（系统工程专业论文）城市快速路交通流的定性进程建模方法研究.pdf

北立交遁叁堂亟堂位论塞 生塞摘要 中文摘要 摘要：随着i t s 技术的发展，人们通过对所获得的高质量交通流数据分析，发现 很多经典的交通流理论与目前获得的实际数据不甚符合；同时传统交通流理论也 难以对新的交通现象进行合理的解释，从而也难以为交通控制和管理提供更多有 效的指导。交通领域需要新的理论来指导实践，交通流理论研究也因此引起了越 来越多的重视。近年来，各国科学家们研究构造出了大量的理论模型来解释复杂 的非线性交通流现象。 实际交通流由于时间和空间的变化和各种随机因素的影响，其变化充满不确 定性。又由于时间和空问可以无限分割，加上各种随机因素的存在，在不同的时 间和空间交通流状态差别很大，用交通模型来研究交通流除了要求模型能对实际 发生的各种交通状态进行艇释外，还必须考虑司机的实际行为，而入的行为往往 很复杂，因此单纯的定量方法在研究交通系统方面处于一个两难境地。定性结合 定量的方法对交通流进行研究是交通流理论发展的方向，其中利用人工智能领域 中的定性推理研究是一种重要的方法。 本文将人工智能领域的定性进程理论与交通流理论结合起来，对北京市二环 路段上的实测交通流数据进行了实证分析。先是在对北京二环路上两个典型的测 量点上的一周的交通流数据进行实证分析后，提出基于北京二环路交通实测数据 的一个定性进程模型，分析其中所呈现的交通规律，并对其原因给出解释。然后 在北京二环路上某一典型路段上的某一天的高峰时段的交通流数据的基础上，做 出基于北京二环路实测数据的交通瓶颈处同步流与堵塞传播特点的实证分析，并 提出了相应的定性进程模型。 关键词：定性进程模型；交通状态；相变；交通流；堵塞 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi t st e c h n o l o g y , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f h i g hq u a l i t y 嘣cd a t a , i ti sd i s c o v e r e dt h a tm a n yc l a s s i c a lt r a f l i ef l o wt h e o r i e sd on o t c o i n c i d ew i t ht h ea c t u a lr e a l t i m ed a t a m e a n w h i l e , n e wp h e n o m e n ao b s e r v e di sh a r dt o b el o g i c a l l ye x p l a i n e db yt h et r a d i t i o n a lt r a f f i cf l o wt h e o r i e s t h u s , n e wt h e o r i e sa l e r e q u i r e dt og u i d et h ep r a c t i c a lt r a f f i c u n d e rt h i se i r e t n n s t a n c e , r e s e a r c h0 1 1t r a f f i c t h e o r ya t t r a c t sm o l ea n dm o l r l ea t t e n t i o n p r e s e n t l y , l a r g en u m b e r so f t r a f f i ct h e o r i e sa n d m o d e l sa l r cd e v e l o p e dt oe x p l a i nc o m p l e xn o n - l i n e a rt r a f f i cp h e n o m e n ab yt h es c i e n t i s t s a l io v a l t h ew o r l d d u et os p a t i o - t e m p o r a lc a u s a l i t ya n ds t o c h a s t i cf a c t o r s ，a c t u a lw a f f l es y s t e mi s a l m o s tl t l n c c r l a i l l s o m e t i m e s , t h es t a t eo fi r a f t i es y s t e ma l t e r e dd r a m a t i c a l l y a c c o m p a n y i n gt h ec h a n g eo ft i m ea n ds p a c e a ne f f e c t i v et r a f l i em o d e lw i l ln o to n l y a l l o wf o rv a r i o u sl r a t t i ep h 酬r n e ab u ta l s ot a k ed r i v e r sb e h a v i o r a lf a c t o r si n t o a c c o u n t i t sw e l lk n o w nt h a td r i v e r sb e h a v i o r a lf a c t o r s 疵v e r yd i f f i c u l tt os t u d y i n t e r m so fs y s t e me n g i n e e r i n g , t r a f f i cs y s t e mi sat y p i c a l l yc o m p l e xs y s t e m f o ra b o v e 托a 如憾，p u r e l yq u a n t i t a t i v em e t h o d s8 1 ci nad i l e m m af o rc o p i n gw i t hs u c hac o m p l e x s y s t e m t h ed i l e m m ao fq u a n t i t a t i v em e t h o d sf o rm o d e l i n gi r a t t i es y s t e ml e a d sn l o r l 。 a n dm o l - es c i e n t i s t st oe m p h a s i z et h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v em e t h o d s t ob e s p e c i f i c ，q u a l i t a t i v er e a s o n i n gw i t h i nt h ea r e ao fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei so l l co fg r e a t i m p o r t a n c et h e r e o f b a s e do nt h ee m p i r i c a lt r a f f i cd a t ao f b e i j i n gs e c o n dr i n gr o a d ( b s r r ) ，t h e p a p e r p r o v i d e da ne x p e r i m e n t a la n a l y s i sc o m b i n i n gq u a l i t a t i v ep r o c e s st h e o r yw i t ht r a f f i c f l o wt h e o r y f i r s t l y , w ea n a l y z e dt h et r a f f i cf l o wd a t ac o l l e c t e db yt w ot y p i c a ld e t e c t o r s i nb s r r , p u tf o r w a r da q u a l i t a t i v ep r o c e s sm o d e lb a s e do ne m p i r i c a ld a t aa n dt h e e x p e r i m e n t a la n a l y s i st h e r e o f f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e ra n a l y z e do n et y p i c a lr o a ds e c t i o n w i t h 锄e f f e c t i v eb o t t l e n e c ki nr u s hh o u r s a n dp r o v i d e daq u a l i t a t i v ep r o c e s sm o d e l a c c o r d i n g l y k e y w o r i o s ：q u a l i t a t i v ep r o c e s sm o d e l ；t r a f f i cs t a t e s ；p h a s et r a n s i t i o n ；t r a f t i ef l o w ； c o n g e s t i o n c l a s s n 0 ： 学位论文叛权使羽授权书 本学位论文作者完全了鳃j t 京交通大攀脊关傈留、使餍学位论文的规定。特 授枚北京交通大学可以将学位论文的全部绒部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向围 窳肖必部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 孥往论文作者签名：惫 憝字日期：川年蝴c 一日 僦名：墨事 签字目期：矽0 年见月，。日 韭立交遵左堂亟堂僮i 金奎 独创性岜明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：愉 签字日期：年f z 月i o 日 致谢 本论文的工作是在我的导师关伟教授的悉心指导下完成的。自从本科大四开 始跟着关老师学习并参与科研项目以来，关老师渊博的知识，严谨的治学态度， 正直的人格，洒脱的生活态度深深的影响着我。在此衷心感谢几年来关老师对我 的关心和指导。 感谢我的师兄洪吴提供的参考资料以及研究思路，让我在陷入困难的时候看 到前进的方向。 感谢何蜀燕博士在我论文研究工作中给予的相关文献理论说明及数据来源与 用法方面的热心帮助。 感谢我的同门翟东伟、李小强、刘惠玲同学，在研究生阶段给我的各种帮助 与鼓励，以及论文工作中写作规范、版式要求等方面的指导。 感谢我实习单位的指导员王敏，帮我在论文的最后阶段安捧了休假，能够让 我专心于论文工作。 特别的，感谢我的父母，你们的关怀和支持使我能够在学校安心完成我的学 业，谢谢你们。 l 引言 1 1论文背景 近年来，由于过去曾被认为是经典的、用于描述交通流量、速度和密度的模 型得出的结论常与目前通过先进的智能交通技术获得的实际数据不相符合，并且 传统的交通流理论不能合理地解释新发现的交通现象，比如交通流中的非平衡状 态转移和各种各样的非线性动态现象( 诸如交通阻塞的形成，同步交通流等) 的 发现，使得对交通流的研究再一次成为交通工程、系统科学、复杂性科学等学科 领域研究的热点之一。 根据系统工程的观点，交通系统是一个复杂系统，即真实交通流由于时间和 空间的变化和各种随机因素的影响，其变化充满不确定性，又由于时间和空间可 以无限分割，加上各种随机因素的存在，所以在不同的时问和空间交通流状态差 别很大，精确的可以用微分方程完全定量描述且具有普适性的交通规律很难找到。 用交通模型来研究交通流除了要求模型能对实际出现的各种交通现象进行解释 外，还必须考虑司机的实际行为，而人的行为往往很复杂。 由于交通流建模条件的苛刻和解的复杂性，很难对交通流建立准确的模型， 即便是建立了这样的模型也会很有多不足。因此单纯的定量方法在研究复杂系统 方面处于一个两难境地：追求科学可重复实验性的目标使科学家试图建立精确的 数学模型，但要想建立模型除非有很多严格的假设，有很多假设的模型在实际应 用中很有可能失真。基于此，越来越多的科学家着手用定性结合定量的方法对交 通流进行研究。 1 2 本文的工作 本文将人工智能领域的定性进程理论与交通流理论结合起来，对北京市二环 路段上的实测交通流数据进行了实证分析。主要工作如下： ( 1 ) 对交通流理论的发展概况进行综述，简要分析了传统交通流理论中的经 典模型，并介绍现代交通流理论研究的现状及最新进展。 ( 2 ) 介绍了定性推理的理论框架与定性进程理论的发展过程，并分析了定性 进程理论的基本原理。 ( 3 ) 在对北京二环路上两个典型的测量点一周的交通流数据进行实证分析 后，提出基于北京二环路交通实测数据的一个定性进程模型，分析其中所呈现的 交通规律，并对其原因给出解释。 ( 4 ) 在北京二环路上某一典型路段上的某一天的高峰时段的交通流数据的基 础上，做出基于北京二环路实测数据的交通瓶颈处同步流传播特点的实证分析， 并提出了相应的定性进程模型。 1 3 论文的结构 第一章为绪论部分，简要介绍进行交通流的定性进程建模方法研究点实证分析 的背景、本文主要工作和论文的结构。 第二章为交通流理论发展综述，简要分析了传统交通流理论中经典模型的有效 性与不足，同时简要地介绍了现代交通流理论研究的现状及最新进展，最后介绍了 基于统计特性的城市快速路交通流状态划分方法。 第三章为定性进程理论概述，主要介绍定性推理的理论框架，并在此理论基础 上说明定性进程理论的发展沿革。 第四章为分析北京二环路交通实测数据的交通状态转变，并提出相应定性进程 模型。首先结合实测数据分别给北京市二环路的交通流流量、速度和密度划分定性 状态区间；然后对交通状态提出划分，区别自由流、谐动流、同步流和阻塞，进而 做出了交通流变量白j 的两两相互关系图和四种状态之间的相变示意图，分析其中所 呈现的交通规律，并对其原因给出解释。最后给出了其定性进程模型。 第五章为基于北京二环路实测数据的交通瓶颈处同步流与堵塞传播特点的实 证分析。主要针对瓶颈附近路段交通实测数据进行了实证分析，并提出了其定性进 程模型。 第六章为结论与展望，对本论文进行总结并提出论文有待进一步深入研究的 方向。 2 a k 疯褒避塞堂亟堂焦论窑奎适逋堡监崖鹾缠溅 2 交通流理论发震综述 2 1交通流理论赣究的历史概述 交通流本身作为独立的研究对象，其最翠的研究始于1 9 3 5 年g r e e n s h i e l d s 的 一个研究报告。那个时期汽车的普及率很低，道路上行驶的汽车之间的相互作用 很小，所以起始阶段对交通流理论的研究犬都采用概率论和数理统计的方法，并 鼠熙局限于研究交通流处于畅通状态的一魑特征和规律，即交通密度较低，道路 上虢聪紧邻的车辆间距较大，道路任何两个翠辆间相互影瞻较小，车速主要取决 予路况和车辆性能指标。到了2 0 世纪5 0 馨代，箍着汽车工业的飞速发展和汽率 熬逐澎营及，道路上交逶流量增大，交通攀藏帮交通阻塞发生豹频率较离，交通 滚零霉辚戆独立毪较，j 、，甄骞懿壤率论帮数璨绫诤方法骚究交逶特毪基经显毽臻 黧誉怒，这个时势l 转入对交逶密度较裹、蘩辆瓣疆较参，道路上紧邻懿两令车辆 汹存在一定的相互影响的交通特征进褥研究。弼剜了1 9 5 5 年，l i g h t h i n 帮w h i t h a m 搬搬流体动力学，提出了第一个宏观交通瀛模型，这也是迄今仍然运用最广的交 通流模趔。这个模型将交通堵塞视为冲击波，而将交通流看成一维的可压缩流。 劁t1 9 6 0 年，后来的诺贝尔奖获得者p r i g o g i n e 等人在气体动力学中的b o l t z m a n n 方稷的基础上，提出“气体动力学”模梨。第：年，n e w e l l 提出一个微观的最优 簿速模型。然后直到1 9 9 2 年，b i h a m 的文章，同年n a g e l 和s c h r e c k e n b e r g 的文 章，以及1 9 9 3 年k e r n e r & k o h n l 懂u s e r 的文颦，引起了科学界广泛的注意。从这时 嚣贻谯各国都开始了大量麓相关研究。 程零章孛，恕交逶滚理论努为转绞交瀵浚璞论秘凌筏交遥流理论。黉绕交遁 滚璞谂怒密疆穰率论，数理统嚣稻徽积分笛黉绫数学和凌理方法兔基疆嚣交逶滚 瑗论；现代交通流理论是指戳瑷代辩学技零_ 稻方法为主要研究手段，在实测数擐 盼簇硪上进行模型仿真而形成的交通流理论，如下面提到的h e l b i n g 和k e r n e r 等 人的工作。 2 2传统交通流理论研究的内容 传统交通流理论的显著特征是所建立的交道流模型的限制条件比较多而且很 严格，模型推导过程眈较严谨，模型物理意义麓确。传统交通流理论以车辆跟骢 瑗论、流俸动力学摸掇模型、车辆拜双论模擞为鼗表；铸统交逶滚理论在舄魏的 交瀵浚攥论俸系孛侮嚣圭导逢往，势燕京疲掰孛方法耜瑟残熬，整氇表瑗窭缀多 j t 盛窑道左堂亟堂僮i 金室窑遵速堡j 盆发屋绽述 不足。 下面将对传统交通流理论中的经典模型的有效性与不足进行简要的分析。 2 2 1车辆跟驰理论 车辆跟驰理论最早是由p i p e s 提出，运用动力学方法，将道路上的车辆当成一 个一个简单粒子，即交通流由分散的粒子组成，从微观角度探究在无法超车的单 一车道上车辆列队行驶时，后车跟随前车的行驶状态，并利用微分方程分析和说 明车辆在追随状态中发生的各种现象i l 】。车辆跟驰理论只研究非自由行驶状态下车 队的特性，非自由行驶状态下车队具有制约性，延迟性和传递性等特点，所以交通 信息沿车队由前向后传递时不是以平滑连续的方式而是像脉冲一样间断连续的方 式。车辆跟驰理论主要采取刺激一反应模式，其表现形式可以直观地理解为反应 = 敏感度x 刺激1 。 ( 1 线性跟驰理论【t p i p e s 最初未考虑刺激与反应之间存在的滞后。提出了一个线性跟车模型 盟磐：t v r ( f ) - v m + i o ) 】( 1 - 1 ) 其中。为第n + l 辆车( 跟随车) 的速度，吒为第n 辆车( 头车) 速度，a 为 反应灵敏度系数( g - 数) ，式( 1 1 ) 表明刺激因素是相对车速叱一v 。，跟随反应 是跟随车速度的变化! 挚，即加速度口。( f ) 。 口l 考虑刺激与反应之间实际存在的时间滞后( 即反应时间) f 的影响后，式( 1 - 1 ) 可改写为 亟；翌：口。，( f + r ) ：珥匕( f ) 一，。俐( 1 - 2 ) 式( 1 - 2 ) 中a 。o + r ) 为延迟r 时间后第n + l 辆车( 跟随车) 的加速度，f 对 于大多数驾驶员一般为1 0 - 2 2 秒。 c h a n d l e r 和h e r m a n n 对式( 1 - 2 ) 进行了稳定性分析，导出关系式c = 五f ， 其中c 为反映车辆车头间距摆动特性的一个参数，c 越小，闽距的摆动值越小， 车队越稳定，具体可以分为4 种情况：o - c 蔓车头问距不摆动；寺c 等车头 二二 问距衰减摆动( 渐进不稳定) ：c = 鲁车头白j 距非衰减摆动；c 2 鲁车头间距摆动 zz 中增大幅度( 轨迹不稳定) 。也即c = 为交通稳定的临界值，与此相应，在速度 4 密度关系1 1 = v ( p ) 中也存在临界密度， 则为稳定区域。 ( 2 ) 非线性跟驰理论【2 】 若p 丢为不稳定区域，否 由于线性模型假定后随车的跟驰反应只依赖于它与前导车的速度差，而 与两车间距及后随车的速度无关，与实际情况不符。基于此，g a z i s 把线性模 型推广为 查出生! ! ： d t o ) 一“( f ) v a t ) 一k 。( f ) 】 ( 1 - 3 ) 式( 1 - 3 ) 中l - - 为灵敏度的度量。 t 一+ l ( 3 ) 车辆跟驰理论适用范围和局限性分析 车辆跟驰理论将交通流中的车辆当成分散的粒子，是交通流微观模型中的 一种，但是难以在实际的交通规划和控制中进行应用； 车辆跟驰理论只有在交通流密度较高的条件下才适用，而且仅限于单车道 没有超车情况发生，在多车道系统伴随有频繁超车、改道现象发生时，车辆跟驰 理论不适用。 车辆跟驰理论虽然提出了影响稳定性的参数和产生机理，但车辆跟驰理论 中临界值的确定比较困难，而且真正影响交通流是否稳定的因素很多，所以车辆 跟驰理论的假定条件与实际的交通流有很大差距； 车辆跟驰理论的思想基础是一种机械式的“伺服机制”，仅简单地将刺激反 应归结为与前车车速和车距变化有关，并以j 比伺服”地改变跟随车速；而驾驶者在 行驶过程中接受到的刺激和做出反应的程度还应与道路拓扑持性( 车道数、路面情 况、交通信号) ，驾驶者本身的感知能力、判断力以及理性程度有关。因此，跟驰 理论仅是一种理想化的理论模型，与实际的车辆行为相差甚远【l l 。 2 2 2流体动力学模拟理论 流体动力学模拟理论是运用动力学方法，从宏观角度采用连续介质模式来描 述交通流状态，其状态方程包括了时问和空问变量，并考虑了交通流的可压缩性， 与车辆跟驰理论相比较，连续介质模式可以更好地说明车流的集体行为，从而可 以动态地分析交通流状况，为制定有效的交通政策、道路几何改造方案以及进行 交通流实时模拟提供参考和依据【】 ( 1 ) 阶连续介质模型( i w 理论) 【i i 5 a k 疯塞邋盘堂亟堂僮论奎銮通逾堡i 金蕴盛绫遗 l i g h t h i l l 耧w h i t h a m 蓄走采用一黔连续分壤模型论证了交通激波豹存在、特性 及葵疯蠲，鬏攥箕理论，交逶滚淹是魏下寄憾方程： e p + 塑：s & 砖 1 - 4 ) 露舀 式( 1 - 4 ) 中5 而f ) 为流量产生率，善和t 分剃表示为空闻和时间，对于无避l i t 厩邋道路s k f ) = 0 ，对进口匝道j b f b 0 ，出l a i 匝谑i s ( x , f ) 0 ；p 为交通流密度， 4 为变通流量。 避一步地，设，为空间平均速度，则衡以下速度密度关系： q = p x v ( 1 - 5 ) 式( 1 - 5 ) 为传输方程。假设平衡状态- fp 、v 满足如下关系式： y = 6 , ( p ) ( 1 - 6 ) 夔 j 式( 1 - 5 ) 移式( 1 - 6 ) 戆构成联立方程缀，裁羼特薤线法可以求解一些简单 交遁浚鞫题。 ( 2 ) 褰除连续奔爱模壅溺 融予一阶连续模型末考虑加速度轻镁谯澎孵，因藤没能如实建反映菲平衡状 态下交通流的动力特性，于是学者们弓l 避了街阶连续介质模型，即考虑加速度和 惯性影响，用动量方程代替式( 1 - 6 ) ，则脊如下交通流加速度一般表达式，即 老= 鲁+ v 暑= 一；( v e ) ) 一去pt 塑o t c 一， 出a西r 、 ( 3 ) 流体动力学模拟理论适用范围和桶限性分析 流体动力学模型的适用范围有限，它适用于稠密、均匀、稳态的交通流情 形，褥对予自由流和闽歇流情形刚无能为力，鄹使对予菲自出流情形，流体动力 警摸黧穗苓麓完全解释交通拥挤、协同运动交邋溅、交运堵塞和车流不稳定现象i “。 霞实嚣交逶滚孛速瘦一觳蓬密度豹纛魏瓣下降，毽守整方程式( 1 0 ) _ 耱式 ( 1 - 7 ) 苓熊簿释车速夔密度上舞露下簿豹现象，巍孩这是滚俸动交学模掇摸蘩憨 一欠缺陷。 流体动力学模拟模型末考虑司机行为的影响，与微观跟驰理论严重脱节， 不臆对交通流进行有效的稳定性分析弼。 从计算角度看，流体动力学模烈巾的偏微分方程难以求解，传统的特征线 法计算过程复杂，从控制的角度来看。求解问题时需要对模型作空问离散化，由 此得别个差分微分方程，考虑到计算擞、裳时性的要求，需对模型作时问离散 h ：，农此很难选取适当的离散化步长，另外麓分格式选取不当也会使计算失稳或 举收敛，这些翊题在缀大程度上影响了流体动力学摸鼙在实际交通管理和控铡巾 黪瘢燃及应矮效粟瓣。 6 熟疯塞遵太堂亟堂焦论塞 銮通近理论蕴鹾绻述 2 2 。3蓑 麸理论 撵驮论是磅究“爨务”系统因“霉求”翔揍瓣产生等德获襄( 静捧弧) 熬瑰象，瑷及 会瑗协调“需求”与“服务关系盼一种数攀联论驿j 。 程交通工程中，捧队论在研究车辆延误、通行能力，信号灯配时以及停车场、 加油站等交通设施的设计与管理方面得到了广泛的应用。排队系统由输入过程、 排队擞则和服务方式3 部分组成。一般采用a b c 形式来表示服务系统，其中4 袭 永别达类型，b 表示服务类型，c 表示服务螽数。 排队理论采用了很多数理统计和概率论的原理，建模要求很高，在很大程度 上限制了其应用。例如摊队理论中串涟多服务台模型假定各个服务台之间相互独 鼗，键在实际的交通系统中却是各个服务螽( 翔蔼号路口) 相互协同水 。 2 2 4蔫数时蠲点模型 离散时间点模型是采用车流检测篱惑构成点过程，如b a r a s 曾利用基于熵的离 散时冉j 点过程的最优非线性滤波方法在线估计交叉口的车辆队长。与排队论的稳 懑模魁相比，离散时问点模型则是一个动态模型，它能充分利用车流检测信息， 谯实践中可以提高交通管理和控制水平，但是该模型对信息采集的实时性要求较 黼，数学形式也比较复杂，在一定程度上限制了其应用【”。 2 2 5突变理论模型 n a v i n 嚣h a l l 予1 9 8 6 年善次将突变理论巾豹受鑫突交形式痊耀手交蘧滚交霆， 葵巾囊要楚滚量、速度、容量之秘瓣关系撰透f 。 尖点突变形式上包括3 个交量；两个撩铡交璧和一个状态变量，其一般表达式 为z _ e e l l l a n 在1 9 7 7 年提出的势函数最小化袭选： 睨x ) = a x x 4 - b x c ，x x 24 - c x q x( 1 8 ) 熬临界面可出下式定义 4 x a x 3 + 2 x b x u x + c q * 0 ( 1 - 9 ) d i l l i o n 和h a l l 在1 9 8 8 年提出：交通流变嫩必须经过适当的变换才能应用予尖点 突变模型中，饱们提出了一个“最鲟”的交换，鞭 u ：a _ _ q q( 1 1 0 ) 1 0 0 x = p( 1 1 1 ) 韭塞奎鼗纛誊瑟圭堂焦逾塞奎适速理：l 金蕴匮绫述 箕串扩为道路通行旋力，q 为实际流量与额悫滚整之迸，缸为实际车速与 饱和流速之蓑。 但是实际骚证结果并不理想。后来j o r g ea a c h a - - d a z a 和h a l l 在其工作的基 磋上，逶避瓣交逶滚变量藏孬一系列的复杂交换，翘捂变量代换、辘瓣平移和旋 转等，对蜜酥交逶流数蕹进程了拟合，毽缺乏交逶滚产生突交懿掇理磅究。 2 3交通流理论的最新进展 现代交邋溅理论豹特点是所采用的摸型和方法不追求严格意义上的数学推导 巍甥磺豹魏毽意义，瑟受重视在实际测量酶数撂戆蘩懿土豹褥窭夔模型或方法对 真实交逶流熬稼合效果。这类模型主要用予霹复杂交邂濂现象戆模拟、解释和预 测，褥使援传统交通流理论要达到这些露鲍就显得寄些疆难。 2 3 。l实测数据中袭察的薪发现 近年来，些学者通过在联察丈鬣实际测量数缎的基础上进行仿囊，获得了 些关予交通流物理性质上很有意义的新发现。 当今学术界的观点是把交通流系统视为种远粥稳态的多微粒系统。图2 - l 苯出最大流量点、自由流、亚稳慰态和阻塞状态。 善 量 霹崖 圈2 1 ：交磁澈理论中广泛使用的酝嗽濂篮幽 f i g 2 - a 瓢两p v o l 姗帕g 哪，1 1 w h i c h i s 埘d e 每u s e d 赫t r a f f i c 蠡拳 在燮逶王程领域，瑰在钓工程师一般使耀j 鬻复祭瓣交逶瀛摸型。但是由于 建模时候设赣的糖关因素过多，两关键因素又不嘲确，效果缀不理想，效率也缀 低。于是遥来物理学家建议使用在初始控制变量上简化些的模型。 葚 戴巍窟通塞堂亟堂僮j 金塞 奎道速理论蕴匮绫述 弼嚣雩，m u l t i a g e n t 镑真技寒的进步，像使群穴艘摸交通仿真残为可能。 n a g e l s c h r e c k e n b e r g1 9 9 2 年撵爨瓣元蕤鑫动穰( c e l l u l a r a u t o m a t o n ) 模型隧， 傻褥瓣予大城索道路系统静实嚣重德囊成奔霹缝。蠢k e m e r r e h b o m1 9 9 6 年【5 】在 驶入鲢道附近发现一种特殊的现象，从鑫漱流到阻塞状态( 简称f 1 坷) 的滞菇 椭变，他们称之为“同步流”。韩国的l e e 等人猩1 9 9 8 年发现了r h ( r e c u r r i n gh u m p ) 现象，并试图据此解释同步流的散点现镦( s c a t t e r i n g ) 【6 j 。 德囡学者h e l b i n g ：认为：一种好的理论币仅要求能够表现出系统所有的实际特 铽，述应该能让人通过其预测的准确与磷来捻骏其是否正确盯j 。 融徒普遍使用的测量手段主要是航拍和服车；但是如今，主要数据来源还是 卷翻道路上定点设置的“感应线圈”这其中就会产生一定的问题：如图2 - 2 所示： 瓣婀警均值与空闯平均值褥出的结采有滋入，溷为快车通过两籀邻线圈之闯的溺 毅熬羰率裹手爱车。虽然其误差可班瘸诵弱警稳氇耱为蛰缮，霆是这徉赠会造成 窜辆寮发蔻霭大壤痉缮燕，著壤褥藏整痰藩势翡车速秘流量篷交奎，显露予牵遽 低鹣部分鹃误差极其敏感。 霹鬟 墼2 - 2 ：佳辩簿譬缘逮囊! ；空薅警筠遮菠簿疆露结采翦i l i a f i 9 2 - 2 t h e d i f f e m l c e b 薛w 嘲妇礴“舳v e l o c i t y a n ds p a c e l n 凇v e l o c i t y 对予同步流产生的原因，h e l b i n g 认为：弼步流的产生可能是车辆双慢车邋转 剥快牵道这个过程的结果，这样最终会造成备车车速的差异趋于稳定。此外，所 谓“幽灵般的交通堵塞”( p h a n t o m t r a f f i cj a r e s ) 也还没有发现明显的起因。 1 9 9 6 年，德国的k e m e r 和r e h b o m 发现了道路上有时会出现一种特殊的阻塞 状淼i 期，他们把它命名为“宽动堵塞”( w i d em o v i n g j a m ) 值得注意的是：他们发 现宽动堵塞的一些参数都是基本恒定不变的，如； l ，转播速度 2 。堵塞建豹车辆密度 3 。壤塞蠹瓣孚均车速与流量趸乎达到0 4 堵塞豹滚出瀛量琵乎稷姿于鑫国滚时羧豹2 3 聱 北塞銮煎塞堂亟堂位淦童 交通速堡论蕴屋绽述 5 堵塞下游是自由流的话，下游流出处的车辆密度 但是阻塞最主要不是表现在宽动堵塞上，而是表现在道路通过能力的陡降。 即道路在进入阻塞状态时，其通行能力突然大幅度下降。 由此k e m e r 和r e h b o m 在1 9 9 7 年提出，交通相中从自由流到同步流( f s ) 的相变可能类似于物理学中饱和水蒸气一水的成核反应( n u c l e a t i o ne f f e c t ) 。 如图2 3 ，2 - 4 所示，h e l b i n g 对于新发现的交通流现象使用另外的术语称呼： 分别是h c t ( h o m o g e n e o u sc o n g e s t e dt r a f f i c ) ，o c t ( o s c i l l a t i n gc o n g e s t e dt r a f f i c ) 和r e c o v e r i n gt r a m d 7 】。 图2 - 3 ：匝道附近阻塞类型的分类示意盈横坐标足匝道流入流量，纵坐标足主干道原有流量 f i g 2 - 3 c l a s s i f i c a t i o n 毒d 惯删c 进a 矿a m0 f 唱矗c d 蒯c f 嘲r f a “弘m a k e t h e v o l u n k o f r o m pa s x - a x i s , v o h o f m m kr o a d y - e x i s h e l b i n g 认为：现今在交通流领域现实测量中问题很大。他认为实测数据必须 达到一定的标准才有意义，而一份有意义的实测数据至少必须明确： 1 测量的地点和条件 2 采样时间间隔 3 数据收集方法 4 数据的统计学属性( 比如方差，相关系数等等) 5 数据转换 6 后期处理和曲线拟合平滑 他还特别提出，应该将卡车的相关数据单列分开研究，因为卡车这类车辆单 独就能给道路交通状况造成很大的影响。 1 9 9 8 年，l e e 等人用k k 模型( 这个模型主要针对驶入、驶出匝道，环形路 段) 仿真同步流【“。他们发现，当驶入匝道车流流量逐渐增大时，道路上会产生“停 停走走”( s t o pa n dg o ) 状态：这种阻塞的形式随后会往上游传播，但是其下游边 界仍然固定在匝道位置。l e e 等人将这种现象称作“褂 ( r e c u r r i n gh u m p ) 由此 i o 趣童奎煎盘堂亟茔位监塞 銮煎近堡垃缴服缀述 l e e 提出：密度一流量圈孛懿二缳散点可能是因为“振荡状态豹振耀墩凌手匝道流 入量”的变化而发生魏。叁此以后研究入员开始将流入流量级终蔻控制变量考虑。 图2 - 4 i 用三维模拟的示意翻扶，j ：捌下分别是h c t , 0 叽1 善g ( 咖呻n 衄。把匝c x p l c ( p i r m e d l o c a l i z e d c l u s t e r ) f i g 2 - 4 t h e s c h e m 疵d l w a m sr e n d e r e d u s i n g3 d f r o m t h e t o p d o w n h c t , o 瓯僦p l c 一 但是时至今天，关于同步流产缴的原因，仍然有其他各种解释，众说纷纭， 难说谁是谁非，正确与否。很多学者都对此提出了自己的看法。比如下僦的说法。 都有其合理性： 1 往复传播造成的复杂动力攀效应( k e r n e r , r e b o r n ) ； 2 “沮丧”司撬行为豹苓墉定性( k r a u l 3 ) ； 3 预期效应( w a g n e r , k n o p s e ) ： 4 不难一豹稳态瓣( n e l s o n , s o p a s a k i s ) ； a b 瘀童通盘堂亟圭堂焦论塞窑道速堡论发展绫蠛 5 亚稳定振荡获态豹多态性( t o m e r ) 。 t r e i b e r 等在2 0 0 0 年戆( c o n g e s t e dt r a f f i cs t a t e si ne m p i r i c a lo b s e r v a t i o n sa n d m i c r o s c o p i cs i m u l a t i o n s , p h y s i 蕊r e v 纛2 0 0 0 ) 审专门搽讨了錾塞在道路不缘岛憝瓣 避的情瑰，比如车道暂时关闭，道路交叉翻和上皱路段。袍们发现：通常，交通 流程瓶颈处是均匀的，而到了更上游处就出现振荡。这里用的是“i d m ”( 连续性微 观单擎道模型，以实际测量数据确定边界条件) 一i n t e l l i g e n t d r i v e r m o d e l 仿真。 m m 是一种确定性模型，与b a n d o 的率速最优模型是同一类的模型。但是， 它熙脊以下特有的优点： 1 避免仿真时出现的“事故情况，威为采用相对速度 2 有自组织特性，( k e r n e r & k o n l 埴u s e r 要求的) ，滞后效应和复合情况 3 + 所有模型参数，都有很好静实鼯意义，可以参考，可戳测量 或戆快速遴嚣数篷荡真 5 + 爨签籀应戆宏震模鳘，羲缳多徽躐瓣镤登帮苓其冬这一点 遴避这个模型，t r e i b e r 得出以下的缭采；笈合情凝( e x t e n d e dc o n g e s t i o n ) 分 5 种，如图2 5 所示： h c t ：h o m o g e n e o u sc o n g e s t e dt r a f f i c o c t ：o s c i l l a t i n gc o n g e s t e dt r a f f i c t s g ：t r i g g e r e ds t o p - a n d - g ow a v e s s p l c ：( s t a t i o n a r y ) p i n n e dl o c a l i z e dc l u s t e r o p l c ：o s c i l l a t o r yp i n n e dl o c a l i z e dc l u s t e r k n o s p e 等( 2 0 0 2 ) 用c a 模型仿真聪研究袭镶：溺步流的原因可能是出于司 枫憋袋帮派滚畅熬鸳驶静愿望造成的，穗裁怒说，这楚一静心理学层瑟的骧因i 冁。 n i - 9 2 y t o c t 义。 o1 0 0 嘲舳梆姗啪褂 蹦2 - 5 ：t r e i b e r 等( 2 0 0 0 ) 用微观的i d m 模型仿真j 嚣撮h ；舶分类。纵坐标是瓶颈强度( 流量) ，横坐标是 馘宙邋潞流鼙两者都是控制变釜，强孛星豕7h c t ，o c t 、t s g 、m l c 和p l c 几种扶态 f i g 2 - 5 + t h e c l a s s i f i c a t i o n f 砷酣姆t r m b e t 蛳( 2 0 0 0 ) u s i n g m k r o e o m d c l 嘲r a o d ds i m u l a t i o n t h e x - a x i s i sf o c m # v o i t m , y - a x l s 证i n t s l t yo f b o t t l e n e c k tb 0 4 h c o n t r o lw 破l l 峨f i l e 蹦s l u r o c s 姻：h c t , o c t , t s c ；, 辩l ca n dp t 辩 船蛳 蛳 期抛 啪啪 敬塞窑邋表黧嚣圭堂焦途塞銮堑速毽途嚣麟缤旋 2 3 ，2 糊擞n e r 静发褒及英量褶交遴流淫论 k e r n e f 谯e l n d i r i lm a c r o s c o p i cf e a t u r e so f s p a t i a l - t e m p o r a lt r a f f i cp a t t e r n sa t h i g h w a y b o t t l e n e c k s , p h y s i c 蠢r 辨e 2 0 0 2 f 1 娜孛综会1 9 9 5 - - 2 0 0 1 德国公路突浏数 据蔻发瑷：农疆立瓶颈楚可爱密瑗；渤( g e n i a lp a t t c v a ) ，s p ( s y n c h r o n i z e df l o w p a t t e r n ) 。g p ：有两步流，露时宽动堵塞( w i d em o v i n g j a m ) i 自发形成。s p ：仪肖麟 步流，没有窝动堵塞。此外e p ：e x p a n d e dp a t t e r n ：闭步流覆盖两个以上的瓶颈。 k e m e r 在( t h r e e - p h a s et r a f f i ct h e o r ya n dh i g h w a yc a p a c i t y , p h y s i c aa3 3 3 ( 2 0 0 4 ) 3 7 9 - 4 4 0 l l ”中正式提出三相交通流理论 自效继撵懑震要速分强阻塞秽弱辍塞。强瓣塞( s t r o n gc o n g e s t i o n ) 耱意愿熄， 弱爹滚滚爨囊缍持在一定窳平；瓣步流送段孚臻妖魔交逶震求获嚣秃荚；爨旗 堵塞的滚激流爨越大，同步流的流鬣饭隈也越丈。弛经过或察得出结论，骚黻塞 经常懑现在g p 中，两弱阻塞经常出域谯s p 中。强飙塞经常出现在驶入蹑邋处， 褥弱阻塞黩常豳现在驶出匝道处 凝爨k e m e t 夔理论，蠡垂滚瓣特薤楚攀赣密爱辩漉量一起上舞；移动瓣黧辩 是向上游移幼，丽保持其边界露定谯攀速陡变处。袋精，露步流的特征怒； ( 1 ) t - f 游边界都向上游移幼的是宽动堵塞，所有宽动堵塞在通过任意瓶颈 时，下游边界平均速率一致； ( 2 )同步流则是下游边界固定不幼，保持在瓶颈处，没有恒定的指数。 ( 3 ) 遮榉造残同步流翡特点她v - 笺杂逶过效瘟：密瘦一浚豢潮土懿教杰瑷象，密疫穗丈，车速霹魏变天 歉爵能交，j 、； 5 “p i n 曲”效应：自发自愿瓣，当流量达翻一定犬小后，密度会大增； ( 6 ) 移动堵塞会自发出现； 蛰遮浚稳关毪在蘧辩秘瓣骚内袋离； ( 8 拳往效应：下游丽多流上褥抵运糕颈，衾羧卡往”。 他将瓶颈的有效位置定义为： ( 1 ) f s 经常频繁出现的地方( 比其他地方明靛多) 2 f - - s 后，同步流在瓶颈上游出现后，其下游边界固定住了 注纛，瀵鼯也赛“不殇匀憝”，织遮苓一定是蕊颈，簸颈臻近交逶嚣求麸溅 定避大； 在驶入睡遁的f s 中