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原文传递交通流与网络输运动力学研究

论文题名：	交通流与网络输运动力学研究
关键词：	城市道路;交通流;网络输运;动力学特征
摘要：	交通流和输运现象是人类社会和自然界普遍存在的动力学过程，长期以来受到物理学家的广泛关注。其中，颇具代表性且得到广泛研究的是城市道路中的车辆交通流以及复杂网络上的数据包输运过程。一方面，随着社会城市化进程的加剧，交通拥堵问题日益严峻，不仅给人们出行带来了不便，而且对环境和城市健康发展造成了不可估量的影响。为此，物理学家对交通阻塞产生的原因进行了深入的分析，特别探讨了在没有交通事故条件下形成的自发交通拥堵现象，寻找引发交通拥堵的背后机制。另一方面，随着网络尺寸和数据规模的增长，人们越来越关注网络承载力以及网络输运效率的问题，因此更着眼于网络结构和输运策略对网络容量的影响。针对以上两个基础问题，物理学家常从微观层面出发，将研究对象抽象为简单个体，根据其相互作用机制构建动力学模型，分析模型展现的宏观性质是否与实际相符，从而为解决实际问题提出建议。　　本文的主要内容分为两个部分:第一部分利用微观的元胞自动机模型研究车辆交通流，在传统NS模型基础上，考虑驾驶者的超车行为，提出了NSOS模型，利用计算机模拟技术和平均场方法，对NSOS模型的基本性质进行分析，并讨论在三相交通流理论框架下的同步流特征。第二部分对移动节点网络输运动力学行为进行研究，考虑了移动节点的通信半径为异质的情况，研究在此条件下的网络结构特征，并对数据包在网络上输运动力学特征进行统计分析。　　具有创新性的研究工作如下三个方面: 　　1.基于NS(Nagel-Schreckenberg)模型，提出带有超车策略的NSOS(OS，Overtaking Strategy)模型。数值模拟结果显示:(i)NSOS模型可以再现自发阻塞现象;(ii)相比NS模型，NSOS模型在高于最大流密度的区域提高了交通流。同时，利用诸如超车成功率、弛豫时间、关联函数、序参量等方法对NSOS的相变（从自由流相到阻塞相）特征进行分析，发现NSOS模型在阻塞相具有与NS模型不同的行为，并且刹车概率是影响相变的主要因素。此外，利用平均场方法对NSOS模型进行理论分析，从理论上解释了刹车概率对相变行为起主要作用的原因。　　2.在三相交通流理论框架下，进一步研究NSOS模型的同步流特性，分别讨论周期性边界条件和开边界条件下的数值模拟结果。首先对NSOS模型的基本图、时空图以及速度时空分布图所展示的同步流特征进行分析;随后，为了进一步证明同步流的存在，对关联（自关联和交叉关联）函数及每分钟内交通流与局域车辆密度的关系进行研究，其结果证实了NSOS模型中同步流的存在，并解释了NSOS模型中出现同步流的原因。　　3.基于移动节点网络输运模型，对移动节点通信半径服从幂律分布的情况进行详细的研究。通过对网络结构分析，发现网络出度分布服从幂律分布，入度分布服从泊松分布。数值模拟结果显示:(i)存在临界值Pc，当数据包生成率P小于临界值时网络处于自由态，高于临界值时网络处于阻塞态;(ii)在自由流区域，平均迁移时间取值很小且不随数据包生成率发生变化，而平均路径长度随着数据包生成率的增加而增大，且与交通意识参数h相关;(iii)节点通信半径异质越强，网络的输运效率越低;(iv)存在一个最优的交通意识参数h，使得临界值Pc最大;(v)临界值Pc随异质指数α增大而减小，随网络尺寸N增大而增大，当速度v达到合适值时，临界值Pc随v的增加而减小。
作者：	粟柱
专业：	理论物理
导师：	蔡勖
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中师范大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文