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交通流复杂特性的微观建模与模拟

作　者: 田钧方
导　师: 贾斌；李新刚
学　校: 北京交通大学
专　业: 系统理论
关键词: 元胞自动机模型同步流宽运动堵塞入匝道系统跟驰模型
分类号: U491.112
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

摘要：近年来,交通流理论取得了长足的发展。随着越来越多的科学家投入交通流理论研究,越来越多的能够描述复杂交通现象的交通流模型开始涌现,并且应用于交通工程中。通常交通流模型被分为两类：宏观模型和微观模型。宏观模型将大量车辆看成可压缩连续介质,研究车辆集体的综合平均行为。微观模型通常指元胞自动机模型和跟驰模型。元胞自动机模型不仅规则灵活,便于数值模拟而且可以展现目前已经发现的各种交通现象。车辆跟驰模型描述单车道上车辆的运动轨迹。这些模型以及三相交通流理论目前已广泛用于交通工程中。本文主要研究跟驰模型和在三相交通流理论框架下的元胞自动机模型。具体工作如下：1.针对单车道MCD元胞自动机模型的不足之处,提出了新的单车道元胞自动机模型—BL-DAD模型,从而发现了一个可能导致实际交通中同步流现象的产生机制：根据不同的驾驶条件,司机会采取不同的加速度或者减速度来调节其行驶速度,其中不同的减速度是产生同步流的重要原因。经过计算机模拟发现,实验条件下BL-DAD模型可以较好地重现回滞、亚稳态、自由流、同步流、宽运动堵塞等一系列实测的交通现象。2.采用BL-DAD模型对入口匝道系统在开边界条件下进行了数值模拟,结果表明BL-DAD模型可以模拟大部分入口匝道处的交通模式,模拟结果同Kerner等人提出的三相交通流理论基本一致。但是,BL-DAD模型还无法模拟从自由流到同步流的一阶相变以及MSP交通模式。随后在BL-DAD模型的基础上提出了FBL-DAD模型。模拟结果表明该模型能够正确模拟从自由流到同步流的一阶相变。在对入口匝道系统在开边界条件下进行数值模拟发现,该模型能够正确模拟六种典型的交通模式。3.在全速度差模型的基础上提出了考虑速度期望效应的跟驰模型。然后通过线性稳定性分析得到了中性稳定性曲线,理论结果表明考虑速度期望效应有助于提高稳定性。此外,本文还推导出了交通运行过程出现的三种密度波,即稳定区域存在的以Burgers方程描述的三角激波,在亚稳定区域存在的以KdV方程描述的孤立波和在不稳定区域存在的以mKdV方程描述的扭结波。数值模拟结果表明速度期望效应不仅可以使交通流的稳定状态得到增强,而且可以避免在急刹车情况下事故的发生。最后,本文通过数值模拟证实了这三种密度波的存在,并且发现在不稳定区域小扰动会演化成为孤立波,而较大的扰动将演化成为扭结波。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 引言  11-28
  1.1 研究意义与背景  11-12
  1.2 描述交通特性的基本参数  12-13
  1.3 三相交通流论  13-19
  1.4 交通流理论模型  19-23
    1.4.1 车辆跟驰模型  20-21
    1.4.2 元胞自动机模型  21-22
    1.4.3 连续模型  22-23
    1.4.4 气体动理论模型  23
  1.5 交通流理论的工程应用  23-26
    1.5.1 AMSUN  23-24
    1.5.2 TRANSIMS  24-25
    1.5.3 三相交通流理论在交通工程中的应用  25-26
  1.6 本文的主要工作  26-28
2 元胞自动机模型研究  28-44
  2.1 研究背景  28-35
    2.1.1 NaSch模型  28-29
    2.1.2 VE模型  29
    2.1.3 CD模型  29-31
    2.1.4 同步流元胞自动机模型  31-35
  2.2 BL-DAD模型及其模拟分析  35-42
  2.3 本章小结  42-44
3 入口匝道系统和一阶相变的建模与模拟  44-57
  3.1 孤立瓶颈处的同步流模式  44-47
    3.1.1 局部的同步流模式  44-45
    3.1.2 扩展的同步流模式  45-46
    3.1.3 运动的同步流模式  46
    3.1.4 MSP与窄运动堵塞  46-47
    3.1.5 MSP与宽运动堵塞  47
  3.2 入口匝道系统建模与模拟  47-52
    3.2.1 入口匝道系统  47-48
    3.2.2 BL-DAD模型模拟入口匝道系统  48-52
  3.3 一阶相变的建模与模拟  52-55
  3.4 本章小结  55-57
4 考虑速度期望效应的跟驰模型  57-73
  4.1 模型的提出  57-59
  4.2 考虑速度期望效应的跟驰模型  59-60
  4.3 线性稳定性分析  60-61
  4.4 非线性分析  61-66
    4.4.1 Burgers方程  62-63
    4.4.2 KdV方程  63-65
    4.4.3 mKdV方程  65-66
  4.5 数值模拟  66-72
    4.5.1 期望速度效应对交通流的影响  66-69
    4.5.2 模拟交通流密度波  69-72
  4.6 本章小结  72-73
5 结论与展望  73-75
  5.1 本文工作总结和主要创新  73-74
  5.2 交通流理论研究的展望  74-75
参考文献  75-80
作者简历  80-82
学位论文数据集  82

交通流复杂特性的微观建模与模拟

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