基于熱力學熵和混沌理論的城市道路交通系統(tǒng)的研究.pdf

1、城市道路交通系統(tǒng)的研究是依據(jù)一定的科學理論、科學思想和科學方法，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特性以及系統(tǒng)狀態(tài)進行分析，對系統(tǒng)內(nèi)部各個方面以及系統(tǒng)與外界的相互關(guān)系和相互作用規(guī)律從不同角度不同層面進行研究，并建立相關(guān)的數(shù)學和物理模型，從而揭示交通系統(tǒng)的發(fā)展演化規(guī)律。 研究城市道路交通系統(tǒng)的特性及其發(fā)展演化規(guī)律對于城市道路交通系統(tǒng)的控制與管理、系統(tǒng)的規(guī)劃與建設(shè)、甚至對整個城市的經(jīng)濟發(fā)展與建設(shè)都有著十分重要的意義。 城市道路交通系統(tǒng)的研究是交

2、通工程基礎(chǔ)科學理論研究的重要課題之一，長期以來，人們從不同方面對其進行了研究，并獲得了相應的研究成果，對社會和經(jīng)濟產(chǎn)生了積極的促進作用。但是采用物理學方法(包括動力學理論、熱力學熵理論、混沌理論等)從系統(tǒng)特征入手對其進行較全面和較深入的研究還不多見。 本文在借鑒國內(nèi)外成熟研究成果的基礎(chǔ)上，采用物理學原理和方法從不同角度對包括交通流系統(tǒng)在內(nèi)的城市道路交通系統(tǒng)的多個方面進行了深入研究。 論文從系統(tǒng)入手，首先分析了交通系統(tǒng)以及

3、交通流系統(tǒng)的特點和特性，提出了交通系統(tǒng)演化的基本原理。在此基礎(chǔ)上，進一步闡述了道路交通系統(tǒng)的熱力學特征，構(gòu)造了該系統(tǒng)的熱力學熵。 在分析道路交通系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，引入了交通勢的概念，闡述了交通勢的物理意義；分析了交通勢的影響因素，通過定義交通勢梯度，使相對交通壓力得到量化；論文根據(jù)交通流基本特性以及交通流與路網(wǎng)相互作用規(guī)律，提出了城市道路交通系統(tǒng)供需關(guān)系演化的蛛網(wǎng)模型，并基于混沌理論對該蛛網(wǎng)模型相關(guān)問題進行了討論，從中得到了相應

4、的結(jié)論。 基于城市道路交通與城市發(fā)展的相互作用中所存在的負反饋特性，提出了道路交通系統(tǒng)發(fā)展演化的動力學模型；對城市道路交通系統(tǒng)發(fā)展演化的邏輯斯蒂(S形)曲線的特性進行了分析，特別是對曲線上的三個關(guān)鍵點進行了深入分析，得出了有益的結(jié)論；最后根據(jù)混沌分形理論對其進行了進一步闡述和分析。 論文依據(jù)動力學原理對交通流模型進行了研究。首先，對路段交通壓力進行了深入分析，明確了它的物理意義；通過引入相對交通壓力和相對動量的概念，并依

5、據(jù)動量定理推導得出交通流微分方程；其中粘滯阻力項是在公式推導過程中自然導出的，避免了人為引入?yún)?shù)的隨意性，此項的獲得對實際交通流的微分方程的應用和相關(guān)公式的推導具有重要意義；在推導交通流微分方程的基礎(chǔ)上，進一步考慮到實際應用條件，從而導出了格林希爾治方程和一維線性跟馳模型，從而使得交通流理論中的幾個重要公式獲得了理論上的統(tǒng)一。 采用熱力學熵理論的方法對交通流系統(tǒng)進行了研究。首先，對熱力學熵的構(gòu)成進行了分析研究，總結(jié)歸納出了構(gòu)造方

6、法，并以此建立了交通流系統(tǒng)的熱力學熵；然后通過分析熵理論中廣義流產(chǎn)生的原因，進而揭示了交通流系統(tǒng)中熱力學熵產(chǎn)生的內(nèi)部機制：最后根據(jù)熵理論，推導得出了具有動力學特征的道路交通系統(tǒng)中的交通流微分方程。由于是首次引入了熱力學熵對交通流系統(tǒng)進行研究，加之已有的關(guān)于交通流系統(tǒng)的統(tǒng)計熵研究和討論，從而構(gòu)成了一個較為完整的交通流熵理論體系。 本文對交通波進行了研究，首先對交通波進行了三個狀態(tài)的劃分，通過分析前后兩個斷面交通流的流入和流出率，導

7、出交通波的擴展和收縮方程；以此為基礎(chǔ)，討論了起動波及消散時間、停車波及停車長度等問題，還對交通流通過交叉口進行了動態(tài)分析。 以可持續(xù)發(fā)展為目標，提出了城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局評價的基本思想和原則，分析和確定了評價指標以及相應的影響因素和修正系數(shù)；建立了路網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局的評價模型；并將其應用于實際評價當中，效果良好。 在分析城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其功能的基礎(chǔ)上，將路網(wǎng)劃分為主通路和連接路段；在分析主通路、連接路段以及交叉口可靠性的基礎(chǔ)上，通過

8、引入連通度修正因子，導出了OD路網(wǎng)可靠性公式；通過實例應用和深入分析，揭示了連通度在實際路網(wǎng)中具有的雙重效應。 通過定義路網(wǎng)的微觀態(tài)、時效及其時效熵，建立了路網(wǎng)系統(tǒng)的時效熵公式，并給出了計算步驟：根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合的通行時間概率分布曲線，定義了路徑選擇風險和路徑選擇風險熵，實現(xiàn)了對出行路徑選擇風險的量化描述。 在混沌吸引子原理的基礎(chǔ)上，通過對交通流時間序列進行相空間重構(gòu)，分析了臨近點與預測點相關(guān)性，確定了相關(guān)權(quán)重；通過對綜

9、合權(quán)重的確定，建立了修正后的一階線性預測模型；通過進一步地深入分析指出，預測結(jié)果與演化過程中相鄰相點間各維分量之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系有關(guān)；通過合理地利用轉(zhuǎn)化關(guān)系，將實際值的預測轉(zhuǎn)化為了分量百分比的預測，并通過綜合分析，建立了基于混沌吸引子的多元線性回歸預測模型，其預測結(jié)果與實際情況較為接近。 采用灰關(guān)聯(lián)度和信息熵結(jié)合的方法對交通影響因素進行了排序。由于用灰關(guān)聯(lián)度法進行排序可能造成突出個別大關(guān)聯(lián)測度值對結(jié)果的影響，進而使排序結(jié)果與實際