交通流格子流體力學(xué)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(shè)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(xué)研究顯得尤為重要。在利用已有交通流模型模擬某些真實(shí)交通現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，本文建立了若干個(gè)新的宏觀流體力學(xué)格子交通流模型，并考察了各模型的特性。分別將激進(jìn)駕駛特性以及當(dāng)前車輛對前方多格點(diǎn)優(yōu)化流差的預(yù)估信息作為新模型的控制項(xiàng)，研究這

2、些特性對交通穩(wěn)定性的影響;通過對新模型進(jìn)行相應(yīng)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(dòng)駕駛、交通優(yōu)化誘導(dǎo)等方面的進(jìn)一步研究提供理論參考。
　　本文研究工作包括如下幾個(gè)方面:
　　1)從宏觀層面，針對不同司機(jī)對前方信息的判斷和預(yù)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(jìn)駕駛交通流流體力學(xué)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(jìn)駕駛作用下交通擁堵宏觀傳播機(jī)制。
　　首先采用線性和非線性穩(wěn)定性分析對新建DALH模型進(jìn)行穩(wěn)定性研究，并與前人提出的模型進(jìn)行了對比，結(jié)果表明考慮激進(jìn)駕駛效應(yīng)后系統(tǒng)的穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大。其次通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了理論分析結(jié)論的正確性，即如果能夠利用下游近鄰格點(diǎn)的交通流量和次近鄰格點(diǎn)的流量預(yù)估，反饋給當(dāng)前車輛，刺激當(dāng)前車輛提前調(diào)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(yīng)用，提出了一種考慮前方多格點(diǎn)優(yōu)化流差預(yù)估效應(yīng)(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(diǎn)優(yōu)化流差的預(yù)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(yù)估流體力

5、學(xué)格子交通流模型。該模型把前方m個(gè)格點(diǎn)作為一個(gè)整體來分析，考慮了非局部效應(yīng)。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(yù)估信息在改善交通流穩(wěn)定性方面的作用，并用約化攝動(dòng)法導(dǎo)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(jié)果均表明，m值越大，預(yù)估作用越明顯，交通流會(huì)越穩(wěn)定。但考慮到現(xiàn)實(shí)情況中越遠(yuǎn)格點(diǎn)對當(dāng)前格點(diǎn)影響程度越小，通過加

6、權(quán)函數(shù)參數(shù)的設(shè)定，可以獲得利用前方m個(gè)格點(diǎn)優(yōu)化流差信息進(jìn)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(huì)產(chǎn)生資源浪費(fèi)。
　　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(chǔ)上，構(gòu)建了一種考慮前方多格點(diǎn)優(yōu)化流差預(yù)估效應(yīng)的雙車道合作駕駛格子模型（簡稱DMOCDA模型），同時(shí)細(xì)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(yù)估作用引入到雙車道封閉系統(tǒng)中，構(gòu)

7、建了一種考慮多倍優(yōu)化流差預(yù)估效應(yīng)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(jìn)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(yù)估作用能進(jìn)一步提高交通流的穩(wěn)定，m和α值越大，交通流會(huì)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(yù)估作用