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原文传递交通流格子流体力学模型建模及仿真研究

论文题名：	交通流格子流体力学模型建模及仿真研究
关键词：	交通流;格子流体力学;激进驾驶;流差预估;诱导决策
摘要：	在中国大规模城市规划建设和智能交通系统(Intelligent Transportation Systems，简称ITS)发展的背景下，城市交通规划必须面向未来，城市交通控制必须面向宏观整体，开展宏观交通流理论的科学研究显得尤为重要。在利用已有交通流模型模拟某些真实交通现象的基础上，本文建立了若干个新的宏观流体力学格子交通流模型，并考察了各模型的特性。分别将激进驾驶特性以及当前车辆对前方多格点优化流差的预估信息作为新模型的控制项，研究这些特性对交通稳定性的影响;通过对新模型进行相应的理论分析和数值模拟，得到了交通流演变为稳态、亚稳态和不稳态的条件，提出了几种缓解交通拥堵的新方法，为自动驾驶、交通优化诱导等方面的进一步研究提供理论参考。　　本文研究工作包括如下几个方面: 　　1)从宏观层面，针对不同司机对前方信息的判断和预估后可以反馈出不同的加减速驾驶行为的交通现象，提出了一种激进驾驶交通流流体力学格子模型(Drivers'Aggressive Effect Lattice Hydrodynamic Model，简称DALH模型)，探索了不同的激进驾驶作用下交通拥堵宏观传播机制。　　首先采用线性和非线性稳定性分析对新建DALH模型进行稳定性研究，并与前人提出的模型进行了对比，结果表明考虑激进驾驶效应后系统的稳定区域扩大。其次通过数值模拟验证了理论分析结论的正确性，即如果能够利用下游近邻格点的交通流量和次近邻格点的流量预估，反馈给当前车辆，刺激当前车辆提前调整加减速，能够避免陷入交通拥堵状态，宏观上提高了交通流的稳定性。　　2)基于ITS的应用，提出了一种考虑前方多格点优化流差预估效应(MultipleOptimal Current Differences' Anticipation，MOCDA)的单车道合作驾驶格子模型（简称SMOCDA模型），从宏观角度考虑前方多格点优化流差的预估作用对交通流的影响，研究了亚稳态区域密度波的非线性特征。　　根据优化速度模型的思想，提出了一种多倍优化流差预估流体力学格子交通流模型。该模型把前方m个格点作为一个整体来分析，考虑了非局部效应。通过稳定性分析得到了中性稳定性曲线和共存曲线，采用敏感系数-密度的相空间图研究了多倍优化流差预估信息在改善交通流稳定性方面的作用，并用约化摄动法导出了密度波演化的modified Korteweg-de Vries(简称mKdV)方程。理论分析和数值仿真结果均表明，m值越大，预估作用越明显，交通流会越稳定。但考虑到现实情况中越远格点对当前格点影响程度越小，通过加权函数参数的设定，可以获得利用前方m个格点优化流差信息进行交通流优化的优化状态，该状态下既可以有效疏解拥堵，又不会产生资源浪费。　　3)在Nagatani提出的双车道宏观模型和前人在双车道格子模型的研究基础上，构建了一种考虑前方多格点优化流差预估效应的双车道合作驾驶格子模型（简称DMOCDA模型），同时细致地研究了亚稳态区域密度波的非线性特征。　　通过对前面章节的延伸研究，将多倍优化流差预估作用引入到双车道封闭系统中，构建了一种考虑多倍优化流差预估效应的双车道格子模型(Double-lane'sMultiple Optimal Current Differences Anticipation Effect，简称DMOCDA模型)。对DMOCDA模型进行线性稳定性分析、非线性稳定性分析和密度波仿真。理论分析表明在双车道中考虑多倍流差预估作用能进一步提高交通流的稳定，m和α值越大，交通流会越稳定。最后通过数值模拟得到了在ITS系统中前方多倍优化流差预估作用的最优作用范围。　　总之，本文主要利用流体力学格子模型进行交通流宏观建模、模拟和分析，提出了几个更有前瞻性新的格子模型，得到一些能宏观上提高交通流稳定性的方法，为将来V2X(Vehicle-to-X)和ITS背景下的汽车自动驾驶和优化诱导决策提供理论依据。
作者：	黎小琴
专业：	控制理论与控制工程
导师：	方康玲
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉科技大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文