混合交通流多模式模型整合与协调优化研究/博士后文库

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第1章 绪论
　　1.1 研究背景与意义
　　1.1.1 研究背景
　　随着我国城镇化步伐越来越快，落后的城市交通系统已经成为制约城市可持续发展的主要瓶颈。城市交通拥堵、交通环境污染和交通事故引起社会的广泛关注，成为老大难问题。据统计，我国机动车保有量约以每年5%的速度增长。截至2017年底，我国机动车保有量约3.10亿辆，其中汽车占比约70.17%。2017年，我国人员伤亡道路交通事故共计203049起，导致经济损失12.1亿元，造成约6.3万人死亡。以北京市为例，中心区高峰期的道路平均车速不到20km/h，最低时仅为4km/h。日益严重的交通问题不但影响城市经济建设和社会发展的运行效率，而且给人们的生活和工作带来极大的不便。图1.1展示了北京市拥堵状况。
　　图1.1 北京市拥堵状况
　　与发达国家不同，我国城市交通很大程度上以混合交通为主。所谓混合交通是指各种交通工具或各种交通工具与行人共用同一单幅道路的交通现象。通常分为三种情况，即不同种类机动车的混合交通，机动车和非机动车的混合交通，机动车、非机动车与行人的混合交通。通常我们所说的混合交通指后两种情况。机动车与非机动车的混合交通是我国城市交通的主要特征。在我国的平原城市中，自行车仍然是居民出行的主要工具，如成都市、太原市、西安市、杭州市等地居民自行车出行的比例均在50%以上，天津市的这一比例更是高达60%。混合交通使我国许多城市的交通运行秩序混乱，交通事故频发，已有的交通控制系统，特别是以发达国家交通状况为背景的交通控制系统，无法充分有效地发挥效能。
　　在交叉口，行人交通流、自行车交通流与机动车交通流的混合交通尤为突出。机动车信号配时与行人流、自行车流一旦不协调，就会发生行人、自行车相互干扰的混乱现象，引发交叉口交通混乱，甚至交通事故。相关统计结果显示，美国55%、法国24%、英国33%、中国30%的城市交通事故发生在平面交叉口。在交通事故死亡人数中，约75%是行人、自行车骑车人及乘车人。仅2009年4月份，全国交叉路口发生的事故就导致783人死亡，占总数的15.5%。其中，公路交叉口事故导致的死亡人数占交叉路口事故总死亡人数的58.8%。2010年，杭州自行车事故同比上升16.19%；深圳自行车交通事故死亡89人；上海市自行车出行只占总出行量的24%左右，却有35.7%的交通事故发生在自行车和机动车之间，其中23.5%发生在平面交叉口。一组组数据显示，整治混合交通刻不容缓。
　　科学地诊治城市交通病是我国社会、经济发展过程中提出的重大需求，是科学界义不容辞的责任。**步应该是全面系统、深刻入微地研究城市交通需求和交通流的形成机理，从本质上探索交通拥堵、交通环境污染和交通安全事故的产生原因和规律，为科学制定城市交通规划和发展先进的交通管理技术打下坚实的理论基础。
　　交通流是交通需求的实现结果，是交通需求在有限的时间与空间上的聚集现象。由于涉及人车路三者之间的相互关系，交通流的形成过程极其复杂，蕴涵大量基础科学问题。交通流理论应用数学或物理学原理，对交通流参数进行定性和定量分析，寻求道路交通流的变化规律，从而为交通规划和管理提供理论依据。综合运用行为科学、交通工程和信息科学知识，用数学物理模型刻画人们的出行决策、车辆跟驰和交通流量的网络分布，揭示城市交通流的自组织演变规律与拥堵突现轨迹，是交通流研究的核心内容。车辆的大量使用会引起交通拥挤等一系列问题，使学者开始关注并研究交通规律。学者先后提出各种各样的交通流模型，包括元胞自动机(cellular automata，CA)模型、跟驰模型、气体动力论模型和流体动力学模型等。
　　目前，交通流理论已取得很大进展，大量模型可以再现交通流复杂的非线性特性。但是，交通流理论，尤其是混合交通流理论，目前还没有形成完整的体系，许多交通现象未能得到合理的解释，理论模型不能准确模拟交通过程的演化。此外，大多数交通流模型都不能很好地指导城市交通规划、交通控制，以及道路工程设施设计。我国低速混合城市交通流的现状不可能迅速改变，交通规划目前仍然处于“小科学，大经验”的状况。本书正是针对目前交通流理论发展的现状，考虑机动车流、自行车流、行人流同时存在的混合交通系统，分别研究混合交通流的摩擦效应和喇叭效应，提出相应的混合交通流动力学模型。通过交通调查，结合北京的交通现状，给出北京市典型车道的饱和流率，为分析北京市道路和路网通行能力提供参考，为指导现实的交通实践提供理论依据。
　　1.1.2 研究意义
　　随着我国经济与社会的高速发展，城市交通机动化不断加快，实现城市道路建设与管理的基本目标更为紧迫。交通流理论作为研究交通流随时间和空间变化规律的理论和方法体系，是交通规划、道路与交通工程设计、交通控制与管理等科学技术工程领域的理论基础。由于交通问题关系到经济社会发展和人民生活质量，因此交通流理论一直是国内外交通领域的重要研究方向。
　　混合交通是我国城市交通的主要特征，也是交通管理的难点。混合交通现象的存在使交叉口运行秩序混乱，交通事故频发。严重的混合交通状况给城市交通管理带来许多难以治理的问题。流量-速度-密度模型是通行能力计算和交通仿真的基础，国内外对此进行了大量研究，取得丰硕的成果。但是，国外交通流往往是单一的小型机动车，研究结果并不适用于我国。我国城市道路交通流状况复杂，许多学者虽然进行了大量研究，但不甚全面，需要进一步完善。混合交通流理论研究取得很大进展，但没有形成完整的体系，许多交通现象缺乏合理解释。具体说来，存在如下不足。
　　① 许多学者根据实测调查的数据，对混合交通流的微观交通特性进行定性分析，但缺少定量描述和分析。这些成果虽然从一定程度上揭示了交通参与者的交通行为，但从定量角度揭示交通行为禀赋的研究相对不足。
　　② 一些学者运用交通流理论建立的数学模型能够从宏观上描述机非干扰程度，或者利用模拟仿真的方法，建立微观行为模拟系统，能够再现混合交通流的一种或多种复杂交通现象，但是大多缺乏实测数据的支撑，不能深入探讨交通冲突产生的内在机理，很大限度上停留在设想阶段。
　　交通流动力学模型包含时间和空间的状态方程，可以考虑交通参与者的加速度、惯性和可压缩性，不但有助于更好地理解交通流的特性，而且有助于对各种交通情况下交通流的动态特性进行深入分析。本书对混合交通流的研究集中在动力学模型的构建、交通特性的定性分析和交通实践上，用数学模型刻画混合交通流动力学模型及其交通特性，探索各种交通流状态的形成机理，揭示交通流的演化轨迹，为城市交通管理和交通控制提供坚实的理论基础和科学依据。
　　1.1.3 解决方法
　　交通系统是一个典型的远离平衡系统。对交通流理论的研究可以促进统计物理、非线性动力学、应用数学、流体动力学、交通工程学等众多学科的交叉和发展。交通系统包含人、车、路、环境，对各因素相互作用机理的研究有助于了解交通问题产生的根源。交通流理论应用数学或物理学原理，对交通流参数进行定性和定量分析，综合运用统计物理、流体力学、非线性动力学、应用数学和交通工程学等学科知识，建立描述交通流一般特性的模型，揭示交通状态特征及发展规律。交通流理论是一门非线性交叉科学。首先，交通流是非线性的。车辆速度与车流密度不是线性关系。其次，交通流方程及求解方法都是非线性的。交通流高阶连续模型本身是非线性的，而且很难求解析解，目前主要依赖数值计算。
　　交通过程是一个复杂的过程，既可以观察到非平衡的相变，又可以发现行走波、孤立波等非线性现象。交通过程主要采用交通流理论刻画，描述方法包括宏观方法、中观方法和微观方法。宏观方法研究车辆集体的平均行为，不显示单个车辆的个体特性。微观方法集中描述单个车辆在相互作用下的个体行为。在宏观、微观描述方法之间，存在一个能够将两者联系起来的中观方法，如气体动力学模型。不同的理论模型从不同角度研究交通流规律，各有优缺点，但建立的基础是一致的。因此，它们在一定意义上相互关联。
　　本书从动力学模型和交通实践两个层面对混合交通系统进行研究。根据混合交通流特点，在分析机动车流、自行车流、行人流三者共存的情况下，一方面利用交通流理论中微观变量与宏观变量之间的关系建立混合交通流动力学模型，另一方面结合北京市现实交通状况，对混合交通环境中典型车道饱和流率进行基础性研究。
　　1.2 主要内容及结构
　　混合交通是我国城市交通的主要特征，也是交通管理的难点。目前，混合交通的管理和控制是我国交通工程界面临的难点，也是国际交通工程领域研究的薄弱环节。我国道路系统特有的混合交通流形态与道路格局，使国外的交通流理论和方法并不能完全适用。因此，针对我国混合交通流特点，研究不同车流相互混杂的作用机理，建立描述混合交通流的动力学模型，探索混合交通流复杂特性，对提高混合交通流可控性、改善日益恶化的交通状况具有重要意义。
　　本书主要研究内容如下。
　　第1章绪论，阐述研究背景，由城市交通问题引入混合交通流交通特性的研究，明确本书的写作意图和研究意义。
　　第2章介绍交通实测、道路交通流和混合交通流研究概况，阐述混合交通流研究的难点与不足。
　　第3章研究混合交通流复杂驾驶行为，建立一组基于复杂驾驶行为的单车道CA模型。模型遵循以驾驶员决策、行动和结果为框架的3步更新规则，考虑减速限制、前车速度效应、慢启动规则等多种影响因素，能够模拟同步流、亚稳态和回滞等复杂交通现象。在分析模拟结果时，研究车流密度、慢化概率等因素对交通流状态的影响，归纳不同慢化概率下交通相变的过程。
　　第4章探讨混合交通流转向灯效应。在鸣笛效应和强行换道等双车道换道规则的基础上，提出基于转向灯效应的对称双车道换道规则。模拟结果表明，该模型在模拟混合交通系统时，能更好地消除中密度下由慢车形成的塞子，使系统流量大于鸣笛效应和强行换道模型的流量，并且能刻画出跨越多个连续时间步的动态超车行为。
　　第5章研究混合交通流右转车道影响，建立一个新的CA模型，模拟在十字路口处车辆的复杂转弯行为。仿真结果与在北京四环的观测基本吻合。研究发现，右转车辆可能在十字路口附近产生队列。为右转车辆设计短车道对于改善交通流有突出作用，但是过长的短车道并不会进一步降低停车率。
　　第6章研究混合交通流摩擦效应。考虑自行车流和行人流的摩擦干扰，将机动车流、自行车流和行人流分别看作统一的个体，建立三种个体跟驰模型，运用微观变量和宏观变量之间的关系，建立自行车流和行人流摩擦干扰下的混合交通流动力学模型。理论分析和数值实验结果表明，自行车流的摩擦效应会降低机动车流的流量和速度，行人流的摩擦效应会降低自行车流的流量和速度，但这种减少量均与自行车流(行人流)的密度有关。
　　第7章研究混合交通流喇叭效应。在机动车流、自行车流和行人流同时存在的混合交通系统中，建立考虑喇叭效应的自行车跟驰模型和行人跟驰模型。运用微观变量和宏观变量的关系，建立自行车流和行人流的宏观模型。数值实验结果表明，喇叭效应会提高自行车流(行人流)的速度和流量。
　　第8章研究混合交通流行人可变步长，提出一种考虑行人可变步长的扩展移动格子气(lattice gas，LG)模型。该模型首先扫描各种可能的步长，然后根据步长因子的概率确定运动方向。单房间单出口的仿真结果表明，可变步长的行人比固定步长的行人疏散速度快。同时，我们将该模型应用于地铁站在线路换乘或疏散时的实际情况，研究四种常用的客流管理措施，并探讨其有效性。
　　第9章研究混合交通流车道饱和流率，是对混合交通流理论的补充，侧重于交通实践，展现对北京市五环内36个信号交叉口交通调查的数据分析结果。通过对大量的实测数据和精确的统计分析，北京市不同类型车道的饱和车头时距近似服从正态分布。在此基础上，给出北京市最常见的五种车道类型，即专用右转车道、专用左转车道、直行车道、直右车道、直左车道的饱和车头时距推荐值和饱和流率推荐值