基于驾驶行为共性建模的交通流特性分析方法研究

摘要

由人、车和道路组成的交通系统是一个动态的系统。由于人的主观能动性和外界交通条件等因素的变化使得交通行为变得异常复杂，交通拥挤阻塞和交通事故频频发生。缓解交通拥挤阻塞和减少交通事故成了世界性的交通问题。交通设计和交通安全运营管理所需要的基础数据来源于对交通流特性的研究。对交通流特性研究通常采用建立欧拉坐标系统或拉格朗日坐标系统下的模型重构交通基本图的方法。在研究交通流特性的理论中，利用物理的质量守恒和惯性可压缩性而忽略交通流中车辆的大小和车辆与车辆之间的相互影响的建立宏观模型，根据单车移动和车辆与车辆之间的相互影响建立微观模型。在交通实验的基础上提出的三相交通流理论是新的交通流理论。由于研究角度和模型处理方法的精度的不同，使得各种模型在揭示交通流特性和解释交通流中出现的交通现象的能力方面各不相同以及重构三相交通流各不同。跟车模型是交通流微观理论模型中研究时间最长、解释交通现象和重构三相交通流能力相对较弱的理论。为了弥补这些方面的不足，本论文从驾驶员驾驶行为共性角度出发建立新模型对交通流特性的揭示、交通现象的解释和三相交通流的重构等方面进行系统研究。
　　 交通流的动态体现在车辆在时间空间的分布，而决定车辆分布的直接控制者是驾驶员，驾驶员的主观能动性体现在驾驶行为的改变。驾驶行为的改变被抽象为许多参数，利用这些参数构造跟车模型是跟车理论的核心。论文回顾分析主要跟车模型在利用驾驶行为参数构建模型的优缺点，为改造和建立模型提供依据。
　　 从单车移动的特点推导出质量守恒方程方面，研究微观模型理论和宏观模型理论的等价统一关系。根据质量守恒方程提出在欧拉坐标系统或拉格朗日坐标系统下建立模型的模型相似的比例尺尺度关系，确立两种坐标系统下针对自变量和状态变量不同情况使用模型相似的比例尺尺度关系的各自原则。利用模型比例尺尺度关系分析微观模型中Herman跟车模型、Newell跟车模型、Bando优化速度模型和部分元胞自动机模型的特点，以便在构建新模型时借鉴。
　　 分析回波速度在欧拉坐标系统和拉格朗日坐标系统下模型之间的桥梁作用，确定回波速度可以量化作为评价模型相似程度的标准，指出忽略了回波速度是Herman跟车模型和Bando优化速度模型等模型相似精度降低的原因。提出建立以回波速度作为控制模型相似程度的跟车模型建模思想。利用抽象出的驾驶行为共性参数，建立回波速度的微观公式、速度-密度关系以及流量-密度关系和跟车模型。
　　 数值模拟计算回波速度的微观公式、速度-密度关系以及流量-密度关系，通过对计算结果分析得出结论：驾驶员反应时间在交通流状态稳定与否中起重要作用；加速回波速度小于等于减速回波速度；回波速度随着驾驶员反应时间的减小而减小；流量随着驾驶员反应时间的减小而增大；驾驶员反应时间在1.5s～2.0s之间，回波速度计算结果与文献给出观测结果(15km/h～30km/h)吻合。
　　 利用模型解释交通流中速度陡降和流量陡降以及交通滞后现象，指出产生这些现象原因是驾驶员反应时间在加速和减速过程中不同选择导致的。利用新的跟车模型重构三相交通流。
　　 通过设计的实验对多个路段进行跟车观测，将观测数据与模型计算出的数据进行对比分析，得出相一致的结论，证明基于驾驶行为共性建立的跟车模型的可靠性和合理性。