元胞自动机交通流模型能耗和公交车站点对道路交通影响的研究

摘要

随着社会经济的发展，交通拥堵、能源短缺、交通事故、环境污染等交通相关问题己成为世界各国面临的共同问题。能源利用率的提高和交通管理系统完善己成为当务之急，而提高车辆的燃油利用率和城市交通系统中公共交通的发展成为重中之重。设计合理的车辆行驶规则和改善交通管理系统是减小交通拥堵、能源消耗、环境污染的有效途径。因此，如何有效地利用交通资源，减小交通能耗，已成为国际社会广泛关注的重大问题。近几年来，许多学者从不同的角度对交通流的能耗进行了研究，发现了一些影响交通流能耗的因素，取得了一定成果。
　　 本文在现有交通流模型的基础上，研究车辆在行驶过程中由于减速引起的能耗。选择不同初始条件和边界条件，进行相应的数值模拟和分析，研究初始条件和边界条件对交通流能耗的影响。此外，还对公交车站点结构对道路交通的影响进行了研究。本文的主要工作如下：
　　 (1)基于NaSch模型，应用功和能关系通过分析车辆加速、确定减速和随机减速三过程的做功问题，提出了元胞自动机交通流模型的能耗公式和能量耗散公式。并进行了数值模拟，数值模拟的结果表明在周期边界条件下，车辆能耗和能量耗散相等，与理论分析的结果一致。
　　 (2)在TT、BJH和VDR三种慢启动规则交通流模型基础上，研究了在不同初始条件下，交通流的能耗。数值模拟的结果表明在周期边界条件下，车辆初始分布对交通流能耗有较大的影响。在初始均匀分布时，由于车辆延缓启动作用，能耗在两处密度区域发生急剧的不连续变化，而在初始随机分布和初始密集阻塞时，不会出现这种情况。不同模型的能耗在相同的密度区域也不同，与它们的演化规则有关。
　　 (3)以元胞自动机NaSch模型为基础，在开放边界条件下，数值模拟并分析了长短车（不同的最大速度）混合交通的能耗问题，以及车辆最大速度、混合比例、车辆长度、随机减速概率、进车概率对混合交通能耗的影响。
　　 (4)在上匝道交通系统的基础上，研究了交通能耗问题。通过考虑匝道对主道的影响，并且考虑随机减速概率和最大速度，数值模拟和分析了上匝道交通系统的能耗。
　　 (5)在城市道路交通系统中，公共交通是重要的一部分，公交车也是公共交通的主要组成部分。因而研究公交车对道路交通的影响有非常重要的现实意义。公交车的一个重要特点就是中途在公交车站点停靠。本部分从分布式和集中式非港湾式公交车站点，应用NaSch模型数值模拟不同形式的站点对交通流的影响。模拟结果显示：分布式公交车站点对上游的交通流量影响较小，另外公交车站点的长度、公交车停靠时间以及公交车的比例对交通流量也有影响。
　　 最后，对本论文进行总结，并对交通流能耗的后续工作进行展望。