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原文传递基于交通信息的宏观交通流模型研究

论文题名：	基于交通信息的宏观交通流模型研究
关键词：	交通流;宏观模型;拥堵现象
摘要：	经济的发展促使了交通需求的快速增长，从而导致了越来越严重的交通拥堵问题，以及随之而来的环境污染和交通安全问题。交通流模型主要研究交通流演化规律，深入挖掘交通流的本质特性，分析交通拥堵机理，能够帮助缓解交通拥堵，减少交通能耗和排放。智能交通系统通过车载导航系统、卫星定位系统、车间通讯系统，以及可变信息板、交通广播等提供关于交通状况的实时信息给道路用户，帮助其减少出行时间，提高行程速度，适时调整路线，达到引导和实现车辆安全快速驾驶，从而缓解拥堵的目的。交通流宏观模型有数学上解易获得、物理上意义明确的优点。因此，建立和分析基于交通信息的宏观交通流模型，不管是对交通流理论的发展，还是对现实中的交通管理、规划和控制，都是非常有意义的问题。本论文的主要工作如下: 　　(1)基于Nagatani的基本格子流体力学交通流模型，考虑前车多密度差信息，对双车道交通系统建立了扩展的前车多密度差信息效应模型。进行线性和非线性稳定性理论分析，导出模型的稳定性条件，和临界点附近的mKdV方程，及其相应的反映非线性密度波的扭结一反扭结孤子解。理论分析的结果表明在双车道交通系统中考虑多密度差交通信息，能够增大交通流稳定域。原因是当在驾驶过程中考虑更多前方位置的车时，驾驶人可以获得更综合的交通信息，从而适时地改变速度来增加整体行驶速度，减少交通流走走停停波，达到缓解拥堵的效果。周期边界条件下的数值模拟实验验证了理论分析的结果，且发现多密度差交通信息能够帮助减少交通系统能量消耗和减少交通污染排放，进一步还发现前方三个格子的多密度差信息已能有效改善交通流状况，随着驾驶人考虑信息的前方格子数量的继续增多，交通流稳定性和交通系统能量消耗以及交通排放已不再发生明显变化。　　(2)针对双车道交通系统中前车多密度差和多流量差组合信息效应，提出了扩展的前车多信息效应格子交通流模型。考察了新模型对交通流稳定性和交通系统能量消耗的影响。采用线性稳定性理论分析得到了稳定性条件，应用约化摄动法进行了非线性稳定性分析，从临界点附近的mKdV方程导出扭结-反扭结孤子解。扭结-反扭结孤子解的变化反映了密度波的波动和现实中交通的走走停停现象。进行了周期边界条件下的数值实验，验证了理论分析的结果:驾驶人获得的信息越多，交通流越稳定，交通能耗也越少。甚至发现在两种类型的组合信息效应下，仅仅考虑前方一个格子的前车信息就比单种信息效应下考虑前方三个格子的前车信息更能增强交通流稳定性和节约交通系统能量。　　(3)进一步提出双车道格子交通流信息效应的统一模型，并对不同的信息效应进行比较。线性和非线性分析的结果表明增强交通流稳定性效果最好的是多密度差信息效应，其次是密度差信息效应和多流差信息效应，最后是流差信息效应。周期边界条件下的数值实验验证了理论结果。大体来说，密度差信息比多流差信息对改善交通流的效果稍好些，但当密度在0.25左右时，多流差信息比密度差信息能更大程度地增加稳定域。原因是一个小的流率值既可能相应于畅通的交通也可能相应于拥挤的交通。结果还表明了这些交通信息对交通能耗和交通排放的影响与对交通流稳定性的影响一致。　　(4)在带有分叉和合并的双路径交通网络中，当上游需求固定、下游有瓶颈时，在系统中引入考虑实时交通信息的动态车，采用元胞传输模型分析系统的动态演化过程和最终状态。动态车参与之后，除了原有的畅通稳定状态、衰减振荡状态和永久性周期振荡状态之外，系统中还出现了三个新的状态:拥堵的路径切换状态，此时拥堵排队几乎到达分叉点;两条路都能达到自由流的周期性路径切换状态，和只有通行能力小的路能够达到自由流的周期性路径切换状态。模拟结果表明道路条件确定时，交通状态是受动态车比例、网络结构以及静态车在两条路径上的固定转移率影响的，因此分析结果对网络设计和ITS管理和控制是有益的。　　(5)针对上一部分提出的双路径交通网络，采用宏观网络运动波模型分析网络的宏观动态演化过程，包括分叉和合并处的排队后溢和激波传播过程。在两条中间路段的通行能力比例、固定选择其中一条路的静态车的比例和动态车的比例确定时，推导了系统的分析解。分析结果表明，动态车引入之后，系统出现了和上一部分模拟结果相同的三个新状态，此外还出现了一个新的衰减振荡状态。分析推导出了两个周期性路径切换状态的周期和所有区域的边界的解析式，并解释了只有通行能力大的路能达到自由流的周期性路径切换状态的不存在性，同时也得到了系统状态和动态车比例、网络结构，及静态车的固定转移率之间的关系。数值实验验证了分析解。分析结果对交通网络设计和交通管理及控制都是有益的。
作者：	王艳红
专业：	系统科学
导师：	高自友;姜锐
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文