城市快速路弯道车辆运动模型及其稳定性分析

摘要

随着我国城市化进程的不断加快，人民生活水平的不断提高，我国汽车保有量不断增长，不断增长的交通量给城市道路带来越来越大的压力，交通拥堵给人们带来出行困扰的同时，也造成了极大的社会经济损失。快速路作为保障城市交通正常运行的主干道路，起着提高城市路网运行效率和缩短区域行程时间的重要作用。而弯道作为快速路的重要组成部分，由于其线性设计的特殊性，弯道曲率较小，弯道上车辆行驶稳定性较直线降低，是交通拥堵和交通事故的易发路段。因此，加强弯道路段交通拥堵优化理论与交通控制仿真的研究力度，提出正确反应弯道交通流的模型和理论，对于改善日趋严重的快速路交通拥堵问题，提高其交通流运行稳定性具有重要意义。 本文首先从弯道结构类型、弯道交通特性、弯道车辆行驶稳定性及弯道动力学理论四个方面分析了弯道路段特征，基于车辆车辆弯道行驶的动力学特性研究，分析横向纵向相邻车的影响，并以最优速度跟驰模型为基础，提出了单车道弯道OV模型。通过研究弯道车辆跟驰模型表达式，并利用扰动方程和傅里叶级数收敛条件对模型进行了稳定性分析，得到弯道跟驰模型临界稳定性条件。研究了弯道半径、超高、横向摩擦力系数等因素及横纵相邻车对弯道车辆跟驰稳定性的影响。研究结果表明，在相同的弯道车流初始密度条件下，弯道交通流的稳定性随着前导车影响系数δ的增大而逐渐增强；弯道交通流的稳定性随着相邻车影响系数的增大而逐渐降低；弯道交通流稳定性随着弯道半径的增加而降低；在弯道弧长和半径一定时，弯道交通流稳定性随着横向摩擦力系数的增加而降低。 其次，在研究了车辆换道理论和弯道的动力学理论的基础上，结合弯道车辆换道行为特性，提出了双车道弯道换道最小纵向安全距离模型。并利用MATLAB进行仿真实验，绘制了弯道最小纵向安全距离与目标车换道初始速度、相邻车车距影响系数三维关系图和弯道最小纵向安全距离与目标车换道初始速度、换道时间三维曲线图，标定了换道目标车辆与横纵向相邻车之间的最小安全距离与目标车换道初始速度、相邻车车距影响系数及换道时间的关系。 最后，利用人工测速法和人工测距法对弯道车辆跟驰运行状况进行了测量实验，并对测量数据进行了处理，利用测量数据绘制弯道路段车速和车头间距关系图，通过将实测结果与弯道跟驰模型仿真结果进行对比，说明了仿真模型可以较为准确的反映实际弯道路段车辆跟驰特性。再通过高点摄影的方法对弯道车辆换道状况进行了观测实验，并对弯道路段车辆换道时间和换道距离进行了统计和处理，通过对实测数据结果与弯道换道最小纵向安全距离模型仿真结果进行对比，结果表明仿真模型可以较为准确的反映实际弯道路段车辆换道特性。

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