详情

原文传递基于驾驶行为特性的交通流动力学建模与稳定性分析研究

论文题名：	基于驾驶行为特性的交通流动力学建模与稳定性分析研究
关键词：	交通流;驾驶行为;元胞自动机;记忆效应;智能交通系统;鸣笛效应
摘要：	目前，交通问题已成为制约城市可持续发展的主要瓶颈，而引发交通拥堵的因素多种多样，其中，驾驶员的驾驶行为对道路交通流具有不可忽视的影响。因此，开展驾驶行为特性的交通流动力学建模与复杂性研究，具有重要的现实意义和工程应用价值。本文在现有交通流微、宏观模型的基础上，针对驾驶员的驾驶行为特性如谨慎和激进驾驶、记忆效应及鸣笛行为等进行重点分析，提出了若干改进的模型，并进行了相应的理论分析和数值模拟，深入研究了交通系统的稳定性及非线性密度波，其研究可为交通管理和控制提供一定的理论依据。　　全文的主要工作如下: 　　一、综合考虑实际交通中驾驶员的谨慎和激进驾驶两种行为，提出了一种混合驾驶元胞自动机模型，重点研究了两种驾驶行为对交通事故概率的影响，并探讨了诱发交通事故的微观机理。　　在NaSch和FI元胞自动机交通流模型的基础上，考虑驾驶员谨慎和激进驾驶行为特性，引入激进驾驶员的超车规则，建立了相应的元胞自动机模型。数值模拟研究了激进型驾驶者比例、超车概率和随机刹车概率等因素对交通流及交通事故的影响，并对典型的时空动力学特征进行了探讨。研究结果表明:驾驶员的激进驾驶行为是造成交通事故频发的主要因素，激进驾驶员比例越高，越易诱发交通事故;在交通事故中，追尾要比超车所导致的交通事故占的比例高;在高密度下，谨慎驾驶行为越明显，越能够减少交通事故的发生;交通事故处理时间越长，越易引起交通拥堵，导致道路通行能力下降。以上研究可为驾驶员安全行为规范及交通事故应急处理策略的制订提供一定的理论参考。　　二、考虑车辆在行驶过程中驾驶员的三种记忆效应，分别建立了相应的跟弛模型，研究了不同记忆效应对交通流稳定性的影响，通过约化摄动法推导出了不稳定区域交通流密度波的mKdV方程，并探讨了交通流的非线性特征。　　(1)雾霾、雨天等复杂环境会导致驾驶员记忆延迟，针对该情况，我们对FVD模型进行改进，引入记忆项，通过线性和非线性理论分析分别获得了稳定性条件和描述密度波的mKdV方程，研究结果表明:复杂环境引发的记忆延迟效应会导致交通失稳，即稳定区域明显减少，易诱发交通堵塞。反之，若交通环境良好，则驾驶员的记忆时间相应减少，交通流将变得更加稳定。数值模拟结果也验证了理论分析的正确性。　　(2)在实时交通状态下，同时考虑车间距和速度的暂态记忆效应，建立了双延迟效应跟驰模型。通过理论分析和数值模拟表明:速度感知的延迟行为会提高系统的稳定性，有效地缓解交通拥堵，而车间距感知的延迟行为会诱发交通堵塞，导致时走时停交通波的产生。因此，如果驾驶员能够加强对前方车辆间距的判断，减少车间距变化所引起的记忆延迟，则可以有效地抑制交通拥堵。　　(3)在行驶过程中，考虑驾驶员的连续记忆效应，对FVD模型进行扩展，提出了一个改进的跟弛模型。通过对新模型进行稳定性分析发现，连续记忆效应越显著，自由流稳定的敏感系数临界值就越大，相应的不稳定区域也越大，此时交通流越容易失稳。此外，数值模拟结果还表明，连续记忆效应越强，速度波动的幅度就越大，交通拥堵就越不容易消散。　　通过对三种记忆效应的研究发现，记忆延迟效应会使交通流系统失稳，易诱发交通拥堵。事实上，驾驶员的记忆效应是客观存在的，而无人驾驶技术则依靠高实时的传感器及快速的算法，它可以最大限度地克服驾驶员记忆延迟效应这一缺陷。因此，该研究为智能汽车（如无人驾驶汽车）研究的必要性提供了一定的理论依据。　　三、基于智能交通系统(ITS)的应用，考虑前方车辆群的平均间距效应，建立了一种新的车辆交通流跟弛模型，研究了平均间距动态变化对交通流稳定性的影响。　　考虑在ITS环境下，当前车辆可以获得道路前方近邻车辆群的动态平均车间距，提出了一个新的车辆交通流跟驰模型。通过对模型进行线性稳定性分析，获得了新模型的稳定性条件。由相图可知，系统的演化过程可以分成稳定态、亚稳态和不稳定态。理论分析表明，考虑前方车辆群的车辆数越多，越有利于提高交通系统的稳定性。通过非线性分析，推导出了描述时走时停波演化过程的mKdV方程。数值模拟发现，考虑前方车辆群平均间距信息后，交通拥堵会得到有效缓解，这与理论分析结果一致。以上研究可为智能交通系统的规划建设及智能汽车行驶策略的制定提供一定的理论依据。　　四、考虑驾驶员的鸣笛行为，从微观和宏观角度出发，分别建立了鸣笛效应的跟弛模型和格子流体力学模型，深入研究了驾驶员的鸣笛行为对交通流稳定性的影响。　　(1)当前方车辆阻碍后方车辆前进时，后方车辆驾驶员通常会采用鸣笛的方式来促使前方车辆加速或让道。基于驾驶员的鸣笛行为，我们将FVD模型进行拓展，建立了鸣笛效应的跟驰模型。通过对模型进行线性稳定性分析，获得了稳定性条件，理论分析表明，鸣笛效应可以有效地提高交通流的稳定性，减少交通拥堵的发生。通过非线性分析，在临界点附近可以推导出mKdV方程，其解能够较好地描述交通流密度波的演化过程（如交通拥堵的形成、传播和消散）。此外，数值模拟与理论分析结果一致。　　(2)将Nagatani的格子流体模型进行拓展，引入鸣笛效应项，建立了鸣笛效应的格子流体力学模型。通过线性和非线性分析表明，鸣笛效应依然可以起到稳定交通流的作用，并能够较好地抑制交通拥堵的产生。　　以上研究表明:无论在微观的跟弛模型中，还是在宏观的格子流体力学模型中，驾驶员的鸣笛行为均能够对交通流起到致稳的作用。因此，在避免交通噪声污染的同时，合理规划允许鸣笛区域的范围，可以有效地缓解日益拥堵的城市交通，改善通行效率。　　最后，对全文进行了总结，并对今后的进一步工作提出了初步的设想。
作者：	许志鹏
专业：	系统理论
导师：	邝华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广西师范大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文