（交通运输规划与管理专业论文）高速公路车速离散机理及特征研究.pdf

摘要 近几十年来，随着交通运输事业的快速发展，高速公路、城市快速道路以其快速、高效、安全等 特点在世界范围内得到了迅猛的发展，并在社会经济活动中发挥着越来越重要的作用然而，车速离 散现象引发高速公路交通流偏离稳定，均衡状态并导致实际通行能力降低、事故率上升、污染加重 等一系列问题，严重制约了高速公路交通的运行质量和效率由于缺乏对车速离散现象系统性的研究， 高速公路交通流的车速离散问题至今未能得到解决。 另一方面，车速离散现象作为交通流的基本现象之一，一直以来却很少受到研究者的关注。车速 离散现象能够反映交通流的非稳态特征，研究车速离散现象能够帮助我们加深对交通流非稳态特征和 复杂微观动态特性的理解和认识，促进交通工程学、应用数学、统计物理学、非线性动力学等多学科 交叉和发展。因此，开展交通流车速离散性研究，不仅具有重要的工程应用价值，还有其深远的理论 意义。 本文的研究目标是要探求车速离散现象的特征和机理，以揭示车速离散性与交通流动态特性之间 的关系，为降低交通流车速离散性，改善交通流运行质量提供理论依据本文在对中国和荷兰高速公 路和城市快速道路交通流数据调查、分析的基础上，总结了车速离散现象的一般性规律研究了车速 离散性与交通流基本参数以及实际通行能力的关系，并提出了降低车速离散性的方法，主要工作如下 提出了一种有别于传统车速离散度描述方式“速度标准差( s d ) ”的新的车速离散性描述方式： 平均邻车速度差( a s d ) 。并分别通过理论推导和实测数据分析，给出了新定义的车速离散度a s d 与 传统车速离散度s d 之间的关系。在纯自由流状态下，车速离散度a s d 的均值约为车速离散度s d 的 均值的2 石倍。在自由流一车队状态以及拥挤状态下，由于交通流中加速波和减速波的效应，车速 离散度a s d 值往往小于s d 值。 基于车速离散度a s d 和s d 定义，提出了相应的相对值描述方式a s d r 以及s d r 通过对中国 和荷兰的典型高速公路、城市快速路交通流数据的分析，归纳了交通流车速离散现象的一般性特征。 交通流的车速离散度在拥挤车队状态下最小，其次是自由流车队状态，拥挤堵塞状态和纯自由流状 态的车速离散度最大。车速离散度a s d 的均值随着交通流速度的增大而增大。相对值车速离散度s d r 随着交通流速度的增大而减小。对于多车道交通流情况，在同步流状态下，车速离散度在各个不同车 道上的变化特征具有同步性。车速离散度的分布特征( 如均值、方差) 在交通流中具有类似波的传播 现象，拥挤状态下局部交通流的车速离散性特征具有向上游传播的特性。 改进了全速度差( f v d ) 模型，并在此基础上提出了一种能够体现车辆性能差异和驾驶者行为差 异的新的跟驰模型i b 模型。并给出了m 模型的参数标定方法以及合理参数取值范围。基于i b 模 型，应用数值模拟的方法，讨论了单车道交通流车速离散现象的形成机理及影响因素发现自由流状 态下，交通流中驾驶者个体期望车速的差异是导致车速离散的直接原因，且车速的离散程度随者个体 期望车速离散程度的增大而增大。拥挤状态下，交通扰动是产生车速离散现象的主要原因，且车速离 散程度随着扰动强度的增大而增大。当交通扰动为周期性扰动时，理论上存在一个与扰动持续时间、 东南大学博士学位论文 交通波速以及扰动强度相关的最不利扰动周期，在该周期扰动影响下，扰动上游交通流的车速离散程 度达到最大 改进了广义变道跟驰模型，丢弃了原模型中对变道行为的不合理的激励作用，并基于改进的模型 数值模拟了多车道变道行为对车速离散现象的影响作用，发现变道率越高，车速离散性越大 基于中国和荷兰高速公路、城市快速路交通流数据的分析。发现了车速离散性在w u 提出的基本 图上四个不同状态下具有不同的分布特征。在自由流非车队状态，车速离散性分布范围很宽且与交通 流量、密度之间无相关性；在自由流车队状态下，交通流的车速离散度都很低( a s d 5 k m h ) 在拥 挤车队状态下车速离散度与交通密度之问存在这样一个趋势，即相同平均速度水平下车速离散度越低 交通流密度越高；在拥挤堵塞状态下，车速离散度的变化特征具有较大的随机性，且与交通流量、密 度之间无明显的相关性。 基于k e m e r 的三相交通流理论，引入了车速离散度一项，建立了相同平均速度下非稳态交通流密 度与稳态交通流密度之间的联系，并通过实测数据检验了模型的有效性。 基于实测数据分析，发现车速离散性导致实际通行能力降低。通过车速离散性对车头距离的影响 性分析，建立了车速离散度a s d 与交通密度以及实际通行能力之间的关系模型，为修正车速离散性对 实际通行能力的影响提供了理论依据。 总结了交通流车速离散现象的影响因素，并针对这些影响因素，提出了相应的降低高速公路车速 离散性的方法。 关键词：高速公路；交通流；车速离散性；平均邻车速度差；车速标准差；跟驰模型；驾驶行为：交 通组成；交通流基本图；四相交通流模型；三相交通流模型；通行能力 i l a b s t r a c t d u r i n gt h el a s ts e v e r a ld e c a d e s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o n , m o r ea n dm o r e f r e e w a y sa n du r b a ne x p r e s s w a y sa t t r i b u t i n gt oi t sa d v a n t a g eo fh i g hs p e e d ，g r e a te f f i c i e n c ya n ds a f e t yw e r e b u i l ta l lo v e rt h ew o r l d ，a n dp l a yam o r ea n d1 1 1 0 1 0i m p o r t a n tr o l ei ns o c i a le c o n o m i ca c t i v i t i e s h o w e v e r , l a r g es p e e dd i f f e r e n c e sb r i n ga b o u tas e r i e sp r o b l e m ss u c ha si n s t a b i l i t yo f t r a f f i cf l o w , r e d u c t i o no f h i g h w a y c a p a c i t y , h i g ha c c i d e n tr a t ea n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，w h i c ha f f e c tt h es e r v i c eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo f f r e e w a yo p e r a t i o n d u et ot h el a c ko fw e l lr e s e a r c ho ns p e e dd i f f e r e n c ep h e n o m e n o n ，t h es p e e dd i f f e r e n c e p r o b l e m o f f r e e w a y h a s n o t b e e ns o l v e d t i n n o w o nt h eo t h e rh a n d , t h es p e e dd i f f e r e n c ea so n eo ft h em a i nt r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c sh a ss e l d o mb e e n n o t e db yr e s e a r c h e r sf o ral o n gt i m e s p e e dd i f f e r e n c er e f l e c t st h ei n s t a b i l i t yo ft r a f f i cf l o w s t u d y i n gt h e p h e n o m e n o no fs p e e dd i f f e r e n c ew i l lh e l pu st ob e t t e ru n d e r s t a n dt h eu n s t a b l ea n dc o m p l i c a t e dm i c r o s c o p i c c h a r a c t e r i s t i c so ft r a f f i cf l o w , p r o m o t et h ec r o s sa n dd e v e l o p m e n to fs u c hs u b j e c t sa st r a f f i ce n g i n e e r i n g ， a p p l i e dm a t h e m a t i c s ，s t a t i s t i c a lp h y s i c s ，n o n l i n e a rd y n a m i c sa n da oo n t h e r e f o r e ，t h es p e e dd i f f e r e n c es t u d y i sn o to n l yi m p o r t a n tf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nb u ta l s os i g n i f i c a n ti nt h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h ep u r p o s eo f t h i st h e s i si st os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s m o f s p e e dd i f f e r e n c e s ，t h er e l a t i o n b e t w e e ns p e e dd i f f e r e n c ea n dt r a f f i cd y n a m i c s ，a n dt h em e t h o d so f r e d u c i n gs p e e dd i f f e r e n c e s b a s e do nt h e d a t af r o ms e v e r a lf r e e w a y si nc h i n aa n dt h en e t h e r l a n d s ，w ef o u n ds o m eg e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c so fs p e e d d i f f e r e n c e sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e e dd i f f e r e n c e sa n dt r a f f i cf l o wp a r a m e t e r s w ea l s os t u d i e dt h e i n f l u e n c eo fs p e e dd i f f e r e n c eo nf r e e w a yc a p a c i t ya n dp r o p o s e ds o m em e t h o d st oi m p r o v ep e r f o n n u n c eo f f r e e w a yt r a n s p o r t a t i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s d i f f e r e n tf r o mt h e “s t a n d a r dd e v i a t i o no f i n d i v i d u a ls p e e d ( s d ) ”，an e wd e f i n i t i o no f s p e e dd i f f e r e n c e s “a v e r a g es p e e dd i f f e r e n c eo fn e i g h b o r i n gv e h i c l e s ( a s d ) ”i sp r e s e n t e d b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e na s da n ds dw a sp r e s e n t e d 。w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ea v e r a g ea s di s2 _ 冗t i m e s b i g g e rt h a na v e r a g es di nf r e e f l o ws t a t e w h i l ei nc o n g e s t e ds t a t ea s d i sa l w a y ss m a l l e rt h a ns dd u et ot h e a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o ne f f e c t s b a s e do nd e f i n i t i o n so fa s da n ds d ，t w oc o r r e s p o n d i n gd i m e n s i o n l e s ss p e e dd i f f e r e n c ed e f i n i t i o n s a s d ra n ds d ra r ep r e s e n t e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe m p i r i c a ld a t af r o mc h i n e s ef r e e w a y sa n dd u t c h m o t o r w a y s t h eg e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c so fs p e e dd i f f e r e n c e sa r cc o n c l u d e da sf o l l o w s t h es p e e dd i f f e r e n c ei s s m a l l e s ti nc o n g e s t e ds t a t ea n db i g g e s ti nf r e e - f l o ws t a t ea n dj a m t h es p e e dd i f f e r e n c ea s di n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gf l o ws p e e d ，w h i l es d rd e c r e a s e sw i t h f l o ws p e e di n c r e a s i n g f o rm u l t i - l a n es i t u a t i o n ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so fs p e e dd i f f e r e n c e si nd i f f e r e n tl a n e sa r ev e r ys i m i l a ri ns y n c h r o n i z e df l o w t h es p e e d d i f f e r e n c eh a saw a v el i k ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds o m el o c a lf e a t u r e so fs p e e dd i f f e r e n c e sw i l lp r o p a g a t e u p s t r e a mi nc o n g e s t e ds t a t e b a s e do nf v dm o d e l ，an e wi n d i v i d u a lb a s e d ( i b ) c a r - f o l l o w i n gm o d e li sp r o p o s e d ，w h i c ht a k et h e l 东南大学博士学位论文 a b s t r a c t d i f f e r e n c eo fv e h i c l e s p e r f o r m a n c ea n dd r i v i n gb e h a v i o r si n t oa c e o n u t t h em e t h o d so fp a r a m e t e r s c a l i b r a t i n ga n ds u i t a b l ev a l u e so fp a r a m e t e r sa r ea l s od i s c u s s e d b a s e do ni bm o d e l ，t h es p e e dd i f f e r e n c e p h e n o m e n o no f s i n g l el a n et r a f f i cf l o wi ss i m u l a t e d i ti sf o u n dt h a ti nf r e ef l o ws t a t et h ed i f f e r e n c eo f d e s i r e d s p e e d sa m o n gi n d i v i d u a ld r i v e r si st h em a i nf a c t o ro fs p e e dd i f f e r e n c e s ，a n ds p e e dd i f f e r e n c ei n c r e a s e sw i t h d e s i r e ds p e e dd i f f e r e n c e s i nc o n g e s t e ds t a t e ，d i s t u r b a n c ei st h em a i nf a c t o ri ns p e e dd i f f e r e n c ep h e n o m e n o n ， a n ds p e e dd i f f e r e n c e si n c r e a s ew i t hi n t e n s i t yo fd i s t u r b a n c e w h e nt h et r a f f i ci sd i s t u r b e db yap e r i o d i c d i s t u r b a n c e , t h e r ei saw o r s tc y c l er e l a t e dt op e r t u r b a t i o nt i m e ，p e r t u r b a t i o ni n t e n s i t ya n dw a v es p e e d u n d e r s u c hp e r i o d i cd i s t u r b a n c e ，t h es p e e dd i f f e r e n c e so f t r a f f i cf l o wu p s t r e a mw i l lb et h eb i g g e s t w ed e v e l o p e dt h eg e n e r a ll a n e c h a n g i n gm o d e lb yd i s c a r d i n gs o m eu n r e a s o n a b l es t i m u l a t i o ne f f e c t s b a s e do nt h ed e v e l o p e dm o d e l ，t h ee f f e c to f l a n e - c h a n g i n g0 ns p e e dd i f f e r e n c ew a ss i m u l a t e d i ti sf o u n dt h a t s p e e dd i f f e r e n c e si n c r e a s ew i t hl a n e c h a n g i n gr a t ei n c r e a s i n g b a s e do nt h ee m p i r i c a ld a t af r o mc h i n e s ef r e e w a y sa n dd u t c hm o t o r w a y s ，d i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f s p e e dd i f f e r e n c e sw e r ef o u n di nw u sf o u rs u b s t a t e si nf u n d a m e n t a ld i a g r a m i nf r e es t a t eo ff l u i dt r a f f i c s p e e dd i f f e r e n c ei si n d e p e n d e n to f f l o wr a t ea n dd e n s i t y , a n dd i s t r i b u t e si naw i d er a n g e i nb u n c h i n gs t a t eo f f l u i dt r a f f i c ，t h es p e e dd i f f e r e n c eo f t r a f f i cf l o wi ss m a l l ( a s d 5 k m h ) i nb u n c h i n gs t a t eo f c o n g e s t e dt r a f f i c ， f l o wr a t ew i l ld e c r e a s ew i t hs p e e dd i f f e r e n c e si n c r e a s i n ga tag i v e nm e a ns p e e d i nj a ms t a t e ，t h es p e e d d i f f e r e n c ec h a n g e sr a n d o m l y , a n dh a v e1 1 0r e l a t i o nw i t hf l o wr a t eo rd e n s i t y b a s e do nt h et h r e e - p h a s et r a f f 五cf l o wt h e o r yo fk e m e r , an e wm o d e lw a sd e v e l o p e dt od e s c r i b et h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t e a d yd e n s i t ya n du n s t e a d yd e n s i t ya tt h es a m ef l o ws p e e db yi n t r o d u c i n gt h et e r mo f s p e e dd i f f e r e n c ei n t ot h em o d e l t h ev a l i d i t yo f t h en e wm o d e lw a st e s t e db ye m p i r i c a ld a t a b a s e do nt h ea n a l y s i so fe m p i r i c a ld a t a , i ti sf o u n dt h a tl a r g es p e e dd i f f e r e n c e sa l w a y sc o n t r i b u t et o r e d u c t i o no ff r e e w a yc a p a c i t y t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee f f e c t so fs p e e dd i f f e r e n c e so na v e m g eh e a d w a y , t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e na s d ，d e n s i t ya n dc a p a c i t yw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o u l db eu s e dt oe s t i m a t e t h e i n f l u e n c eo f s p e e dd i f f e r e n c e so nf r e e w a yc a p a c i t y f i n a l l y , w ec o n c l u d ea l lt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h es p e e dd i f f e r e n c e sp h e n o m e n o n t h e nb a s e do nt h e s e f a c t o r s ，s o m em e t h o d sf o rr e d u c i n gs p e e dd i f f e r e n c e sa r eg i v e n k e y w o r d s ：f r e e w a y ；t r a f f i cf l o w ；s p e e dd i f f e r e n c e s ；a v e r a g es p e e dd i f f e r e n c e ；s t a n d a r dd e v i a t i o n o f i n d i v i d u a ls p e e d s ；c a r - f o l l o w i n gm o d e l ；d r i v i n gb e h a v i o r ；t r a f f i cc o m p o n e n t s ；t r a f f i cf l o wf u n d a m e n t a l d i a g r a m ；f o u r - p h a s et r a f f i cf l o wm o d e l ；t h r e e - p h a s et r a f f i cf l o wm o d e l ；c a p a c i t y i v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：芝宝 e t 期：业：二 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名： 立戮 1 1 立题的背景及意义 第一章绪论 随着世界经济的不断发展，交通运输事业，特别是公路交通运输，也得到了长足的发展【l 】尤其 是晟近几十年以来，高速公路以及大型城市快速道路，以其快速、高效、安全等特点在世界范围内得 到了迅猛的发展，大大增强了地区之间的经济联系，加快了世界各国、地区的社会经济的发展。同时， 频繁的社会经济活动进一步刺激了区域问交通需求的增长，并不断对区域交通运输系统的运输能力、 运输效率以及安全性、可靠性提出新的考验。因此，高速公路以及城市快速道路的路段交通流作为区 域交通运输系统的基本组成部分，其运行质量和运行效率的提高显得尤为重要。 交通流的稳定、均衡状态是道路交通管理和控制的目标，是道路交通高质、高效运行的保障。交 通流在这一状态下，所有车辆均以相同的速度并保持彼此之间稳定、安全的距离共同行驶。然而，实 际道路交通流中，各个车辆的速度并不相同，在某些条件下甚至差异很大，这种交通流中个体车辆速 度存在差异的现象统称为车速离散现象。车速的离散现象可以表现为道路上同一时刻不同位置车辆的 速度差异，或是不同时刻经过道路同一位置车辆的速度差异等。尽管车速离散现象可以有多种表现形 式，但出于便于观测的考虑，习惯上通常所指的车速离散概念即指在道路同一位置观测到的个体车辆 速度的差异性。车速的离散使交通流偏离了稳定、均衡的状态在车速离散状态下，车辆行驶速度很 不稳定，加速、减速频繁，道路交通流的运行质量和运行效率均受到严重的影响。这些影响主要表现 为驾驶舒适度和乘客舒适度的降低，车速不稳定导致的车辆间距的不稳定，并由此造成的道路实际通 行能力的下降口】和交通事故发生概率的增加【”】，以及车辆频繁加、减速导致的尾气排放的加重。 车速离散性对高速公路、城市快速道路交通流的运行质量和运行效率造成的不良影响己成为当今 世界各国普遍存在的交通问题。尤其我国加入w t o 以来，随着国民经济的持续高速增长，交通运输 需求不断提高道路交通量迅猛增加。由于快速发展过程中存在的某些不协调因素，致使我国机动车 水平发展很不平衡，车辆性能差异较大，道路交通流的车型组成复杂，加上我国交通工程学科发展较 晚、起步较迟，在交通管理和控制方面缺乏经验，因而与发达国家相比，我国道路交通流的车速离散 性更大。过大的车速离散性导致我国高速公路、城市快速道路的车流速度和实际通行能力明显低于欧 洲及北美的发达国家同时，过高的车速离散性还造成我国高速公路事故率居高不下，交通安全形势 令人堪忧。车速离散问题严重影响了我国高速公路、城市快速道路的实际通行能力和交通安全状况， 已成为当前亟待解决的问题。 尽管人们已经认识到车速离散性对实际通行能力以及交通安全存在影响，然而对其原因尚缺乏理 论上的解释，并且对车速离散现象的特征、产生机理以及影响因素也缺乏系统的认识。事实上，车速 离散性影响实际通行能力和交通安全状况这一现象本质上是由车速离散性导致交通流偏离稳定、均衡 状态引起的因此，研究交通流车速离散现象的特征、产生机理，以及与交通流稳定性之间的关系对 于帮助我们更好地理解车速离散现象，制定科学有效的交通管理与控制措施，降低道路交通流车速离 查堕奎堂堕圭兰垡笙塞 苎二兰! 坠 散性，从而提高道路实际通行能力和交通安全状况。改善道路交通流运行质量和运行效率具有极其重 要的现实意义 本次论文依托国家重点基础研究发展计划( 2 0 0 6 c b 7 0 5 5 0 0 ) 、江苏省自然科学基金项目 ( b k 2 0 0 5 2 0 5 ) ( 城市交通需求与供给的平衡机理及控制研究、以及中荷合作项目( s p e e d s a f e t y ) ， 对中国南京市的两条典型快速道路和高速公路以及荷兰境内的三条典型高速公路交通流的车速离散现 象进行调查分析，并在此基础上，尝试归纳出高速公路、城市快速道路交通流车速离散性的一般特征， 并运用交通流理论的研究方法，探求车速离散现象的机理以及其与交通流稳定性、实际通行能力之间 关系，一方面为降低高速公路、城市快速道路车速离散性，提高交通流运行质量和运行效率提供理论 依据，另一方面，将车速离散性分析引入交通流理论也是对传统交通流理论研究的一次新的探索。因此， 本文开展的研究工作不仅具有重要的工程应用价值，还有其深远的理论意义。 1 2 国内外研究概况 交通流车速离散性研究属于交通流理论研究范畴，目前国内外针对车速离散性问题的研究工作开 展的较少。本节首先对交通流理论的发展作一简要的回顾，然后对国内外有关车速离散性问题的研究 现状做一介绍。 1 2 1 交通流理论发展沿革 交通流理论的研究始于2 0 世纪3 0 年代，在起初的2 0 年问，道路交通流的流量较低，车辆达到服 从泊松分布o 】。这一时期的交通流理论基本上采用的是概率论方法。 5 0 年代之后，随着汽车工业的发展，道路交通流流量骤增，交通流中车辆的独立性越来越小，车 辆之间的相互作用增强，各种新的交通流理论和模型纷纷涌现。这些理论模型根据描述的方式不同， 大体上可分为三类，即微观模型、宏观模型和中观模型。微观模型主要着眼于单个车辆在相互作用下 的个体行为特征，它包括车辆跟驰模型和元胞自动机模型。宏观模型将交通流作为由大量车辆组成的 可压缩连续流体介质，研究车辆集体的综合平均行为，其单个车辆的个体特性并不显式体现。因此宏 观模型又称连续模型。中观模型则介于两者之间，能够把宏观和微观模型联系起来，这就是基于概率 描述的气体动力论模型。 1 , 2 1 1 跟驰模型 跟驰模型理论将交通流中的车辆看成是分散的粒子，在假设没有超车的情况下，通过研究个体车 辆一辆跟随另一辆运动的方式，来了解单车道交通流的特性【川。跟驰模型假设车队中的每辆车必须与 前车保持一定的跟随距离以避免碰撞，后车的加速度取决于前车，通过描述车辆对前车状态变化的反 应，建立与前车之间的相互关系。这样，每辆车的运动规律都可以用常微分方程来描述，通过求解微 分方程便可以确定交通流的演化过程 早期的车辆跟驰理论由r e u s c h e l i l 2 】和p i p e s t l 3 1 提出，标志着跟驰理论解析方法研究的开始。在5 0 年代后期到6 0 年代中期，k o m e t a n i 和s a s a k i t ”、c h a n d l e r ”】、美国通用汽车公司动力实验室的g a z i s 、 h e r m a n 、r o t h o r y 及其研究组进行的研究【，对跟驰理论进行了进一步的扩充，形成了经典的跟驰理 2 东南大学博士学位论文 第一章绪论 论此后的一段时间，跟驰理论的研究工作进展不多，主要是对早期经典跟驰模型中的参数进行了更 深入的讨论l ”直至上世纪九十年代b a n d o 1 ”在n o w c l l 模型【i9 】基础上提出了一个新的跟驰模型优化 速度模型，跟驰理论的研究重新受到人们的关注。近年来，许多学者对优化速度类模型作了种种改进， 提出了各种新的模型。如广义力模型例，全速度差模型b ”。智能驾驶模型阱1 等。 除了上述传统的物理学研究方法外，跟驰理论在研究过程中，不断地吸收了新的研究手段，发展 出许多不同类型的模型。如基于安全车头间距的模型1 2 3 2 4 】，基于驾驶者心理反应的模型 2 5 - 2 9 1 ，基于模 糊推理系统的模型 3 0 - 3 3 垮 车辆跟驰模型着眼于单车道交通流演化规律，不能描述超车现象是其主要缺点。最近，有学者将 车辆换道规则引入到车辆跟驰模型中，并成功的模拟了多车道交通流现象 3 4 , 3 5 1 。这为跟驰理论的进一 步发展提供了新的思路。 1 2 1 2 元胞自动机模型 元胞自动机交通流模型最初是由c r e m e r 和l u d w i g 口。于上世纪8 0 年代中期提出的，采用离散的时 空和状态变量，规定车辆运动的演化规则，通过大量的样本平均，来揭示交通流的运行规律。由于交 通流本质上是由离散的个体车辆组成的，用元胞自动机理论来研究交通流就避免了离散连续离散的 近似过程，因而有其独特的优越性。另外，上世纪8 0 年代以来，计算机运算水平日新月异的发展亦为 元胞自动机理论的应用提供了强有力的支持。因此，进入上世纪9 0 年代后元胞自动机在交通流理论 研究领域中得到了广泛的应用【3 7 l 。 在元胞自动机模型中，道路被划分为等距的格子，每个格子点表示一个元胞。每个元胞只有有限 个状态，或者为空，或者被车辆占据。在下一时刻，根据给定的规则对所有元胞的状态进行更新。由 于元胞自动机的状态量都为整数，且其更新的时间步长大于车辆跟驰模型的计算时间步长，因此元胞 自动机的计算效率优于跟驰模型，适用于在线模拟仿真。 现有的元胞自动机交通流模型可按照描述对象的不同分为两类：一类用来模拟一维交通流现象， 另一类用来模拟二维网络交通现象。一维元胞自动机交通流模型中最简单的形式是1 8 4 号模型 3 8 1 ，最 重要的则是由n a g e l 和s c h r c c k e n b c r g 于1 9 9 2 年提出的n s 模型p 9 】。n s 模型提出后，引起了众多学者 对交通流研究的兴趣，他们在此基础上作了大量的研究工作1 4 “。在二维元胞自动机交通流模型中一 个很重要的模型是由b i h a m ，m i d d l e t o n 和l e v i n e 于1 9 9 2 年提出的b m l 模型 4 4 j 它用二维方形均匀 网格模拟城市路网，每个方格都代表一个交叉口。模拟时奇数时间步并行更新东西向行驶的车辆的速 度和位置，偶数时间步并行更新南北向行驶车辆的速度、位置。随后，在b m l 模型的基础上，学者 们也做了大量的改进工作。如顾国庆等我国学者将二维均匀网格改造为非均匀网格，c h o w d h u r y 等 将n s 模型规则应用到b m l 模型的车辆更新过程中h ”等等，关于元胞自动机模型的研究进展详见文 献m 。 1 2 1 3 洼续模型 因为交通包含车流的流量、密度和速度，所以有一种自然趋势，试图用流体状态来描述交通。把 流体模型用于交通意味着对于交通流来说，整个统计作用上平均行为要比在粒子之间的相互影响更为 重要【4 “。 3 东南大学博士学位论文 第一章绪论 连续模型通过交通流的平均密度以及平均速度这两个参量描述交通流，它的模型方程通常是包含 时间变量和空间变量的二元偏微方程组，具有十分简单的形式。因此，连续模型适用于短期交通预测， 交通流在线速度控制，旅行时间估计和预测，测算油耗、平均排放量以及模拟和评估道路几何设计和 改造效果等。 最早的交通流连续模型由l i g h t h i l l 和w h i t h a m l 4 9 1 于1 9 5 5 年提出，不久。r i c h a r d s 5 0 也独立提出了 类似的理论。这一模型后来被人们称之为l w r 模型。l w r 模型将流体力学中的连续方程引入交通流 来描述车辆数目的守恒规律l w r 模型可以描述非线性交通密度波和激波的形成。然而，由于l w r 模型没有考虑动力学过程，因此它无法描述非平衡交通流现象，实用价值不高。 为了克服l w r 模型的缺陷，p a y n e ”1 根据车辆跟驰理论的基本思想，将动力学方程引入连续模型， 与连续方程起，构成交通流动力学新模型。这类由动力学方程和连续方程一起构成的连续模型后来 被称为高阶连续模型。此后，p a y n e 又将模型离散化，编制了著名的计算软件f r e f l o ! ”】。高阶连续 模型的提出再次引发了交通流连续模型研究的热潮，许多学者根据交通实践对p a y n e 模型进行了改进， 提出了各种不同的新模型，连续模型迎来了蓬勃发展的阶段。 然而，早期的高阶连续模型并不完善。1 9 9 5 年，d a g a n z o 提出了对高阶连续模型的异议1 5 3 】。他认 为高阶连续模型中普遍存在大于宏观车流速度的特征速度，这将导致模型在某些条件下出现车辆倒退 的现象。最近，一些学者针对这一缺陷对高阶模型进行了改进，解决了车辆的倒流问题，其中代表性 的有a w 和r a s c l e 提出的模型酬、z h a n g 的模型以及姜锐等我国学者提出的s g 模型【”。 1 2 1 4 气体动力论模型 交通在低密度的情况下实质上是个别汽车的流动，反之在高密度时则以车队形式流动，这一事实 启示人们交通与气体相似。最早的交通流气体动力论模型由p r i g o g i n e 等p7 】提出。其理论的主要部分是 引入速度分布函数，用波尔兹曼效应描述车辆间的相互作用。d a g a n z o 认为，在p r i g o g i n e 模型中期望 车速的分布是由道路性质而非驾驶者性质决定的，这与实际情况不符。为此，p a v e d - f o n t a n a 提出了改 进的动力学模型网。 此后，在p a v e d f o n t a n a 模型基础上，很多学者又提出了很多改进，包括改变松弛效应项，引入 了连续车辆之间的相关性5 9 ，考察了多车道效应以及混合车辆影响【6 0 垮等。 1 2 1 5 我国交通流理论研究的发展 与发达国家相比，我国交通流理论研究起步较晚，但随着9 0 年代以来东南大学、同济大学、北京 工业大学、蘑南交通大学、长安大学、吉林大学、哈尔滨工业大学等高等院校及科研单位在这方面所 作的努力，已经产生了一大批优秀的科研成果，大有奋起直追的发展势头。王炜、过秀成等于2 0 0 0 年出版了交通工程学”，王殿海于2 0 0 2 年编写了交通流理论【6 2 】，杨佩昆针对我国混合交通 流的特点，提出了不同断面结构路段的行程时间模型【“。近年来，许多流体力学、计算数学等其他领 域的研究人员参与到了交通流理论的研究，其中上海大学以及中国科学技术大学的科研小组在交通流 连续模型的研究以及用元胞自动机模拟复杂交通