道路维护背景下应急交通流的数值模拟

摘要

本文针对高速公路维护背景下的交通流，分别采用周期性边界条件和开放式边界条件建立了含施工作业区的双车道元胞自动机模型，通过数值模拟和理论分析，研究施工作业区交通流的动力学特性，在此基础上提出了有利于缓解交通拥堵的管理方案，从而为交通管理部门提供科学的理论依据。本文主要内容包括：
　　(1)基于Chowdhury等人提出的双车道交通流模型，采用周期性边界条件提出了一个修正的交通流模型，简称M-R-STCA模型。模型考虑了司机的性格差异以及车辆在行驶状态和停止起步状态时加速度值的不同，并采用一米长的元胞格子，实现了速度与加速度的细化。在此基础上，建立了高速公路维护背景下的双车道交通流模型，通过数值模拟，分析了各种情况下车辆的合流概率、流量-密度关系、车辆时空演化规律以及换道率，推荐了合适的合流区长度和车辆限速值，并在小密度时，提出了施工区交通管理的有效办法。模拟结果与实测数据比较，吻合良好，说明所建模型能够反映施工区的交通情况。
　　(2)在上述含施工路段交通流模型的研究中发现，当密度稍大时，采用限速和合流提示牌都不能有效缓解交通拥堵，因此采用周期性边界条件提出了信号灯控制下施工区的双车道交通流模型。通过模拟，研究了信号灯控制下施工区交通流特性，分析了交通拥堵产生和传播的规律，并得到了合适的信号周期。通过分析车辆通过时间分布特点及时空演化规律，找到了启用信号灯进行有效交通管理的临界密度，为实现区分密度情况的多种交通管理模式提供了理论基础。
　　(3)采用开放式边界条件提出了含施工区的双车道交通流模型。分别研究了进车率、出车率、合流区长度以及限速值对施工区交通流的影响，数值模拟发现，在低进车率时，设置提示牌和规定限速就可以缓解交通拥堵，当进车率增大时，采用信号灯控制更有利于交通拥堵的疏散。通过分析得到的合流区长度、限速值和信号周期与周期性边界条件下得到的值几乎相同，但是从模拟得到的速度-流量关系与实测数据的比较中，发现开放式边界条件比周期性边界条件更符合实际交通。
　　本论文受到国家自然科学基金项目资助（11372147）。

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1绪论

1.1研究的背景和意义

1.2国内外研究现状分析

1.3本文的主要工作

2周期性边界条件下高速公路施工段交通流建模

2.1修正的双车道元胞自动机模型（R-STCA）简介

2.2细致的双车道元胞自动机模型的提出

2.3高速公路施工区交通流模型

2.4本章小结

3周期性边界条件下信号灯控制的交通流模型

3.1引言

3.2信号灯控制的施工路段双车道模型

3.3数值模拟及分析

3.4本章小结

4开放式边界下高速公路施工区的交通流模拟

4.1引言

4.2开放式边界条件下高速公路施工区的交通流模型

4.3开放式边界下信号灯控制的模型

4.4本章小结

5结论与展望

5.1本文的工作总结

5.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢