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原文传递基于三相流理论的交通流复杂动态特性的微观模式研究

论文题名：	基于三相流理论的交通流复杂动态特性的微观模式研究
关键词：	三相流;交通流;动态特性;微观模式;道路交通;元胞自动机
摘要：	交通流理论研究作为一门新兴的交叉性边缘科学，近年来受到了科学工作者和工程师们的广泛关注。交通流理论研究的长远目标是要建立能够描述实际道路交通一般特性的交通流模型，以揭示控制交通流的基本规律，从而更好地指导交通工程部门规划、设计、建造和完善城市交通网络与交通控制系统服务。同时，作为一种典型的自驱动远离平衡态系统，交通流理论研究可以促进统计物理、流体力学、非线性动力学、应用数学、交通工程学等多学科的交叉和发展。因此，开展交通流研究，不仅具有实际的工程应用价值，还有深远的科学意义。要建立符合实际的交通流模型，首先有合理的交通流理论作为基础。当前的交通流理论研究领域，存在两大主导性的交通流理论体系，即基本图方法和三相流理论。作为传统交通流理论的基本图方法是以道路交通的车辆密度和流量关系为基础发展出的一整套交通流理论，它将交通流区分为自由流相和拥挤流相。而作为交通流理论最前沿的三相流理论，则进一步把拥挤流相划分为同步流相和宽运动堵塞相。基于这一新理论的交通流模型在模拟实际交通状况，特别是瓶颈处的交通拥塞状况相比基本图方法更加符合实际观测结果，因此近些年来逐渐受到各国学者的认同和重视。研究交通流，除了要有合理的理论作为指导，还需要选择合适的建模工具。从上个世纪三十年代交通工程学诞生以来，科学家们提出过数百种描述交通流的模型，其中经典的有三十年代的概率论模型，五十年代的运动学模型和车辆跟驰模型，七、八十年代的流体力学模型。九十年代以来，随着计算机技术的飞速发展，元胞自动机(Cellular Automaton，简称CA)模型得到了迅猛发展，由于其结构简单，规则意义直观明晰，且易于计算机实现而受到越来越多的科学家和工程师的青睐。本文在三相流理论的基础上，利用元胞自动机建立了更为符合实际的交通流模型，并且通过理论分析和数值模拟，揭示了交通流中的各种特征，并且利用时间序列分析的方法，对三相流理论中的各个流相赋予明确的、数学上的特征。本文的主要工作如下： 1.研究了细化的NaSch交通流元胞自动机模型中加速度α和随机慢化减速度D的效应，细化后的每个元胞对应实际的1.5m。模拟发现当车辆加速度α大于随机慢化减速度D的时候，基本图和道路时空特性相比原始NaSch模型模拟结果没有本质的变化；而当车辆加速度α小于随机慢化减速度D时，交通流的时空特性发生质变，拥挤相中出现了同步流的特征。以此为基础，我们研究了在开边界条件下，考虑慢启动规则，带有孤立入匝道的交通系统瓶颈处的交通流状态。模拟结果显示交通状态图谱与实测结果相吻合。以上发现有助于揭示了同步流的一些内在特征和产生机制，即同步流生成与α/D<1有关。 2.提出了驾驶中的预估计效应可能为同步流生成一种内在机理。并且针对这种效应建立了新的模型并进行模拟。由于考虑了预估计效应，避免了以往模型中的过减速效应，交通流的特性相比NaSch模型模拟结果产生了重大变化，拥挤相中出现了同步流的特征。在此基础上，模拟了开边界条件下的入匝道瓶颈交通，发现模拟结果与三相流理论完全一致，并且符合交通实测结果。对模拟的结果做出相关性分析和概率分布分析，也与实测结果相一致。此模型结构简单却能够再现大量实测交通的特征，简洁而深刻地揭示了交通流，特别是同步流的本质。 3.运用时间序列分析中的去趋势波动分析方法(detrended fluctuation analy-sis)分析交通流各个相态中的长程幂律关系并且确定每个流相对应的幂律指数。同时考察了两种重要模型的时间序列，NaSch模型和KKW模型。其中NaSch模型是建立在基本图方法上，而KKW模型是建立在三相流理论基础上。对两套数据的分析结果比较显示了三相流理论和基本图方法的数值区别。研究还发现DFA分析结果中的“转折点”现象出现的位置与特定的交通状态有关。因此这种现象也可以用来区别不同的交通状态。另外，分析结果显示三相流理论模型的时间序列存在1/f噪声(粉噪声)，重现了实际观测的结果。
作者：	赵博涵
专业：	工程热物理
导师：	胡茂彬;吴清松
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文