交通流復(fù)雜耦合動態(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，車輛間相互作用越來越明顯，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，并通過建立交通流宏微觀模型來刻畫。關(guān)于交通流建模已有了許多成果，但針對車輛間耦合效應(yīng)對交通流的影響的研究尚少。因此，通過研究交通系統(tǒng)中耦合作用對交通流影響的動力學(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。
　　 本論文針對交通系統(tǒng)耦合作用關(guān)系，建立了交通流耦合問題基本框架，沿著交通流微觀跟馳模型和宏觀動力學(xué)模型兩個(gè)層次展

3、開，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和車道間耦合對交通流整體波動性的影響，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針對雙車耦合和多車耦合對跟馳車輛

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，車輛在行駛過程中，非鄰近前車行駛信息的變化對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，針對多前車信息對跟馳車的影響，通過引入耦合信息的權(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)動延遲時(shí)間和啟動波速更接近實(shí)測值，并克服了過高減速度現(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。并通過線性穩(wěn)定性分析，得到考慮三車耦合信息(m=3)對跟馳車的影響是多車跟馳模型的優(yōu)化狀態(tài)。也就是說，僅考慮前方三輛車耦合信息對跟馳車的影響就足以使得交通流在小擾動下變得非常穩(wěn)

6、定。
　　 ②針對雙車耦合信息擾動和多車耦合信息擾動對宏觀交通流的影響，提出了兩個(gè)新的單車道交通流宏觀動力學(xué)擴(kuò)展模型。
　　 針對雙車耦合信息擾動和多車耦合信息擾動對宏觀交通流的影響，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，從雙車耦合擾動和多車耦合擾動兩種情形，分別提出了相應(yīng)的宏觀交通流動力學(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、動和多車耦合擾動后，穩(wěn)定性區(qū)域明顯增大。
　　 ③針對相鄰雙車道耦合和換道行為對交通流的影響，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。
　　 針對相鄰雙車道車輛間耦合效應(yīng)和換道行為，通過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。
　　 通過上述研究，本論文建立了一系列針對交通流耦合作用關(guān)系的宏微觀模型，對耦合效應(yīng)影響下的交通流動力學(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