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上海大学博士学位论文交通流的介观与微观模型及其应用姓名：孟剑平申请学位级别：博士专业：流体力学指导教师：戴世强20080501交通流的介观与微观模型及其应用作者：孟剑平学位授予单位：上海大学相似文献(10条)1.学位论文刘章交通流宏微观模型在城市道路交通中的应用及实测分析2008我国是一个人口众多的国家，随着近年来经济的高速增长和人民生活水平的提高，以及城镇化政策的实施，我国的机动车数量在急剧增加，城市交通量因而迅速增大，交通的一系列负面因素如事故，拥堵，环境污染越来越成为人们关注的焦点，我国每年因交通拥堵造成的GDP损失高达5％-8％。解决交通问题不能只依靠盲目地增加交通设施，对交通科学地管理和规划实为当务之急，而这些必须建立在对交通问题作科学研究的基础上。各国专家学者们对于交通问题的研究开展已久，并取得了很多重要的成果，产生了巨大的经济效益。我国每年在交通建设方面都投入巨资，交通流研究也开始引起关注并得到重视。交通流研究是一个涉及物理、数学、计算机、工程、环境等许多学科的交叉边缘学科，本文的工作主要着眼于城市的交通问题，运用交通流元胞自动机模型和各向异性流体力学模型，模拟和分析城市交通中一些有特点的交通状况：(一)行人自助红绿灯(或称行人自助红绿灯)是一类比较特殊的红绿灯，它对主干道交通的影响有别于普通红绿灯。因为穿越主干道的行人流速度慢，可压缩性大，随机性强，普通红绿灯应用于此将有很多缺点。行人自助红绿灯的触发有随机性，因此主干道的连续车流会被随机地阻断，引起间断流。本文工作之一是应用NaSch模型模拟和分析行人自助红绿灯在城市主干道中的影响，并对模拟的结果进行了分析，行人触发概率是一个重要的参数，它影响着主干道车流从自由流到随机截断再到周期截断的过程。(二)在实际的城市交通流中，车长也是影响交通的因素之一，因此，有一些学者引入了多元胞的交通流元胞自动机模型，即不是一辆车占据一个格点，而是一辆车占据其前进方向上连续的若干个格点，这样更易于模拟城市交通中复杂的车辆行为。我们对双车道情况的多元胞NaSch模型进行了数值模拟和分析，发现车长因素对模型的影响至少有两方面：一是车长过长时，因速度值太大引起车辆延迟作用的减弱，导致出现类似VDR模型的亚稳态；二是车流扰动效应的凸现，产生的影响是换道车辆对整体流量的微扰作用加剧引起流量的减小。(三)本文还利用各向异性流体力学模型模拟了交叉路口右转车流的交通情况，并与实测结果比较分析。在模拟结果与实测结果基本吻合的基础上，我们假设了两种右转方式，并进行了数值模拟和实用性分析：一是右转车辆通过长度不同的右转车辆专用车道，从交叉口下游进入目标车道，二是车辆在交叉口和交叉口下游都可以进入。在文章的最后，我对自己的工作进行了总结，并展望未来的交通流理论研究。2.期刊论文王华东.吴铁军一种新的交通流矢量场微观模型-中国公路学报2003,16(2)在分析非机动车行驶特性的基础上,根据场的理论与相关的交通流理论,用矢量表示非机动车的速度与加速度,综合考虑周围所有运动物体与道路的影响,建立了一种新的非机动车流矢量场微观模型,仿真与回归分析的结果证明该模型能准确地实现非机动车的交通特点.3.学位论文李莉交通流模型及其数值仿真2005合理准确的交通流模型不仅有利于理解车辆的行驶行为，而且对分析交通流状况，规划交通路网和实现交通优化控制策略有着十分重要的作用。近几十年来，不同领域的研究者从各自的角度对交通流的特性进行分析，建立了许多交通流理论和模型。通常可以将这些模型分为：微观交通流模型(包括车辆跟驰模型和元胞自动机模型)、中观交通流模型以及宏观交通流模型模型。本文重点研究微观车辆跟驰行为，特别选取了两种典型的交通流状况，即头车根据预先给定的速度描述做加速或者减速运动而引起车辆队列运动的情形来进行数值模拟。首先对经典的优化速度模型(optimalvelocitymodel，OVM)和GFM模型(Generalizedforcemodel)进行数值仿真，结果显示出现不尽如人意的现象。据此，论文提出了加速度调节车辆跟驰模型——AACM(Acceleration-adjustmentCar-followingModel)，改进了以上两个模型的不足之处，AACM在稳定性、模拟现实交通流系统中存在的各种状态以及现象，如：交通流相变等方面表现出了良好的性能。同时研究了AACM中参数之间的关系、车辆运动延迟时间以及线性稳定性等。众所周知，混合车型是道路交通流的基本构成，车辆属性的不同是确定交通流稳定性的一个重要因素，因此论文在AACM的基础之上提出了多车辆种类车辆跟驰模型，并讨论了其稳定性。特别地，对两类车型以及三类车型混合交通流系统进行数值仿真，得出这两种混合交通流系统的线性稳定性与其中车辆所占比例之间存在一定关系的结论。为了更加接近实际地理解交通动态变化，论文还在AACM中考虑了由于驾驶员反应而引起的车辆运动延迟，提出了“加速度调节时间”的概念，对相应模型AACMDT(Acceleration-adjustmentCar-followingModelwithDelayTime)的数值仿真结果显示：“加速度调节时间”这一概念的提出使得AACMDT允许模型参数取到更加符合实际交通的数值。由于宏观模型与微观模型之间存在着一定的联系，论文介绍了近几年来发展的几种比较典型的联系微观车辆跟驰模型与宏观交通流模型的系统性方法，随后引入了连续车辆数的概念，将AACM转化为相应的宏观交通流模型，并研究了相应宏观模型的特征属性。论文还采用基于波前的非线性方法研究了一类各向异性宏观交通流模型以及Payne-Whitham型宏观交通流模型的稳定性，并结合Padé逼近方法进行相应的数值仿真，得到的结果与理论分析相一致。另外，论文介绍了表征交通流特性的一些基本变量，讨论交通流连续性理论的基本关系曲线，并简单介绍了三相交通理论以及交通流模型的稳定性定义，通过分析各类已有的交通流模型，总结这些模型的优缺点，进一步指导了论文中模型的建立。最后，论文提出了对本课题的结论和展望，包括：基于模型的混合交通流基本参数研究、城市专用公交线路模型研究和利用计算机进行交通仿真等。4.学位论文黄继敏基于车辆微观模型的交通流仿真2003该文以城市道路交通中车辆运动微观模型为基础,以开发城市交通流仿真软件系统为重点,主要展开了以下研究内容.确立了城市道路交通微观仿真的模型体系结构,该模型体系由交通需求模型、路网描述模型、方案描述模型、车辆行驶模型所构成,模型体系结构的确立为该文的建模研究确立了框架.以模型体系结构为框架,建立了城市道路交通微观仿真的核心模型.建立了交通仿真专家系统,在对车辆的运行进行分析后将车辆进行了分类处理,根据车辆分类的不同,分别采用不同的控制推理技术,专家系统的输出结果为车辆下一时刻的对车辆不同行驶模型的选择.提出了城市道路交通微观仿真软件系统开发中对一些关键技术问题的处理方法.5.学位论文葛红霞基于诱导信息的交通流动力学特性与非线性密度波研究2006本文的工作旨在研究路段交通流理论中的若干前沿性问题：在现有交通流宏微观模型的基础上，考虑到智能交通运输系统的效能和模型的实际可用性，提出改进的模型，并进行相应的理论分析和数值模拟；进而探讨宏微观模型之间的相互联系；特别侧重于考察交通流中普遍存在的各种非线性密度波。全文的主要工作如下：一、在NaSch元胞自动机模型中考虑可变安全间距和期望效应对交通流演化的影响。在NaSch元胞自动机交通流模型的基础上，考虑最近邻车辆对当前车辆运动状态的影响时，引入有效间距，并提出可变安全间距的新概念。传统的安全间距通常设置一个最小值，并且取为常数，而可变安全间距则与当前车速度成正比，亦即，当前车的车速越大，所需的安全间距也就越大。根据数值试验的结果，确定了可变安全间距与当前车速度的一个比例因子，称之为速度调节因子τ=0.5，从而建立一种新模型一计及可变安全间距的NaSch模型。在此基础上，我们进一步研究改变慢化概率步骤在演化规则中的顺序对模型产生的影响，提出另一种新的元胞自动机模型一可变安全间距敏感驾驶模型。模拟结果显示，两种改进的模型所得到的最大流量均大于NaSch模型得到的结果，更符合交通实测数据，而用敏感驾驶可变安全间距模型模拟得到的结果更接近于实际。我们还给出了一种基于智能交通系统(ITS)考虑的元胞自动机新模型，即合作驾驶元胞自动机模型。模型中包括了刹车灯、可变安全间距以及慢启动等现实交通因素。文中还分析快车和慢车并存的混合交通流，数值模拟表明：车流中只要有慢车加入，不论比例大小，都会极大程度地影响整个交通流量，因此有必要严格执行快慢车分道行驶的规则，这应该成为解决我国当前交通难问题的有效手段之一。我们还探讨该模型中提供诱导信息的最佳前方车辆数目，提出选取方案，并通过随后的跟驰模型和格子流体力学模型分析给出了理论说明。合作驾驶能够大幅度提高道路实际通行能力，从而进一步证实ITS是发展现代化交通的行之有效的途径。二、将车辆跟驰模型中方程的三种类型进行比较和归纳，导出KdV和mKdV方程的解的统一形式。归纳了车辆跟驰模型中方程的三类表现形式：一阶常微分方程、二阶常微分方程和差分方程；研究在不同交通流区域中密度波所呈现的形式，大致分为：稳定性区域，亚稳态区域和不稳定区域。对不同的区域可以导出各自的非线性发展方程：Burgers方程、KdV方程和mKdV方程，用以描述相应的密度波。三类方程密度波的推导过程既有类似之处，也有一定的区别，经过详细比较，针对不同情形得到的统一方程及其统一解，只要能将各方程相应的系数代入统一方程中，就能快速准确地得到结果。我们把得到的结果与已知工作进行对比，发现在同样的参数条件下两者一致，说明了统一方程和统一解的正确性。对于未进行过密度波非线性分析的模型(例如姜锐—吴清松的全速度差模型)，用我们的思路也可以迅速得到所需要的解。因此，我们的方法具有普遍适用性和有效性。三、基于ITS的应用，提出了合作驾驶车辆跟驰模型，考虑了前方任意辆车对交通流演化的影响。同时细致地研究了在亚稳态区域和不稳定区域密度波的非线性特征。根据ITS诱导下的合作驾驶车辆跟驰的思想，给出新的优化速度函数—即描述前方n辆车与当前车运动之间关系的非线性函数，把前方n辆车作为一个整体来分析，考虑了非局部效应。通过线性稳定性分析得到中性稳定曲线，并用约化摄动法导出密度波演化的mKdV方程和KdV方程。当n=1时，所得结果与已有的研究结论相一致，数值模拟与解析结果完全吻合。理论上来说，n值越大，交通流会越稳定；而n越大，需要收集和处理的交通诱导信息量就越大。经分析，我们确定n=3是合作驾驶跟驰模型的优化状态，也就是说，仅考虑前方3辆车对当前车的影响既可以有效地舒解交通拥堵，又不会产生资源浪费或导致交通诱导的困难。通过对该模型的分析，为合作驾驶元胞自动机模型中提供诱导信息的前方车辆数的选取提供了理论基础。通过数值模拟观察到，同样条件下，小扰动在合作驾驶跟驰模型中随着n的增大而发展为交通拥塞的可能性下降；同样，在大扰动下，考虑前方3辆车比仅考虑前方1辆车使交通流更加稳定，频繁出现的时走时停交通会转变为宽幅运动阻塞。四、基于ITS的应用，提出合作驾驶格子流体力学模型，从宏观角度考虑前方任意辆车对交通流的影响。研究了不稳定区域密度波的非线性特征。从宏观模型出发研究ITS的应用显示出一定的优越性。我们提出两种合作驾驶格子流体力学模型。模型中给出新的优化速度函数，同样考虑非局部效应。在临界点附近，获得了两种模型的非线性密度波方程—mKdV方程，用以描述导致交通阻塞产生的扭结反扭结密度波。线性稳定性分析和数值模拟表明：模型在选取不同的优化速度函数时，虽然得到了不同的临界敏感度和小扰动传播速度，但差别并不显著，因而确定了前方要考虑的格子数n=3是优化状态，与微观跟驰模型相一致。当n=1时，所得结果与已有文献给出的结论一致。该类模型从宏观角度同样为合作驾驶元胞自动机模型前方车辆数的选取提供了理论依据。五、从宏观的流体力学模型角度分析交