交通流的介觀與微觀模型及其應(yīng)用.pdf

1、本文從介觀和微觀角度研究交通流的建模和模擬。面對(duì)我國(guó)交通平面、混合與低速的實(shí)際特征以及交通規(guī)劃、管理實(shí)踐中的信息化與智能化的趨勢(shì)，基于Nagel-Schreckenberg(NaSch)元胞自動(dòng)機(jī)模型，建立了適用于汽車(chē)-摩托車(chē)混合交通的改進(jìn)型模型，并針對(duì)一類(lèi)較為實(shí)際的雙路徑交通情境研究了實(shí)時(shí)信息反饋對(duì)交通系統(tǒng)的影響；為了克服傳統(tǒng)的介觀模型中包含復(fù)雜的積分微分項(xiàng)所導(dǎo)致的困難，建立了道路交通流的格子玻爾茲曼模型，并將其推廣到城市網(wǎng)絡(luò)交通流的

2、建模研究中。相關(guān)的模擬表明，所建立的模型可以再現(xiàn)交通流的復(fù)雜非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)特性。 一.汽車(chē)與摩托車(chē)混合交通建模研究 基于劃分“虛擬子車(chē)道”的思想，推廣了描述單車(chē)道汽車(chē)流的NaSch模型，首次嘗試建立了汽車(chē)-摩托車(chē)混合交通流模型。通過(guò)在周期性邊界條件下進(jìn)行的數(shù)值模擬，詳細(xì)考察了這種混合交通流的流量.密度關(guān)系以及摩托車(chē)的“換道”行為。模擬發(fā)現(xiàn)，在摩托車(chē)“換道”行為的影響下，最大汽車(chē)流量明顯降低，而最大總體車(chē)流量則隨著摩托車(chē)密度

3、的增加而先增后減，且模型中總體車(chē)流由自由流向擁擠交通的相變是平滑的。摩托車(chē)“換道”率隨汽車(chē)密度演化的趨勢(shì)相當(dāng)復(fù)雜，但最終將隨著汽車(chē)密度的增加而趨于零。所發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)令人感興趣的事實(shí)是：隨著摩托車(chē)密度增加，摩托車(chē)“換道”率先增后減，與前人在多車(chē)道純汽車(chē)流中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象十分相似。當(dāng)摩托車(chē)密度較小時(shí)，“換道”行為幾乎無(wú)助于提高摩托車(chē)流量。但是，當(dāng)摩托車(chē)密度足夠大時(shí)，“換道”行為可顯著提高摩托車(chē)流量，而且這時(shí)隨汽車(chē)密度增加，摩托車(chē)流量逐漸降低并趨

4、于與摩托車(chē)NaSch模型一致。數(shù)值模擬結(jié)果表明，除非摩托車(chē)密度甚大而汽車(chē)密度甚小，實(shí)施摩托車(chē)與汽車(chē)分道行駛確有必要。 二.雙路徑交通流決策動(dòng)力學(xué)研究 針對(duì)一類(lèi)包含長(zhǎng)短不同路徑的雙路徑交通情境，基于NaSch元胞自動(dòng)機(jī)模型，討論了各種信息反饋策略對(duì)交通系統(tǒng)的影響。分析了現(xiàn)有策略的不足之處，提出了一類(lèi)預(yù)測(cè)策略與無(wú)預(yù)測(cè)策略聯(lián)合使用的新途徑。在適當(dāng)?shù)拈_(kāi)放邊界條件下進(jìn)行的數(shù)值模擬顯示，與無(wú)信息反饋相比，信息反饋策略可在一定程度上提

5、高交通效率，但各種信息反饋策略的效果并不相同。一般而言，雙路徑策略?xún)?yōu)于單路徑策略，有預(yù)測(cè)策略?xún)?yōu)于無(wú)預(yù)測(cè)策略。除了一些有預(yù)測(cè)策略以外，其它策略都會(huì)引起平均密度和平均速度的振蕩。此外，還考察了各種信息反饋策略對(duì)雙路徑系統(tǒng)中長(zhǎng)路徑的影響。模擬結(jié)果還表明，各種信息反饋策略都或多或少地對(duì)兩條路徑中長(zhǎng)路徑上的交通產(chǎn)生影響，不過(guò)，有預(yù)測(cè)策略產(chǎn)生的影響通常小于無(wú)預(yù)測(cè)策略。但在長(zhǎng)路徑上的交通負(fù)載過(guò)重的情況下，即使是有預(yù)測(cè)策略在提高交通效率等方面也無(wú)明顯效

6、果。本項(xiàng)研究證實(shí)：控制交通的正確誘導(dǎo)策略極其重要。 三.道路交通流的格子玻爾茲曼模型建模研究 由于存在復(fù)雜的積分微分項(xiàng)，直接應(yīng)用傳統(tǒng)的介觀交通流模型通常非常困難。因此，本文基于類(lèi)Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)近似與時(shí)間和相空間的離散化，建立了道路交通流的格子玻爾茲曼模型(LBM)。該模型屬于離散模型，具有形式簡(jiǎn)潔、參數(shù)物理意義明確的特點(diǎn)。因此，利用該模型可以方便地實(shí)現(xiàn)交通流模擬。隨后，文中利用Tay

7、lor展開(kāi)與Chapman-Enskog展開(kāi)考察了模型的宏觀動(dòng)力學(xué)特性。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行?，在周期性邊界條件下進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果顯示：模型能夠合理地再現(xiàn)基本圖，且能夠捕捉一些基本的非線(xiàn)性物理現(xiàn)象，如亞穩(wěn)態(tài)和時(shí)停時(shí)走交通等。結(jié)果表明，格子玻爾茲曼模型是一種行之有效的交通模型。 四.基于格子玻爾茲曼模型的城市網(wǎng)絡(luò)交通流建模研究 揭示道路交通網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)特性具有重要意義，目前在介觀層次上研究交通網(wǎng)絡(luò)的工作尚不多見(jiàn)。基于將Bi

8、ham-Middleton-Levine(BML)元胞自動(dòng)機(jī)模型與路段格子玻爾茲曼模型相耦合的思想，建立了一個(gè)適用于城市網(wǎng)絡(luò)交通流的格子玻爾茲曼模型。該模型通過(guò)將具有紅綠燈的交叉口視為隨時(shí)間演變的邊界條件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市網(wǎng)絡(luò)交通流的介觀描述。通過(guò)數(shù)值模擬，詳細(xì)考察了平均速度隨時(shí)間的演化行為，得到了與Chowdhury-Schadschneider(ChSch)元胞自動(dòng)機(jī)模型相符的結(jié)果，而且由于離散模型具有統(tǒng)計(jì)噪聲較小的特征，因而具有較高的計(jì)