三相交通流理论下的速度扰动演化研究——以匝道可控交通流为例

摘要

随着近年来出行需求的大幅度上涨，交通需求与交通基建设施之间的矛盾日益突出，节假日前后高速公路上大规模的拥堵现象已经屡见不鲜。高速公路入口匝道是外界车辆进入这一封闭行驶环境的主要入口，匝道口上下游的交通流运行状态会对高速公路全线的运行产生明显的影响。对高速公路入口匝道处的交通流运行特征进行细化研究并据此对入口匝道控制策略进行调整可以充分缓解由匝道驶入车辆造成的交通拥堵，保障高速公路主线的运行效率，这对缓解高峰时段高速公路交通压力，节约高速公路基建投资有着重要的意义。本文在三相交通流理论框架下，对高速公路及其入口匝道进行了建模仿真，对高速公路主路及匝道处的交通流运行状态进行了模拟，并提出了基于速度变化特征的入口匝道控制策略。本文的主要研究内容如下:
　　(1)本文比较了传统交通流理论和三相交通流理论对高速公路瓶颈路段拥堵形成及性质的解释，对不同理论框架下交通崩溃的原因进行了总结，分析了三相交通流理论应用在高速公路瓶颈路段交通流研究中的优势。
　　(2)结合KKW系模型中关于同步距离的假设以及BL系模型关于反应延迟的假设，本文将驾驶员的驾驶行为偏好纳入考虑，建立了一个三相交通流理论框架下的元胞自动机模型。在对模型的模拟中发现速度扰动在不同流相下有着不同的传播特征。当交通流处于自由流相时，速度扰动会对其后续车辆的行驶产生一定影响，但这一干扰会很快耗散，但在同步流相下，速度扰动会在产生后很快向上游传播，蔓延至全路段而难以完全消散。除此之外，在路上车流密度较低时激进型驾驶员的过度反应行为会加剧扰动在传播过程中的幅度，而保守型驾驶员因其驾驶策略较保守，可以在行驶过程中削弱扰动在传播过程中的幅度。当交通流处于同步流相时，因为影响驾驶员速度选择的主要因素成为车辆间距，故而其驾驶策略不会再对速度扰动的传播产生明显影响。
　　(3)通过引入换道规则，本文将上述模型扩展至双车道。在双车道条件下的模拟中发现，换道规则可以令路面资源得到更充分的利用，因此双车道条件下相变的临界值略高于单车道条件下对应的值且其流量达到最大后流量下降趋势也更为平缓。在对换道行为的微观作用进行分析的过程中发现，在不同车流密度条件下车辆的换道行为也会对交通流的运行状态产生不同性质的影响。当密度较低时，车辆的换道行为并不会对换入或换出车道的运行状态产生明显影响，而随着密度的增大，换道行为就会逐渐显出拥堵消散和产生拥堵这两中截然相反的双重作用。
　　(4)在加入匝道模型后，本文对匝道驶入概率对主路交通流运行状态产生的影响进行了研究。在研究中发现当主路流量较低时入口匝道驶入概率越大流量越大，全路段平均速度越低，随着入口匝道驶入概率的增大，主路流量和平均速度都逐渐趋于稳定，入口匝道驶入概率不再对交通流的运行状态产生明显影响。从微观角度来分析，匝道驶入车辆同样也会产生速度扰动和速度峰。匝道处产生的速度扰动和速度峰都向高速公路主路上游传播，但其作用截然相反，速度扰动会造成局部的同步流相变，而速度峰会消解这种局部同步流，促使其产生局部同步流相至自由流相的相变。基于此本文认为在不同特征观测点会观测到不同的速度分布特征，并提出了相应的匝道控制策略，这一策略在数值模拟中得到了验证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 高速公路交通控制研究的意义

1．2 高速公路交通控制系统概述

1．2．1 高速公路交通流控制类型

1．2．2 入口匝道控制概述

1．2．3 高速公路匝道控制研究现状

1．3 本文研究主要内容

2 基于三相交通流理论的高速公路瓶颈处交通流理论研究

2．1 高速公路瓶颈路段处的拥堵分类

2．2 高速公路瓶颈路段通行能力及自发或诱发的交通失效

2．2．1 传统交通流理论对通行能力的讨论

2．2．2 三相交通流理论下的交通失效和高速公路通行能力

2．3 本章小结

3 考虑驾驶员行为差异的CA模型建立及速度扰动分析

3．1 交通流模型概述

3．2 基于三相交通流理论的CA模型

3．2．1 KKW系列模型

3．2．2 VDE系列模型

3．3 考虑驾驶员行为差异的元胞自动机模型建立

3．4 数值模拟分析结果

3．4．1 定态解分析

3．4．2 模型数值模拟分析

3．4．3 速度扰动观测分析

3．5 本章小结

4 双车道三相交通流CA模型及速度扰动分析

4．1 换道相关的讨论以及换道规则

4．1．1 换道规则的重要性及其讨论

4．1．2 双车道换道规则

4．2 双车道基本模型数值模拟

4．2．1 双车道基础模型数值分析

4．2．2 双车道换道行为影响分析

4．3 本革小结

5 基于速度变化特征的高速公路入口匝道控制策略

5．1 带有匝道的高速公路模型模拟

5．1．1 基础模型数值模拟

5．1．2 匝道附近速度扰动分析

5．2 基于速度变化特征的入口匝道控制策略

5．2．1 匝道附近观测点速度变化特征分析

5．2．2 基于速度变化特征的入口匝道控制策略

5．2．3 控制效果的微观层面分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文主要研究内容及创新点

6．2 本文研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果

论文依托项目