交通流與網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、交通流和輸運(yùn)現(xiàn)象是人類社會(huì)和自然界普遍存在的動(dòng)力學(xué)過程，長期以來受到物理學(xué)家的廣泛關(guān)注。其中，頗具代表性且得到廣泛研究的是城市道路中的車輛交通流以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)包輸運(yùn)過程。一方面，隨著社會(huì)城市化進(jìn)程的加劇，交通擁堵問題日益嚴(yán)峻，不僅給人們出行帶來了不便，而且對(duì)環(huán)境和城市健康發(fā)展造成了不可估量的影響。為此，物理學(xué)家對(duì)交通阻塞產(chǎn)生的原因進(jìn)行了深入的分析，特別探討了在沒有交通事故條件下形成的自發(fā)交通擁堵現(xiàn)象，尋找引發(fā)交通擁堵的背后機(jī)制。另

2、一方面，隨著網(wǎng)絡(luò)尺寸和數(shù)據(jù)規(guī)模的增長，人們?cè)絹碓疥P(guān)注網(wǎng)絡(luò)承載力以及網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)效率的問題，因此更著眼于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量的影響。針對(duì)以上兩個(gè)基礎(chǔ)問題，物理學(xué)家常從微觀層面出發(fā)，將研究對(duì)象抽象為簡單個(gè)體，根據(jù)其相互作用機(jī)制構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型，分析模型展現(xiàn)的宏觀性質(zhì)是否與實(shí)際相符，從而為解決實(shí)際問題提出建議。
　　本文的主要內(nèi)容分為兩個(gè)部分:第一部分利用微觀的元胞自動(dòng)機(jī)模型研究車輛交通流，在傳統(tǒng)NS模型基礎(chǔ)上，考慮駕駛者的超車行為，

3、提出了NSOS模型，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和平均場方法，對(duì)NSOS模型的基本性質(zhì)進(jìn)行分析，并討論在三相交通流理論框架下的同步流特征。第二部分對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行研究，考慮了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的通信半徑為異質(zhì)的情況，研究在此條件下的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
　　具有創(chuàng)新性的研究工作如下三個(gè)方面:
　　1.基于NS(Nagel-Schreckenberg)模型，提出帶有超車策略的NSOS(OS，

4、Overtaking Strategy)模型。數(shù)值模擬結(jié)果顯示:(i)NSOS模型可以再現(xiàn)自發(fā)阻塞現(xiàn)象;(ii)相比NS模型，NSOS模型在高于最大流密度的區(qū)域提高了交通流。同時(shí)，利用諸如超車成功率、弛豫時(shí)間、關(guān)聯(lián)函數(shù)、序參量等方法對(duì)NSOS的相變（從自由流相到阻塞相）特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)NSOS模型在阻塞相具有與NS模型不同的行為，并且剎車概率是影響相變的主要因素。此外，利用平均場方法對(duì)NSOS模型進(jìn)行理論分析，從理論上解釋了剎車概率對(duì)

5、相變行為起主要作用的原因。
　　2.在三相交通流理論框架下，進(jìn)一步研究NSOS模型的同步流特性，分別討論周期性邊界條件和開邊界條件下的數(shù)值模擬結(jié)果。首先對(duì)NSOS模型的基本圖、時(shí)空?qǐng)D以及速度時(shí)空分布圖所展示的同步流特征進(jìn)行分析;隨后，為了進(jìn)一步證明同步流的存在，對(duì)關(guān)聯(lián)（自關(guān)聯(lián)和交叉關(guān)聯(lián)）函數(shù)及每分鐘內(nèi)交通流與局域車輛密度的關(guān)系進(jìn)行研究，其結(jié)果證實(shí)了NSOS模型中同步流的存在，并解釋了NSOS模型中出現(xiàn)同步流的原因。
　　3.

6、基于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)輸運(yùn)模型，對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信半徑服從冪律分布的情況進(jìn)行詳細(xì)的研究。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)出度分布服從冪律分布，入度分布服從泊松分布。數(shù)值模擬結(jié)果顯示:(i)存在臨界值Pc，當(dāng)數(shù)據(jù)包生成率P小于臨界值時(shí)網(wǎng)絡(luò)處于自由態(tài)，高于臨界值時(shí)網(wǎng)絡(luò)處于阻塞態(tài);(ii)在自由流區(qū)域，平均遷移時(shí)間取值很小且不隨數(shù)據(jù)包生成率發(fā)生變化，而平均路徑長度隨著數(shù)據(jù)包生成率的增加而增大，且與交通意識(shí)參數(shù)h相關(guān);(iii)節(jié)點(diǎn)通信半徑異質(zhì)越強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)的輸