基于格子流體力學模型的交通流建模及仿真研究.pdf

1、道路交通流的運行狀態(tài)直接影響整個城市交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一旦城市交通系統(tǒng)失穩(wěn)將給社會環(huán)境帶來各種不利因素，如交通堵塞、環(huán)境污染、資源浪費、事故頻發(fā)等。本文利用格子流體力學理論研究了封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)中的宏觀交通流建模問題。一方面，在封閉系統(tǒng)中借助智能交通系統(tǒng)理念，分別構建了單車道、雙車道格子流體力學模型，并對模型進行線性和非線性分析，通過數(shù)值仿真驗證理論分析結果，進一步在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域研究不同擾動在交通流中的演化情況;另一方面，城市交通系統(tǒng)本

2、身就是開放的復雜巨系統(tǒng)，而其中交通瓶頸是阻礙交通系統(tǒng)運行狀態(tài)的集中點，也是引起城市交通病的癥結所在。本文將新建的道路交通模型應用到不同類型的交通瓶頸中，重現(xiàn)了實測觀察到的交通流擁擠模式，分析不同交通擁擠模式演化機理及形成條件。具體來講，本文研究工作包括如下幾個方面:
　　(1)首先在封閉系統(tǒng)中，借助智能交通系統(tǒng)，充分考慮前面多個格子的密度信息對當前格子的影響，建立基于密度差格子流體力學合作駕駛模型。采用線性穩(wěn)定性理論和攝動理論對新

3、建模型進行分析，前者可以得到模型的線性穩(wěn)定性條件，后者推導出了描述擁擠區(qū)域密度波的mKdV方程，同時求得了關于密度的扭矩-反扭矩解。通過數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)合作駕駛能夠提高交通流的穩(wěn)定性。其次，把單車道密度差格子流體力學模型擴展到雙車道，建立雙車道格子流體力學模型。與合作駕駛模型一樣，通過上述兩種理論方法和數(shù)值模擬對該模型中的交通流特性進行了理論分析和仿真研究。結果表明:在雙車道系統(tǒng)中考慮密度差的作用同樣可以提高交通流的穩(wěn)定性。
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4、)進一步依據Kerner三相交通流理論中描述的同步流特征，單純的密度并不能完全反映擁擠區(qū)域的交通流狀況，因此本文考慮下游多個格子的流量信息建立合作駕駛模型。通過對所構建的新模型進行理論分析得到解析的線性穩(wěn)定性條件，通過非線性分析方法對模型進行分析，推導出了其mKdV方程并求得解析解。在上述分析的基礎上，本文采用敏感系數(shù)-密度的相空間圖闡述了流量差信息在改善交通流穩(wěn)定性方面的作用。并通過數(shù)值模擬得出在ITS系統(tǒng)中合作駕駛的最優(yōu)作用范圍。此

5、外，通過延伸研究將流量差作用引入到雙車道封閉系統(tǒng)中，建立了考慮流量差的雙車道格子流體力學模型。不僅從理論上對模型進行了線性和非線性研究，還對亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域擾動隨時間的演化情況進行了仿真研究，同樣得到了有意義的結論。
　　(3)基于本文所構建的雙車道密度差模型，在封閉系統(tǒng)中采用攝動方法推導模型的KdV方程，此方程中通過逆散射變換求得準確的孤子解。在開放邊界條件下對模型進行數(shù)值模擬，得到隨著時間的推移保持其形狀不變且向上游傳播的孤子。此外

6、，本文通過在開放系統(tǒng)下游設置格子的密度以隨機擾動的方式進行波動研究實測阻塞交通流模式。通過調整系統(tǒng)初始密度，系統(tǒng)復現(xiàn)了各種實測交通流擁擠模式，并給出了這些擁堵模式的相基本圖。實測的擁擠模式主要包括:運動局部阻塞、引發(fā)的時走時停交通波、震蕩擁擠流和均勻擁擠流。此外，通過數(shù)值模擬，給出了相基本圖中所有交通流模式的時空演化圖。
　　(4)為克服密度差雙車道格子流體力學模型中會出現(xiàn)車輛倒退的現(xiàn)象，本文采用改進的換道規(guī)則和流量轉移函數(shù)，建立

7、了新的雙車道格子流體力學模型。新模型不同于以前的雙車道模型，左右兩個車道的守恒方程各自獨立且通過換道相互關聯(lián)。首先，結合該模型，論文設計了確定型的入匝道和兩種隨機型入匝道。新模型應用于隨機型匝道系統(tǒng)時除了能夠預測第四章中的四種擁擠模式外，還能預測同步流(HST)擁擠模式和固定的局部集簇(PLC)。其次，設計入匝道與出匝道的組合匝道系統(tǒng)。新模型在組合交通瓶頸中依然能夠預測MLC、PLC、TSG、OCT和HCT擁擠模式，且在同樣的初始條件下