交通流格子流體力學模型建模及仿真研究.pdf

1、在中國大規(guī)模城市規(guī)劃建設和智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation Systems，簡稱ITS)發(fā)展的背景下，城市交通規(guī)劃必須面向未來，城市交通控制必須面向宏觀整體，開展宏觀交通流理論的科學研究顯得尤為重要。在利用已有交通流模型模擬某些真實交通現(xiàn)象的基礎上，本文建立了若干個新的宏觀流體力學格子交通流模型，并考察了各模型的特性。分別將激進駕駛特性以及當前車輛對前方多格點優(yōu)化流差的預估信息作為新模型的控制項，研究這

2、些特性對交通穩(wěn)定性的影響;通過對新模型進行相應的理論分析和數(shù)值模擬，得到了交通流演變?yōu)榉€(wěn)態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)和不穩(wěn)態(tài)的條件，提出了幾種緩解交通擁堵的新方法，為自動駕駛、交通優(yōu)化誘導等方面的進一步研究提供理論參考。
　　本文研究工作包括如下幾個方面:
　　1)從宏觀層面，針對不同司機對前方信息的判斷和預估后可以反饋出不同的加減速駕駛行為的交通現(xiàn)象，提出了一種激進駕駛交通流流體力學格子模型(Drivers'Aggressive Effec

3、t Lattice Hydrodynamic Model，簡稱DALH模型)，探索了不同的激進駕駛作用下交通擁堵宏觀傳播機制。
　　首先采用線性和非線性穩(wěn)定性分析對新建DALH模型進行穩(wěn)定性研究，并與前人提出的模型進行了對比，結果表明考慮激進駕駛效應后系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域擴大。其次通過數(shù)值模擬驗證了理論分析結論的正確性，即如果能夠利用下游近鄰格點的交通流量和次近鄰格點的流量預估，反饋給當前車輛，刺激當前車輛提前調整加減速，能夠避免陷入交

4、通擁堵狀態(tài)，宏觀上提高了交通流的穩(wěn)定性。
　　2)基于ITS的應用，提出了一種考慮前方多格點優(yōu)化流差預估效應(MultipleOptimal Current Differences' Anticipation，MOCDA)的單車道合作駕駛格子模型（簡稱SMOCDA模型），從宏觀角度考慮前方多格點優(yōu)化流差的預估作用對交通流的影響，研究了亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域密度波的非線性特征。
　　根據(jù)優(yōu)化速度模型的思想，提出了一種多倍優(yōu)化流差預估流體力

5、學格子交通流模型。該模型把前方m個格點作為一個整體來分析，考慮了非局部效應。通過穩(wěn)定性分析得到了中性穩(wěn)定性曲線和共存曲線，采用敏感系數(shù)-密度的相空間圖研究了多倍優(yōu)化流差預估信息在改善交通流穩(wěn)定性方面的作用，并用約化攝動法導出了密度波演化的modified Korteweg-de Vries(簡稱mKdV)方程。理論分析和數(shù)值仿真結果均表明，m值越大，預估作用越明顯，交通流會越穩(wěn)定。但考慮到現(xiàn)實情況中越遠格點對當前格點影響程度越小，通過加

6、權函數(shù)參數(shù)的設定，可以獲得利用前方m個格點優(yōu)化流差信息進行交通流優(yōu)化的優(yōu)化狀態(tài)，該狀態(tài)下既可以有效疏解擁堵，又不會產生資源浪費。
　　3)在Nagatani提出的雙車道宏觀模型和前人在雙車道格子模型的研究基礎上，構建了一種考慮前方多格點優(yōu)化流差預估效應的雙車道合作駕駛格子模型（簡稱DMOCDA模型），同時細致地研究了亞穩(wěn)態(tài)區(qū)域密度波的非線性特征。
　　通過對前面章節(jié)的延伸研究，將多倍優(yōu)化流差預估作用引入到雙車道封閉系統(tǒng)中，構

7、建了一種考慮多倍優(yōu)化流差預估效應的雙車道格子模型(Double-lane'sMultiple Optimal Current Differences Anticipation Effect，簡稱DMOCDA模型)。對DMOCDA模型進行線性穩(wěn)定性分析、非線性穩(wěn)定性分析和密度波仿真。理論分析表明在雙車道中考慮多倍流差預估作用能進一步提高交通流的穩(wěn)定，m和α值越大，交通流會越穩(wěn)定。最后通過數(shù)值模擬得到了在ITS系統(tǒng)中前方多倍優(yōu)化流差預估作用