多速度差模型的稳定性及交通流特性分析与应用研究

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交通是国民经济的命脉。当前,社会经济的迅速发展与交通基础设施的相对滞后,已经构成非常突出的世界性矛盾,交通阻塞带来的经济损失日益严重。如何有效地利用现有交通设施,以科学的理论来指导交通规划、设计、控制和管理,以缓和失衡的交通供求关系,成为亟待解决的问题。现代交通流理论的研究随之应运而生。交通流理论的研究能够加深人们对社会生活中一类伴有复杂相互作用的多体系统远离平衡态时的演化规律的认识,促进其它相关学科的发展。因此,交通流研究不仅具有重要的工程应用价值,还有其深远的科学意义。 交通流理论研究的目的是要建立能描述实际交通一般特性的交通流模型,以揭示交通流动的基本规律。根据研究方法的不同,可以将各种交通流模型分为微观模型,宏观模型和中观气体动理论模型。微观模型研究单个车辆在相互作用下的个体行为。它包括车辆跟驰模型和元胞自动机模型。本文的主要工作是研究微观交通流模型中的跟驰模型,我们对经典的跟驰模型进行改进,提出更为符合实际情况的新模型。从理论上分析了新模型的稳定性,并通过数值模拟研究其交通流的特性。 从力学观点来看,跟驰模型实际上是一种质点系动力学系统。根据实际交通中,前面车辆对后面车辆的作用不仅与车辆间的车头间距有关,还与他们的速度有关这一客观事实,提出考虑多辆前车速度信息的微观交通流模型—多速度差(MultipleVelocityDifference,MVD)车辆跟驰模型。我们对该模型进行了线性稳定性分析,并得出其稳定性条件,进一步对该模型进行了数值模拟,其结果显示:MVD交通流模型可以描述交通失稳、阻塞演化、时走时停交通。相同条件下,该模型稳定区域有明显增加,这表明交通流的稳定性有所提高,能够有效地抑制交通流阻塞。模拟还显示该模型能够准确地预测阻塞状态下车辆运动延迟时间,启动波速也符合实测结果,且不会产生不切实际的过高加(减)速度。 基于MVD模型,我们引入双车道换道规则,把MVD模型(本文中我们只考虑前面两辆车的速度)扩展成双车道交通流模型。在双车道模型中考虑存在事故车辆,在开放边界条件下研究双车道交通流阻塞的演化和交通流流量随密度变化情况,并与典型的OV(OptimalVelocity)双车道模型进行了比较。仿真结果表明,MVD模型左车道在事故车下游形成交通阻塞;与OV模型相比,在密度相同的条件下,MVD模型左车道和右车道的阻塞宽度明显小于OV模型的。这说明MVD模型中阻塞传播速度低于OV模型的。另外,MVD模型右车道的流量明显大于OV模型的。该双车道模型右车道的密度达到临界值0.2时,流量达到最大值,这与实际观测是一致的。
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