基于交通信息的宏觀交通流模型研究.pdf

1、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使了交通需求的快速增長，從而導(dǎo)致了越來越嚴(yán)重的交通擁堵問題，以及隨之而來的環(huán)境污染和交通安全問題。交通流模型主要研究交通流演化規(guī)律，深入挖掘交通流的本質(zhì)特性，分析交通擁堵機(jī)理，能夠幫助緩解交通擁堵，減少交通能耗和排放。智能交通系統(tǒng)通過車載導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、車間通訊系統(tǒng)，以及可變信息板、交通廣播等提供關(guān)于交通狀況的實(shí)時(shí)信息給道路用戶，幫助其減少出行時(shí)間，提高行程速度，適時(shí)調(diào)整路線，達(dá)到引導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)車輛安全快速駕駛，從而緩解

2、擁堵的目的。交通流宏觀模型有數(shù)學(xué)上解易獲得、物理上意義明確的優(yōu)點(diǎn)。因此，建立和分析基于交通信息的宏觀交通流模型，不管是對交通流理論的發(fā)展，還是對現(xiàn)實(shí)中的交通管理、規(guī)劃和控制，都是非常有意義的問題。本論文的主要工作如下:
　　(1)基于Nagatani的基本格子流體力學(xué)交通流模型，考慮前車多密度差信息，對雙車道交通系統(tǒng)建立了擴(kuò)展的前車多密度差信息效應(yīng)模型。進(jìn)行線性和非線性穩(wěn)定性理論分析，導(dǎo)出模型的穩(wěn)定性條件，和臨界點(diǎn)附近的mKdV方

3、程，及其相應(yīng)的反映非線性密度波的扭結(jié)一反扭結(jié)孤子解。理論分析的結(jié)果表明在雙車道交通系統(tǒng)中考慮多密度差交通信息，能夠增大交通流穩(wěn)定域。原因是當(dāng)在駕駛過程中考慮更多前方位置的車時(shí)，駕駛?cè)丝梢垣@得更綜合的交通信息，從而適時(shí)地改變速度來增加整體行駛速度，減少交通流走走停停波，達(dá)到緩解擁堵的效果。周期邊界條件下的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果，且發(fā)現(xiàn)多密度差交通信息能夠幫助減少交通系統(tǒng)能量消耗和減少交通污染排放，進(jìn)一步還發(fā)現(xiàn)前方三個(gè)格子的多密度

4、差信息已能有效改善交通流狀況，隨著駕駛?cè)丝紤]信息的前方格子數(shù)量的繼續(xù)增多，交通流穩(wěn)定性和交通系統(tǒng)能量消耗以及交通排放已不再發(fā)生明顯變化。
　　(2)針對雙車道交通系統(tǒng)中前車多密度差和多流量差組合信息效應(yīng)，提出了擴(kuò)展的前車多信息效應(yīng)格子交通流模型。考察了新模型對交通流穩(wěn)定性和交通系統(tǒng)能量消耗的影響。采用線性穩(wěn)定性理論分析得到了穩(wěn)定性條件，應(yīng)用約化攝動法進(jìn)行了非線性穩(wěn)定性分析，從臨界點(diǎn)附近的mKdV方程導(dǎo)出扭結(jié)-反扭結(jié)孤子解。扭結(jié)-反

5、扭結(jié)孤子解的變化反映了密度波的波動和現(xiàn)實(shí)中交通的走走停停現(xiàn)象。進(jìn)行了周期邊界條件下的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果:駕駛?cè)双@得的信息越多，交通流越穩(wěn)定，交通能耗也越少。甚至發(fā)現(xiàn)在兩種類型的組合信息效應(yīng)下，僅僅考慮前方一個(gè)格子的前車信息就比單種信息效應(yīng)下考慮前方三個(gè)格子的前車信息更能增強(qiáng)交通流穩(wěn)定性和節(jié)約交通系統(tǒng)能量。
　　(3)進(jìn)一步提出雙車道格子交通流信息效應(yīng)的統(tǒng)一模型，并對不同的信息效應(yīng)進(jìn)行比較。線性和非線性分析的結(jié)果表明增強(qiáng)

6、交通流穩(wěn)定性效果最好的是多密度差信息效應(yīng)，其次是密度差信息效應(yīng)和多流差信息效應(yīng)，最后是流差信息效應(yīng)。周期邊界條件下的數(shù)值實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論結(jié)果。大體來說，密度差信息比多流差信息對改善交通流的效果稍好些，但當(dāng)密度在0.25左右時(shí)，多流差信息比密度差信息能更大程度地增加穩(wěn)定域。原因是一個(gè)小的流率值既可能相應(yīng)于暢通的交通也可能相應(yīng)于擁擠的交通。結(jié)果還表明了這些交通信息對交通能耗和交通排放的影響與對交通流穩(wěn)定性的影響一致。
　　(4)在帶有分

7、叉和合并的雙路徑交通網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)上游需求固定、下游有瓶頸時(shí)，在系統(tǒng)中引入考慮實(shí)時(shí)交通信息的動態(tài)車，采用元胞傳輸模型分析系統(tǒng)的動態(tài)演化過程和最終狀態(tài)。動態(tài)車參與之后，除了原有的暢通穩(wěn)定狀態(tài)、衰減振蕩狀態(tài)和永久性周期振蕩狀態(tài)之外，系統(tǒng)中還出現(xiàn)了三個(gè)新的狀態(tài):擁堵的路徑切換狀態(tài)，此時(shí)擁堵排隊(duì)幾乎到達(dá)分叉點(diǎn);兩條路都能達(dá)到自由流的周期性路徑切換狀態(tài)，和只有通行能力小的路能夠達(dá)到自由流的周期性路徑切換狀態(tài)。模擬結(jié)果表明道路條件確定時(shí)，交通狀態(tài)是受動

8、態(tài)車比例、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及靜態(tài)車在兩條路徑上的固定轉(zhuǎn)移率影響的，因此分析結(jié)果對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和ITS管理和控制是有益的。
　　(5)針對上一部分提出的雙路徑交通網(wǎng)絡(luò)，采用宏觀網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動波模型分析網(wǎng)絡(luò)的宏觀動態(tài)演化過程，包括分叉和合并處的排隊(duì)后溢和激波傳播過程。在兩條中間路段的通行能力比例、固定選擇其中一條路的靜態(tài)車的比例和動態(tài)車的比例確定時(shí)，推導(dǎo)了系統(tǒng)的分析解。分析結(jié)果表明，動態(tài)車引入之后，系統(tǒng)出現(xiàn)了和上一部分模擬結(jié)果相同的三個(gè)新狀態(tài)，此外還