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原文传递高速公路车速离散机理及特征研究

论文题名：	高速公路车速离散机理及特征研究
关键词：	高速公路;交通能力;交通流观测;车速离散性
摘要：	近几十年来，随着交通运输事业的快速发展，高速公路、城市快速道路以其快速、高效、安全等特点在世界范围内得到了迅猛的发展，并在社会经济活动中发挥着越来越重要的作用。然而，车速离散现象引发高速公路交通流偏离稳定、均衡状态，并导致实际通行能力降低、事故率上升、污染加重等一系列问题，严重制约了高速公路交通的运行质量和效率。由于缺乏对车速离散现象系统性的研究，高速公路交通流的车速离散问题至今未能得到解决。另一方面，车速离散现象作为交通流的基本现象之一，一直以来却很少受到研究者的关注。车速离散现象能够反映交通流的非稳态特征，研究车速离散现象能够帮助我们加深对交通流非稳态特征和复杂微观动态特性的理解和认识，促进交通工程学、应用数学、统计物理学、非线性动力学等多学科交叉和发展。因此，开展交通流车速离散性研究，不仅具有重要的工程应用价值，还有其深远的理论意义。本文的研究目标是要探求车速离散现象的特征和机理，以揭示车速离散性与交通流动态特性之间的关系，为降低交通流车速离散性，改善交通流运行质量提供理论依据。本文在对中国和荷兰高速公路和城市快速道路交通流数据调查、分析的基础上，总结了车速离散现象的一般性规律，研究了车速离散性与交通流基本参数以及实际通行能力的关系，并提出了降低车速离散性的方法，主要工作如下。提出了一种有别于传统车速离散度描述方式“速度标准差(SD)”的新的车速离散性描述方式：平均邻车速度差(ASD)。并分别通过理论推导和实测数据分析，给出了新定义的车速离散度ASD与传统车速离散度SD之间的关系。在纯自由流状态下，车速离散度ASD的均值约为车速离散度SD的均值的2/平方根π倍。在自由流-车队状态以及拥挤状态下，由于交通流中加速波和减速波的效应，车速离散度ASD值往往小于SD值。基于车速离散度ASD和SD定义，提出了相应的相对值描述方式ASDR以及SDR。通过对中国和荷兰的典型高速公路、城市快速路交通流数据的分析，归纳了交通流车速离散现象的一般性特征。交通流的车速离散度在拥挤-车队状态下最小，其次是自由流.车队状态，拥挤-堵塞状态和纯自由流状态的车速离散度最大。车速离散度ASD的均值随着交通流速度的增大而增大，相对值车速离散度SDR随着交通流速度的增大而减小。对于多车道交通流情况，在同步流状态下，车速离散度在各个不同车道上的变化特征具有同步性。车速离散度的分布特征(如均值、方差)在交通流中具有类似波的传播现象，拥挤状态下局部交通流的车速离散性特征具有向上游传播的特性。改进了全速度差(FVD)模型，并在此基础上提出了一种能够体现车辆性能差异和驾驶者行为差异的新的跟驰模型——IB模型，并给出了IB模型的参数标定方法以及合理参数取值范围。基于IB模型，应用数值模拟的方法，讨论了单车道交通流车速离散现象的形成机理及影响因素。发现自由流状态下，交通流中驾驶者个体期望车速的差异是导致车速离散的直接原因，且车速的离散程度随着个体期望车速离散程度的增大而增大。拥挤状态下，交通扰动是产生车速离散现象的主要原因，且车速离散程度随着扰动强度的增大而增大。当交通扰动为周期性扰动时，理论上存在一个与扰动持续时间、交通波速以及扰动强度相关的最不利扰动周期，在该周期扰动影响下，扰动上游交通流的车速离散程度达到最大。改进了广义变道跟驰模型，丢弃了原模型中对变道行为的不合理的激励作用，并基于改进的模型数值模拟了多车道变道行为对车速离散现象的影响作用，发现变道率越高，车速离散性越大。基于中国和荷兰高速公路、城市快速路交通流数据的分析，发现了车速离散性在Wu提出的基本图上四个不同状态下具有不同的分布特征。在自由流非车队状态，车速离散性分布范围很宽且与交通流量、密度之间无相关性；在自由流车队状态下，交通流的车速离散度都很低(ASD<5km/h)；在拥挤车队状态下车速离散度与交通密度之间存在这样一个趋势，即相同平均速度水平下车速离散度越低交通流密度越高；在拥挤堵塞状态下，车速离散度的变化特征具有较大的随机性，且与交通流量、密度之间无明显的相关性。基于Kemer的三相交通流理论，引入了车速离散度一项，建立了相同平均速度下非稳态交通流密度与稳态交通流密度之间的联系，并通过实测数据检验了模型的有效性。基于实测数据分析，发现车速离散性导致实际通行能力降低。通过车速离散性对车头距离的影响性分析，建立了车速离散度ASD与交通密度以及实际通行能力之间的关系模型，为修正车速离散性对实际通行能力的影响提供了理论依据。总结了交通流车速离散现象的影响因素，并针对这些影响因素，提出了相应的降低高速公路车速离散性的方法。
作者：	王昊
专业：	交通运输规划与管理
导师：	王炜;陈峻
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文