交通震荡演化特性的实验研究和建模仿真

发布时间：2020-10-26 14:12

　　 交通拥堵是世界性难题,正处于快速城市化进程中的中国所面临的问题更为严重。交通拥堵及其伴生的环境污染与交通安全等问题极大地影响了我国社会和经济的发展及城市化建设的进程。交通流理论是交通科学的核心问题,大力发展以交通流理论为核心的交通科学,深入研究交通拥堵形成和演化的机理,用以有效指导我国的交通建设和管理已经刻不容缓,也是我国现代化建设的重大战略需求。然而,由于缺乏充分和令人信服的数据支持,交通流复杂动态行为的演化机理还远未得到充分理解和认同。观测数据具有很大的局限性,无法全面反映,也难以深刻揭示交通流动态演化行为的本质特征。而通过组织交通流实验,可以控制车流的组成和车流量,最大限度地减少其它复杂交通因素的影响,专注于车流自身的自组织演化过程,把握交通流的本质特征,促进交通流理论的发展。在此背景下,本文围绕交通震荡的演化特性开展实验研究和建模仿真研究工作。我们进行了3次较大规模的车辆跟驰实验。前两次实验中头车匀速行驶以研究内生震荡的演化特性,第三次实验中头车变速行驶以研究外生震荡的演化特性。在头车匀速行驶的实验中,观察到了速度内生震荡的自发形成、传播与发展,车辆速度标准差的凹增长,以及速度-车间距的二维分布,这些现象进一步验证了已有的实验结果。实验表明,交通流中可能存在一个介于30-40km/h之间的临界速度,当车队行驶速度低于临界速度时,交通流是不稳定的,会出现时走时停的现象。而当车队行驶速度大于临界速度时,交通震荡幅度趋于饱和,因此交通流可能是稳定的。实验还表明驾驶员具有强烈的内在异质性。我们提出了改进的E2D-IDM模型对实验现象进行模拟。模型引入了新的参数αn,用来修正速度项对模型加速度的影响。此外,模型中对期望时间间隔也做了改进。用DIRECT算法对改进模型进行参数标定后,模型能够很好地再现实验结果。头车变速行驶的车辆跟驰实验中,车队中的第一辆车刻意地加速和减速以制造外生震荡。结果显示,有些实验中,头车的速度震荡能够稳定地传递到车队的最后一辆车,车辆的速度标准差单调增长。还有些实验中,速度震荡波在传播过程中发生了合并与消散的现象,车辆的速度标准差也因此先增加,再减小,然后再增加。用离散傅里叶变换(DFT)分析车辆速度序列的频域特性,在某些实验中能够观察到主频率突变的现象。模拟中,我们对E2D-IDM模型重新进行参数标定以更好地描述外生震荡的传播特性。模拟结果显示,车辆加速度和速度差的分布与实验结果基本吻合,并且再现了速度震荡波的合并与消散,震荡主频率的突变等现象。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U491
【部分图文】：

第一章绪论??１．１研究背景和意义??随着中国经济的快速发展，汽车数量也在迅速增加（图１．１）。据公安部统计，??我国２０１８年新注册登记的机动车有３１７２万辆，机动车保有量达到了?３．２７亿辆，??其中汽车２．４亿辆。与２０１７年相比，２０１８年我国汽车保有量增加２２８５万辆，增??长率为１０．５１％。截止至２０１８年９月，全国机动车驾驶人达４．０３亿人，其中汽车??驾驶人的数量达到３．６３亿。??汽车保有量的快速增长已经导致中国城市严重的交通拥堵。根据高德地图与??中国社会科学院社会学研宄所联合出版的“２０１８年度中国主要城市交通分析报??告”，中国拥堵城市排名中，北京第一，广州第二，哈尔滨第三。这三个城市的??路网高峰行程延时指数分别为２．０３２，１．９１１和１．９０３，意味着高峰时段市民通勤??的时间大约是平时的２倍。在高峰期，北京市路面车辆的平均速度仅为２３．３５ｋｍ／ｈ，??每日通勤拥堵时间为４４．９７分钟。报告显示，２０１８年我国３６１个城市中，只有??２６％的城市不受通勤拥堵的威胁

图１．３车辆跟驰示意图。??辆跟驰模型是由Ｒｅｕｓｃｈｄ［Ｗ和ＰｉｐｅＳ［Ｍ分别单独提出的。模通过调整行驶速度来和前车保持速度一致。Ｃｈａｎｄｌｅｒ＾ｌ考虑了驾，得到了另一个跟驰模型??ａｎ（ｔ?＋?ｔ）?＝?ｃＡｖｎ（ｔ）?（示第《辆车在／时刻的加速度，ｔ为反应延迟时间，ｃ为敏感《与其前车ｎ－１之间的速度差，Ａｉ７ｎ?＝?－?ｙｎ。??ｒ模型的形式简单，只考虑了两车之间的速度差这一个因素，。Ｃｈａｎｄｌｅｒ模型中，在前后车速度相同的情况下，后车无论跟得加速或者减速，这与实际情况不符。于是，人们提出了许多改进ａｚｉｓ等人［６３］考虑了车间距的影响，将Ｃｈａｎｄｌｅｒ模型中的敏感系距Ａｘ成反比的函数，改进后的模型为??ａｎ（ｔ＋Ｔ）?＝?Ａ＾ｒ）ＡＶｎ（ｔ）?（示车辆《与其前车《－１之间的距离，，：ｔｎ表示度差敏感系数ｄ?＝?ｃ／Ａｘｎ（ｔ）随着车间距改变，车间距越小，驾

Ｊｉａｎｇ等人１７８］在２５辆车的车队跟驰实验中发现车辆的速度和车间距呈二维分??布，并且车辆的速度标准差随车辆序号呈凹增长。为了模拟这些现象，他们提出??了?ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ模型。模型中考虑了速度－车间距平面上的一个二维区域Ｒ（图１．４），??在区域Ｒ内，如果后车与前车的速度差较小（｜Ａｉ；？｜＜Ａｉ；ｃ），则后车的速度基本??不变，如果两车的速度差较大２?Ａｙｃ），则后车对速度差比较敏感；在区??域Ｒ外，后车对速度差和车间距都敏感。??模型的方程为??｛ｍａｘ（ｍｉｎ（ａｎ（ｔ）?＋?０．１），－０．１），?ｉｎ?Ｒａｎｄ?｜Ａｕｎ｜?＜?Ａｖｃ??ＡＡｉ；ｎ（ｔ）?，?ｉｎ?Ｒａｎｄ?｜Ａｖｎ｜?＞?Ａｖｃ?（１．３１）??Ｊｃ［ｖ（Ａｘ？（ｔ））?—?ｙｎ（ｔ）］?＋?ＡＡｕｎ（ｔ）?，?ｎｏｔ?ｉｎ?Ｒ??Ａｖｃ?＝?ｍｉｎ（ｍａｘ（０．６，０．０５４ｉ；ｎ?＋?０．１５），１．０）?（１．３２）??＝?ｍａｘ（ｍｉｎ（ｖｍａｘ，０＿７（］ｘ?－?６）），０）?（１．３３）??其中Ａ和ｋ：是两个不同的敏感系数。Ａｕｎ?＝?是两车之间的速度差。最大行??驶速度ｖｍａｘ
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本文编号：2857101