基于多车道移动瓶颈的交通流问题研究

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随着我国的发展,公路交通运量的需求不断增大,政府加大了对交通基础设施建设的投资力度,高速公路的建设得到了快速的发展,车道数辆从双向四车道扩充至双向六车道、八车道,高速公路交通流流量大幅度增长,同时为满足货运需求,交通流中重载货车比例增大。在此背景下,产生交通流扰动的主要原因由匝道、收费站等固定瓶颈影响的外部固定因素转变为以车辆之间相互作用的交通流内部的移动因素。重载货车与小汽车性能上的差距会使高速公路系统内出现“移动瓶颈”现象,该现象会导致局部交通流出现动态拥挤的现象,造成时间与空间资源的损失。研究“移动瓶颈”的机理及形式,分析移动瓶颈对交通流的扰动规律,探究其消除措施,将对我国高速公路的发展有重要意义。本文通过建立多车道元胞自动机“移动瓶颈”模型并进行仿真,分析其对交通流的影响规律。主要成果概括如下:(1)首先对“移动瓶颈”的研究背景及国内外的研究现状进行总结,在归纳整理国内外对“移动瓶颈”问题研究的优点和不足之后,提出项目的研究思路和研究方向,在此基础上凝练出本文的技术路线图。(2)从交通流内部扰动分析“移动瓶颈”的形成原因,在对传统道路交通瓶颈研究的基础上,对“移动瓶颈”的形成机理和其扰动交通流的主要因素等特点进行分析,最终确定了以交通流量、平均速度、拥堵率、换道率等主要研究指标。(3)在基于传统的双车道NaScH模型基础上,对模型的跟驰规则和换道规则进行分析,对传统STCA换道规则进行改进,加入重载货车主动换道规则,并对更新模式就行模拟演化,确立模型演化规则。(4)本文基于传统“移动瓶颈”元胞自动机交通流模型,加入体现重载货车和小汽车动力和制动性能的指标,结合“移动瓶颈”的特点建立了高速公路多车道元胞自动机模型,进行仿真后得到以下结果:在无“移动瓶颈”干扰情况下,车流密度较小时,换道行为会使车辆平均速度和车流量增大,但当车流密度大于一定值时,道路物理空间的压缩,车道上的所有车辆相互之间的影响增大,导致速度相近,车辆换道的现实条件变得苛刻,换道率减小,平均车速减小,车流量开始下降。不同参数在相同交通流密度区间下对“移动瓶颈”效应的敏感度不同。在低密度区间,换道率的敏感度较高,平均速度、交通流流量和拥堵率的敏感度较低;在中密度区间,平均速度、交通流流量和换道率敏感程度较高,拥堵率敏感度高;高密度区间,拥堵率敏感度较高,其他指标敏感度较低。不同“移动瓶颈”车辆并行的组合模式共有四种,消散后会在某一车道形成由两辆及以上重载货车跟驰行驶的“移动瓶颈”,移动瓶颈车辆加减速性能的提升会加快消散的过程。
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