這表明：當(dāng)司機(jī)的反應(yīng)延遲時(shí)間增加的時(shí)候，更容易產(chǎn)生交通擁堵，擁堵也更難