（交通运输规划与管理专业论文）高速公路交通事故影响传播研究.pdf

摘要 交通事故的发生使高速公路通行能力下降，产生交通拥挤，增加延误，甚至会造成 人员和财产损失。从交通事故管理的角度出发，对高速公路交通事故影响传播进行研究， 为事故发生后的交通组织、事故处理等提供理论依据，有效保障高速公路安全、舒适、 便捷地运行。 本文以此作为切入点，在对国内外交通流理论研究现状进行归纳和总结的基础上， 阐述了各种交通流模型的适用范围及优缺点，进一步引出研究高速公路交通事故影响传 播分析的必要性与紧迫性，通过分析与比较各种交通流模型，最终选用流体力学模型对 高速公路交通事故进行分析。首先对高速公路事故影响下的交通流参数进行分析，然后 在总结高速公路交通事故及干预作用下车流波模型的基础上，引入动态空间占有率的概 念，建立基于空间动态占有率的车流波波速模型、干预作用产生的干预波和交通事故影 响产生的集结波、启动波、消散波相互作用的车流波位置和对应时刻模型以及分流干预 措施解除时刻模型，为促进交通事故影响下车流拥挤或阻塞的消散，减少排队延误，提 供理论依据。 最后根据交通事故影响范围，将交通事故影响区划分为保护区、控制区、缓冲区， 并分别进行交通组织。保护区采用卸载措施进行交通组织、控制区采用截流措施进行交 通组织、缓冲区采用分流措施进行交通组织，三个影响区交通组织信息相互补充、相互 协调以达到控制交通事故影响的目的。 关键词：高速公路交通事故、交通流理论、流体力学模型、动态空间占有率、影晌范围 a b s t r a c t h i g h w a y t r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e st h e t r a v e l i n gc a p a c i t yd e c r e a s e d , r e s u l t i n g t r a f f i c c o n g e s t i o n , i n c r e a s e dd e l a ya n de v e nr e s u l ti nl o s so fl i f ea n dp r o p e r t y f r o mt h ev i e wo ft r a l j i c m a n a g e m e n t ，r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fs p r e a do nh i g h w a yt r a f f i cp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i st o t r a n s p o r t a t i o no r g a n i z a t i o n , a c c i d e n tp r o c e s s i n ga f t e rt h ea c c i d e n t , e f f e c t i v ep r o t e c t i o no ft h eh i g h w a y s a f e ，c o m f o r t a b l e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n t h i sa r t i c l et a k et h i sa sab r e a k t h r o u g hp o i n t ，o nt h eb a s i so fs u m m a r i z e dt h es t a t u so fh o m ea n d a b r o a di nt h es t u d yo ft r a f f i cf l o wt h e o r y , s u m m a r i z e st h ev a r i o u sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft r a f f i c f l o wm o d e la n dt h es c o p eo fa p p l i c a t i o n f u r t h e rr e s e a r c hl e dt ot h er e s e a r c hh i g h w a yt r a f f i ca c c i d e n tt o a f f e c tt h ed i s s e m i n a t i o na n a l y s i st h en e c e s s i t ya n dt h ep r e s s i n g t h r o u g he a c hk i n do ft r a f f i cf l o wm o d e l ， f i n a l l ys e l e c t i o no fah y d r o d y n a m i cm o d e lf o ra n a l y s i so fh i g h w a yt r a f f i ca c c i d e n t s s t u d yt h et r a f f i cf l o w p a r a m e t e r su n d e rt h eh i g h w a ya c c i d e n t ，e s p e c i a l l yu n d e rs u m m a r yh i g h w a yt r a f f i ca c c i d e n ta n di n i n t e r v e n t i o nf u n c t i o ns t r e a mo fv e h i c l e sw a v em o d ef o u n d a t i o n , i n t r o d u c t i o nc o n c e p to fd y n a m i cs p a c e p e r c e n t a g e e s t a b l i s h m e n tb a s e do ns p a t i a ld y n a m i cp e r c e n t a g eo fs t r e a mo fv e h i c l e sw a v ev e l o c i t ym o d e l ， i n t e r v e n t i o nw a v eu n d e rt h ei n t e r v e n t i o nf u n c t i o n ，a n dt h ec o n c e n t r a t i o n - w a v e ， s t a r t u p - w a v e a n d d i s s i p a t i o n - w a v er e s u l tf r o mt r a f f i ci n c i d e n t sa n dr e l i e v i n gd i f f l u e n ti n t e r v e n t i o nm e a s u r e st i m em o d e lo n t h eb a s eo fl i n e a rm o d e lo fs p e e di nr e l a t i o nt ot r a f f i cd e n s i t y i no r d e rt of a c i l i t a t et r a f f i cf l o wu n d e rt h e i n f l u e n c eo ft h ed i s s i p a t i o no fc o n g e s t i o no ro b s t r u c t i o n , t or e d u c et h eq u e u i n gd e l a y , a n dp r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ei n f l u e n c ea r e ao ft r a f f ea c c i d e n t ，t r a f f i ci m p a c tw i l lb ed i v i d e di n t ot h r e e p a r t ，i n c l u d i n gd a p r o t e c t ea r e , a s ，c o n t r o la r e a s ，b u f f e ra r e a a l s o ，e a c ha r e a sw i l lt a k et r a f f i co r g a n i z a t i o n s r e s p e c t i v e l y t h ed a p r o t e c ta r e au s e st h eu n l o a d i n gm e a s u r et oc a r r yo nt h et r a n s p o r t a t i o no r g a n i z a t i o n , t h e c o n t r o la r e at ou s et h ec n t - o f fm e a s u r et oc a r r yo nt h et r a n s p o r t a t i o no r g a n i z a t i o n , t h eb u f f e rt ou s et h e d i v e r g e n c em e a s u r et oc a r r yo nt h et r a n s p o r t a t i o no r g a n i z a t i o n , t h r e ei n f l u e n c ea r e at r a n s p o r t a t i o n o r g a n i z a t i o ni n f o r m a t i o ns u p p l e m e n t e dm u t u a l l y , t h ei n t e r c o o r d i n a t i o ns e r v e st h ep u r p o s ew h i c hc o n t r o l t h et r a f f i ca c c i d e n ta f f e c t s k e y w o r d s ：h i g h w a yt r a f f i ca c c i d e n t ；t r a f f i cf l o wt h e o r y ；h y d r o d y n a m i cm o d e l ； d y n a m i cs p a c ep e r c e n t a g e ；i n f l u e n c e a r e a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：萄黻 3 洮彳年月2 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 捌峻玲 导师签名：互建迢 如忙月2 日 2 岬年多月2 e l 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀l = 匕 1 1 研究背景 交通是现代经济社会正常运行的基础保证，对国家经济发展和人民生活水平有很大 的促进作用。沿高速公路设置公用电缆沟、辅设光缆、电力线以及其它管道、线路，不 仅为交通控制与管理服务，随着高速公路网的形成，还将成为一个国家或地区通信网的 主干线。因此高速公路不仅输送人员、物资等物流，还将输送电力等能源和各种信息流， 使高速公路成为多功能的道路【j j 。 国民经济的快速发展，带来交通需求的迅速增长，导致我国交通问题日趋严重，交 通流量的增长与现有的道路环境之间的矛盾日益恶化，主要表现在道路交通拥挤、交通 秩序混乱、交通事故急剧增加、交通引起的环境污染十分严重等，其中交通事故现象最 为严重。据统计，2 0 0 8 年全国共发生道路交通事故2 6 5 2 0 4 起，造成7 3 4 8 4 人死亡、3 0 4 9 1 9 人受伤，直接财产损失1 0 1 亿元弘j 。除此之外，交通事故给社会带来的负面影响更是无 法估计，交通事故在一定程度上成为制约我国国民经济发展的“瓶颈”。由于交通事故 涉及面广，事故隐患频发且具有突发性和极强的社会性等特点，因此对交通事故进行研 究是十分必要和迫切的。 交通的发展总是不断地解决交通需求与交通供给之间出现的问题，通俗的讲就是解 决车辆和道路之间的矛盾。针对高速公路，解决交通事故的方法有两种：第一种是在合 理规划高速公路网的前提下，加强交通基础设施建设，增加高速公路的通行能力：第二 种是对交通流进行科学化的组织与控制，最大程度地发挥现有路网的通行潜力，使交通 流能够实现有序地流动。比较这两种方法，前一种需要投入大量的人力、物力且周期长， 路网通行能力的增长远远不如交通需求增长的速度快，要想在有限的道路空间解决好车 辆增加与交通畅通的问题，仅靠修路或扩路已不可能。换句话说，用简单的方法解决交 通问题将渐渐失去效果，并步入恶性循环。而后一种方法投入少，并且在短时间内就能 取得效果。因此各国交通工程专家逐渐转变思路，从依靠修建更多的公路、扩大路网去 满足日益增长的交通需求转移到利用高新技术来改造现有交通系统及其管理体系，对交 通流加以诱导和利用，从而达到提高交通安全水平的目的。 交通流理论是交通工程学的基础学科，它是利用数学和物理学的知识来研究交通流 特性的一门学科。交通流理论用分析的方法解释交通现象及产生的机理，讨论在“人一 车一路这个交通系统中人流或车流、流速和密度之间的变化关系，寻求在交通规划、 第一章绪论 设计、管理中的平衡，提高交通系统的稳定性。 目前，我国交通流理论研究水平和研究队伍与国际先进水平相比还存在着一定的差 距，主要表现在：我国每年新修和改修公路总投资高达几百亿元，由交通拥挤或交通事 故引起的损失更是不可估计，但与之直接相关的科研投入严重不足；缺乏与物理学、数 学、力学、经济学、控制学、管理学、计算机科学等领域合作与交流，不具备开发交通 流模拟系统的能力；虽然交通运输工程是一级学科，但下设的二级学科发展不平衡，道 路、桥梁等领域的研究水平已进入国际行列，但交通工程的研究却落后不少；交通流理 论在设置有交通工程专业的高校或研究所开展的很少，研究内容也局限于基础性教材， 针对我国高速公路交通流特点的研究不够深入。 基于此，本文通过对高速公路交通事故影响传播现状、交通事故影响下的交通参数 以及引入动态空间占有率下的交通事故及干预作用下的车流波模型进行研究分析，估计 排队长度、持续时间等，从而确定交通事故对高速公路网络的影响范围，为交通控制及 事故处理提供理论依据。 本论文依托国家高技术研究发展计划专题课题路网环境下高速公路交通事故影响 传播分析与控制( 课题编号：2 0 0 7 a a l l z 2 4 8 ) 展开研究。 1 2 研究意义和目的 目前，交通流理论研究在我国己开始成为- f - 新兴学科，采用交通流理论来描述公 路交通的一些特性，能够间接地减少交通事故、提高路网可靠性及效率，从而促进我国 国民经济发展和人民群众生活水平的提高。 交通流理论研究的目标是根据交通现象和实测数据，建立能够反映实际交通一般特 性的交通流模型，以解释交通流的基本规律，在这个基础上，有效利用交通资源，改善 交通需求和供给的关系，以科学的交通流理论来保障交通规划、建设、运营与管理的有 序进行。 国外成熟的交通流模型基本上都包含一个依赖于实测数据的经验公式，并把它当作 整个交通状态参量( 流量、速度、密度等等) 控制方程组中一个必不可少的组成部分。由 于我国经济水平落后，交通设施水平低下，与国外存在很大差距，这要求我们把交通流 理论研究的重点放在建立适合我国现状的交通流模型。尤其是在大力发展智能交通运输 系统的今天，交通流基础理论研究工作具有十分重要的意义，不可或缺。 本文以提高我国高速公路交通系统可持续发展为目标，首先对高速公路交通事故影 响的特性、传播规律、内在机理等进行研究，然后通过对高速公路交通流理论的学习， 2 长安大学硕士学位论文 开展高速公路交通事故和干预作用下的交通流理论研究，为有效确定事故处理方案，尽 快消除拥挤或阻塞提供了理论依据。本文的研究目的是： 1 ) 揭示并阐述高速公路交通事故影响的特性、传播规律、内在机理等； 2 ) 总结国内外交通流理论的研究现状及发展趋势，丰富和拓展交通流理论； 3 ) 利用动态空间占有率的概念，对高速公路交通事故和干预作用下的交通流模型 进行改善，估计排队长度、持续时间等参数，为尽快消除拥挤或阻塞提供理论依据。 4 ) 将交通事故影响区划分为保护区、控制区、缓冲区，三个影响区交通组织信息 相互补充、相互协调以达到控制交通事故影响的目的。 1 3 研究内容及总体思路 1 3 1 研究内容 本论文为高速公路交通事故影响传播研究，重在探索高速公路交通事故影响下的交 通流特性，确定交通事故影响范围，为交通事故的处理提供理论依据，本文的主要研究 内容是： 1 ) 高速公路交通事故影响传播现状分析 采用文献法，对交通流理论及高速公路交通事故影响下的交通流进行了全面总结， 指出现有交通流模型存在的缺陷和不足，作为后续研究的理论基础： 2 ) 交通事故影响下的交通流参数分析 对交通事故影响下的交通流参数分析，重点讨论波速、占有率、事故路段通行能力 及事故拥挤持续时间，为模型的建立做好基础性研究： 3 ) 高速公路交通事故影响下的车流波模型分析 对车辆跟驰模型与流体力学模型这两大经典模型进行比较，最终选用流体力学模型 对高速公路交通事故影响下的交通流进行研究。利用动态空间占有率来代替交通密度， 对已有高速公路交通事故及干涉作用下的车流波模型进行重新推导，使模型更加的接近 实际情况； 4 ) 高速公路交通事故影响范围研究 计算高速公路交通事故影响范围，并将交通事故影响范围划分为三个区，即保护区、 控制区、缓冲区，分别对每个影响区进行交通组织，起到控制交通事故继续传播、防止 二次事故发生的作用。 第一章绪论 1 3 2 研究技术路线 1 ) 通过广泛的调研和文献资料收集及整理，明确研究目标、研究内容及拟解决的 关键问题： 2 ) 在深入学习相关领域知识和大量调查基础上，本着科学、实用、符合国情的原 则拟定关键问题的解决思路和方法： 3 ) 借鉴国外先进经验并联系我国高速公路交通流的实际情况，确定路网环境下高 速公路交通事故影响下的交通流模型。 4 ) 综合运用交通工程学、交通心理学、系统工程学、信息学等专业及相关理论进 行研究，分析高速公路交通事故影响下的交通流参数，完善高速公路交通事故及干预作 用下的车流波模型，最终得到路网环境下高速公路交通事故的影响范围。 基于以上考虑，论文的研究拟采用的技术路线如图1 1 所示： 应用交通工 程学、交通 心理学、统 计学等理论 图1 1 技术路线 4 波速、通 行能力、i 道路利用l 率、事故i 持续时间i 引入动态l 空间占有l ! 率来研究； l 保护区 l 缓冲区 i 控制区 萄粤 长安大学硕士学位论文 第二章高速公路交通事故影响传播现状分析 目前交通事故影响传播方面的研究主要集中在交通流方面。本章将通过分析国内外 对交通流以及交通事故和干预作用下的交通流研究现状，消化吸收各家研究成果并指出 交通流现状研究存在的不足之处。 2 1 基本知识介绍 2 1 1 交通流理论研究的主要内容 虽然对交通流理论的定义有很多种，但是归纳各种定义的本源，可以概括为：交通 流理论是研究交通流随时间和空间变化规律的模型和方法体系。因此交通流理论涉及的 范围非常广泛，其研究内容可以划分为十个部分： 1 ) 交通流特性( t r a f f i cs t r e a mc h a r a e t e r i s t i e s ) 研究表示交通流特性的三个参数流量、速度、密度的量测方法和分布特性及其 三者之间的关系模型。 ， 2 ) 人的因素( h u m a nf a c t e r s ) 研究驾驶人在人、车、路、环境所构成的交通系统中的反应及其对交通行为的影响。 3 ) 车辆跟驰模型( c a rf o l l o w i n gm o d e l s ) 研究车辆的跟驰行为、加速度干扰和交通的稳定性等数学模型。 4 ) 宏观交通流模型( m a c r o s c o p i cf l o w m o d e l s ) 在宏观上( 在网络尺度上) 研究流量、速度和密度的关系，重点研究路网不同位置( 相 对市中心而言) 的交通流特性。 5 ) 连续流模型( c o n t i n u o u sf l o wm o d e l s ) 利用流体力学理论研究交通流三个参数之间的定量关系，并根据流量守恒原理重点 研究交通波理论。 6 ) 交通影响模型( t r a f f i ci m p a c tm o d e l s ) 研究不同管制下交通的影响( 包括交通安全、燃料消耗和空气质量等) 。 7 ) 无信号交叉口理论( u n s i g n a l i z e di n t e r s e c - t i o nt h e o r y ) 主要利用数理统计和排队论研究无信号交叉口车流的可插车间隙和竞争车流之间 的相互作用。 8 ) 信号交叉1 2 1 交通流理论( t h et h e o r yo f t r a f f i cf l o wa ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s ) 研究信号交叉口对车流的阻滞理论，包括稳态理论、定数理论和过渡函数曲线等。 第二章高速公路交通事故影响传播现状分析 9 ) 交通分配( t r a m ca s s i g n m e n t ) 交通分配理论属于交通规划理论范畴，是传统和现代交通规划方法中重要的组成部 分。目前，实现交通分配的模型有两类，一类是静态交通分配模型，一类是动态交通分 配模型，他们均有各自的优缺点。动态交通分配模型从算法和实际应用上没有静态交通 分配模型成熟，但却是未来交通分配的发展方向，也是未来交通规划模型的研究方向p j 。 1 0 ) 交通模拟( t r a f f i cs i m u l a t i o n ) 交通模拟通常也被称作交通仿真，它不是用数学解析方法或物理实验方法，而是利 用模拟算法虚拟地表现真实系统的结构和行为，获得模拟过程的数量反应结果，以便描 绘或推断出与实际交通系统有关的运行特征或行为效果。近几年来基于微观交通行为理 论的动态交通模拟模型的研究非常活跃，已经有一些比较成熟的商业化的城市交通微观 模拟系统。例如：美国的c o r s i m 系统和t r a n s i m s 系统、英国的p a r a m i c s 系统、 德国的v i s s i m 系统、西班牙的a i m s u n 系统等1 4 j 。 以上内容是交通流理论的经典内容，近年来随着科学技术的发展，产生了一些新理 论、新成果，如实时动态交通流预测的有关理论和方法。因此交通流理论发展需要不断 地有人去总结和系统化，将新的内容不断地扩充到交通流理论体系当中去【) j 。 2 1 2 交通流理论研究的思想方法 真实交通流由于时间和空间两个变量及随机因素的影响，其变化规律是非常复杂 的。由于时间和空间可以无限分割，随机因素很难预测，事实上不同的时间和空间下的 交通流状态很难相同，也就是说，精确的交通流规律很难找到。因此，描述交通流真实 状态的模型应该具备如下特点：是微分方程；与时间和空间两个变量有关；非线 性；随机性；无穷维。这样的交通流模型实际上是无法建立的，由于条件的苛刻或 解的复杂性，即便是建立了也不会有实际意义。 在实际研究中，人们不得不根据实际需要建立抽象模型，即把真实交通流模型抽象 成有穷维、时不变、确定性、线性的实用模型。至于抽象的程度，主要取决于应用的目 的。比如，格林希尔茨在研究速度和密度的关系时认为二者是线性关系，因此，建立了 著名的格林希尔茨线性k u 模型。这一模型在一般密度值范围内是能够表达这两个变 量的关系的，是实用的。但当密度值较大或较小时，模型的效果就明显变差，而格林伯 的对数模型和安德伍德的指数模型恰恰解决了这一问题。交通流理论是实践性很强的理 论，建立交通流模型也是为了解释交通现象和解决交通问题，因此，在建立交通流模型 6 长安大学硕士学位论文 时不能脱离实际而追求形式上的完整和数学上的完善。在这一过程中，应该充分重视两 大环节：一是模型结构建立；二是模型参数标定。在第一个环节上重点研究建立什么样 的模型才能对所关心的交通流现象有一个很好的描述，此环节的关键是对系统的识别， 即对所研究对象的充分认识。这种认识越深刻，所建立的模型就越符合实际。在第二个 环节上重点研究如何确定模型中的参数使模型得以具体应用，参数的确定是一项非常具 体、细致的工作，其好坏决定了模型的应用效果。不论是模型结构的建立还是模型参数 的标定，简单和适用是第一原则。纵观交通工程领域所应用的交通流模型，绝大多数都 比较简单且能解决实际问题，即便是推导过程比较复杂的模型，其应用模型形式也应比 较简单，这样的形式有利于模型的推广。如在著名的交通控制系统：交通网络研究工具 ( t r a f f i cn e t w o r ks t u d yt o o l ，简称t r a n s y t ) 、悉尼协调自适应交通系统( s y d n e y c o o r d i n a t e da d a p t i v et r a f f i cs y s t e m ，简称s c a t s ) 和绿信比一周期长一绿灯起步时距优 化技术( s p l i - c y c l e o f s e to p t i m i z m io nt e c h n i q u e ，简称s c o o t l 6 1 ) 中所应用的交通模型 和参数优化模型都不很复杂，但适用，这些模型表现出了很强的生命力。相反，有些交 通流模型，结构比较复杂，应用条件苛刻，尽管其对某些交通流现象具有良好的解释性， 但由于其很难被人接受而失去其生命力或被应用的机会很少。 当然，推祟简单和适用并不等于拒绝复杂交通流模型，人工智能、控制理论等方法 和手段在交通监控中的应用已经证实了这一点。如用于城市交通流诱导的实时动态交通 分配模型，用于描述城市路网点、线、面交通流相互关系的模型等，很难用简单模型表 述。实际上，随着计算机科学的发展和应用以及交通工程技术人员素质的提高，复杂交 通流模型推广和应用的可能性越来越大。 2 2 国内外交通流理论研究现状 2 2 1 国外交通流理论研究现状 交通流理论是实践性很强的理论，研究交通流随时间和空间变化规律的模型和方法 体系。交通流模型的研究是为了解释交通现状和解决交通问题。因此各国根据本国交通 现状进行了不同方面的研究，取得了丰硕的研究成果。 从上世纪3 0 年代开始，交通流理论便经历了从自由流到非自由流两个研究阶段。 自由流理论研究即研究交通密度低、各车之间的车头间距较大、车辆处于自由行驶状态 下的交通流特征，这一阶段多采用概率论和数理统计的方法进行研究u j 。其中，车流的 统计分布是用概率论方法研究交通现象的基础，同时也直接应用在转弯车道长度的设 计、行人过街控制信号设计、通行能力及车速标准确定等方面。常用概率论方法研究的 7 第二章高速公路交通事故影响传播现状分析 车流分布有车流计数分布、间隔分布和车速分布三种；车流计数分布是在每个时间段 内到达某地车辆数的概率分布，通常也称到达分布。当车流密度不大，且不受其他干扰 因素影响时，计数分布符合泊松分布；当交通拥挤、车辆受其他干扰因素大时，计数分 布服从二项分布或广义泊松分布。间隔分布指到达车辆彼此车头时距的概率分布。计 数分布属泊松分布时，相应的间隔分布符合于负指数分布；计数分布属广义泊松分布时， 相应的间隔分布服从厄兰分布。车速分布是指车辆在道路上行驶时出现各种车速的概 率分布。车辆在平缓的道路上自由行驶时，车速分布符合正态分布；高速干道上的车速 分布服从对数正态分布p j 。 由于交通流中各种车辆的独立性越来越弱，从5 0 年代起交通流研究进入了非自由 流理论研究阶段，即主要研究对象转变为流量较大、密度较高、各车间距很小、车辆行 驶受其它车辆影响和限制的非自由交通流。7 0 年代，上述理论得到了进一步发展和完善， 1 9 7 5 年美国运输研究委员会g e r l u g h 和h u b e r 在1 9 6 4 年美国公路研究委员会第7 9 号专 题报告“交通流理论入门 的基础上修订、编写了交通流理论( t r a 伍cf l o w t h e o r y ) ) ) p j ，此阶段是交通流理论获得高速发展并产生了多个分支和学术上的多个代表 人物【j 。代表性人物主要有：沃德洛尔( w a r d r o p ) 、鲁契尔( r e u s c h e l ) 、派普斯( p i p e s ) 、 莱特希尔( l i g h t i l l ) 、惠特汉( w h i t h a m ) 、纽厄尔( n e w e l ) 、韦伯斯特( w e b s t e r ) 、伊迪 ( e d i e ) 、佛特( f o o t e ) 、张德勒( c h a n d l e r ) 、赫尔曼( h e r m a n ) 等。这一时期主要的理论成 果包括：车辆跟驰( c a rf o l l o w i n g ) 理论、基于流体力学的交通波理论( t r a f f i cw a v et h e o r y ) 和排队理论( q u e u i n gt h e o r y ) 等。 车辆跟驰理论利用动力学的方法，通过观察各个车辆逐一跟驰的方式来了解单车道 交通流的特性。车辆跟驰模型研究车辆的跟驰行为、加速度干扰和交通的稳定性等数学 模型，主要研究刺激一反应模型，包括线性跟驰模型( 假定后车的跟驰反应只依赖于它 与前车的速度差，而与两车间距及后车速度无关) 和非线性跟驰模型。跟驰理论具有制 约性、延迟性和传递性等特点，可用来检测管理技术和通讯技术，以预测短途车辆对市 区交通流的影响，在稠密交通时使尾撞事故降低到最低限度等。但此理论的假设条件是 车辆处于密度较高的非自由流状态下，因此，跟驰理论仅适用于单车道没有超车行为发 生的交通流情形。在连续行车的情况下，后车要与前车保持一定的安全距离而经常随着 前车车速的变化而改变速度，这种改变可简略地表达为： 后车车速变化= 驾驶人反应灵敏度x 前车车速变化 改变这个表达式，可得出多种车流速度和密度关系的表达式，因此只要有某一车流的速 长安大学硕士学位论文 度、流量的观测数据，就可以根据上述理论，建立表征该车流行驶状态的数学模型。跟 驰理论常用于分析高速公路上车辆尾撞事故、交通信号的自动控制等。在实际交通流中， 经常存在超车、改道的现象，故跟驰理论具有一定的应用局限性。再者跟驰理论只能研 究为数不多的交通行为，对车辆数目很大的交通环境，此理论将不再适用。 流体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状 态。在其状态方程中包括时间和空间变量，并考虑了可压缩性。1 9 5 5 年，l i g h t h i l l 和 w h i t h a m j 根据流体动力学，提出了第一个宏观交通流模型，这也是迄今仍然运用最广 的交通流模型。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。流 体力学模型通过对单向运动的交通流在某时刻某一位置的有关变量的描述来把握交通 的特性和本质。其特点在于仅仅需要求解描述交通集体行为的少数几个参数构成的偏微 分方程，与模拟时间及车辆数基本无关，因此，计算耗费相对较少。采用流体力学模型 处理由大量车辆组成的车流问题较之跟驰模型经济得多。 排队理论l l z l 是研究“服务系统因“需求”拥挤而产生等待排队的现象，以及合理 协调“需求与“服务 关系的一种数学理论，是运筹学的一个重要内容。1 9 3 6 年亚当 斯首先应用排队论研究无信号道路交叉口的行人延误问题。此后，在交通工程中，常用 在车辆延误、通行能力、信号灯配时以及停车场、加油站等设施设计与管理中：把信号 交叉口、停车场、加油站等交通设施都看作“服务系统”，把到达的车辆看作“服务对 象”。近来用排队论研究信号交叉口前的车辆排队现象及其所造成的车辆延误，并根据 交叉口上车辆延误时间量最小的目标来确定交通信号的配时方案，或根据整个地区各交 叉口上车辆延误时间总量最小的目标来实现区域交通控制的最优方案，这是排队论在交 通工程中应用的一个重要方面。 8 0 年代以来至今，交通流理论研究进展缓慢，本质上仍沿用5 0 年代的跟驰模型和 流体动力学模拟方法，虽在具体细节上有所改进，但总体上未见重大突破。这是因为参 研人员开始多为交通工程人员，他们的研究多针对于交通设施的硬件方面，缺乏必要的 理论基础。后来虽有一些应用数学、力学和控制理论工作者介入，但其研究出发点仍是 基于流体力学模拟的方法和思想，比较有代表性的有：将交通流看成不可压缩流体的 p a y n e 模型、p a p a g e o r g i o u 模型、元胞自动机模型及神经网络( n e u r a ln e t w o r k ) 模型。 p a y n e 模型l l j j 是从车辆跟驰模型出发，根据l i g h t h i l l - w h i t h a m 模型的思想，假 设交通流速度是动态变化的，在引用连续性方程的同时，引进运动方程，建立了第一吟 高阶的连续性模型，并于1 9 7 9 年编制了著名的f r e f l o 软件，有史以来第一次将交运 9 第二章高速公路交通事故影响传播现状分析 流仿真模型用于工程实践，但实践的结果不甚理想，是因为p a y n e 模型在用于实际仿真 时会遇到不稳定性，所得到的临界密度高的不现实，而且车流达到平衡速度的调节过程 过于缓慢。 p a p a g e o r g i o u 模型 1 4 】是在p a y n e 提出的动态速度一密度关系模型的基础上，把动 量方程加以改进得到的。模型在交通流比较均匀时可以很好地描述交通流状态，但当某 一路段下游发生阻塞时，模型就表现出一定的局限性。此外，在p a p a g e o r g i o u 模型中采 用的平衡速度一密度关系模型时，并没有考虑各种重型车辆对此关系得影响，比如卡车 的比例，而且如果卡车被限制于右车道时问题比较突出。这时有可能右车道已经阻塞， 但内部各个车道仍然畅通，这时不能把交通流视为均匀的。 元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ，简称c a ) 模型【i 刈是2 0 世纪9 0 年代发展起来的 交通流新动力学方法，是从物理系统的元胞自动机理论( 是一种时间和空间都离散的动 力系统) 中发展起来的研究交通流特性的微观模型。因此采用本质上离散的c a 模型来 描述实际的交通现象具有独特的优越性：1 ) 每个元胞只有有限个状态；2 ) 离散的时空和 状态参量都是整数，整数运算要优于浮点数计算；3 ) 绝大多数元胞模型使用并行更新规 则，其模拟效率要优于车辆跟驰模型，适用于在线仿真模拟。尽管有上述优点，然而建 立真正切合实际的元胞自动机模型通常是困难的，相比跟驰理论模型和流体力学模型， 其解析通常也是十分困难的。 动态交通流的神经网络模型【l 叫是在高速公路宏观动态交通流模型的基础上提出的 一种新模型。神经网络是一个非线性动力学系统，它由许多并行运算的处理单元所组成， 其特点在于信息的分布式存储和并行协同处理。虽然单个神经元的结构极其简单，功能 有限，但大量神经元构成的网络系统所能实现的行为却是极其丰富多彩的。和数字计算 机相比，神经网络系统具有集体运算的能力和自适应学习能力。此外，它还具有很强的 容错性，善于联想、综合和推广。神经网络最早应用于城市内交通量预测和交通控制上， 后来被用来描述动态交通流模型。 总之，在交通工程领域，现在的交通工程专家一般使用非常复杂的交通流模型，由 于建模时设置的相关因素过多，而有些因素很难定量确定，因此模型的效果不理想。 2 2 2 国内交通流理论研究现状 我国交通流理论研究起步较晚，主要的著作有交通流理论、堵塞流理论及其应 用1 1 7 】及城市动态交通流分配模型与算法【18 1 ：2 0 0 2 年，王殿海教授交通流理论 l o 长安大学硕士学位论文 一书，在总结了前人研究成果的基础上，整理了包括交通流特性、驾驶员的交通特性、 跟驰理论与加速度干扰、连续交通流模型、宏观交通流模型、交通影响模型、无信号灯 交叉口理论和信号交叉口理论等经典内容，对于近年来交通流理论发展的新内容和新方 法没有反映出来。2 0 0 5 年，宁宣熙教授著作堵塞流理论及其应用，介绍了堵塞流的 基本理论，研究了堵塞截面的多种算法，还探讨了求解网络最大堵塞流和最小堵塞流的 算法，并利用网络随机流动仿真模型进行了仿真验证。同年，高自友教授著作的城市 动态交通流分配模型与算法，系统地论述了城市动态交通流分配模型的建立及其求解 算法，不仅在理论研究上具有重要价值，同时可以为实际城市交通问题的解决提供有力 的理论支持。 此外，还有一些学者对交通流模型进行了研究，其中比较有代表性的为：姜锐一吴 清松模型、张红军模型、吴正模型、梁新荣模型、i o 模型。 姜锐一吴清松模型【j 刿是在跟驰理论的基础上提出的，其优点在于不存在大于宏观车 流速度的特征速度，从而满足交通流各向异性的要求。线性稳定性分析发现，新模型在 一定条件下能够保持稳定，并且给出了稳定条件判定标准。分析指出，这一模型的波由 一阶波和二阶波两种层次构成，既允许交通连续波存在，也充许交通激波存在，但是其 激波条件与其它相关模型有明显区别。正是这种区别，使得新模型在处理某些交通问题 ( 如车辆倒退现象) 上更加符合实际车流情况。 2 0 0 2 年，张红军从p i p e s 车辆跟驰理论出发，建立了另一种各向异性流体力学模型。 新的控制方程特征值均不大于车流速度，表明交通流动力学方程是各向异性的，不存在 车辆倒退的问题弘。 吴正在低速混合型城市交通的流体力学模型弘l j 一文中，针对我国低速混合型交 通提出了一种新的交通流力学模型，它比目前常用的交能流模型更具有一般性，尤其适 用于我国城市现阶段低速混合交通为主的实际状况，并讨论了模型的连续形式和离散形 式，定解条件的提法，模型参数的测定方法，以及数值解的稳定范围，显示出这种模型 具有良好的数值模拟功能。 梁新荣在高速公路动态交通流e l m a n ：o 经网络模型 2 2 1 文中，为了提高高速公 路交通流建模的精度，分析了离散的高速公路动态交通流数学模型，基于e l m a n 网络原 理，建立了回归神经网络交通流模型。回归神经网络的输入层、上下文层、隐含层和输 出层的节点数目分别选为8 、3 0 、3 0 和2 ，并采l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法对回归神经网 络进行验证，并对一条高速公路进行仿真。仿真结果表明e l m a n 回归神经网络能更好地 第二章高速公路交通事故影响传播现状分析 逼近交通流数学模型，真实地描述交通流基本特性，准确地建立动态交通流模型，适应 交通状况的变化。 彭春露在基于i o 模型对拥挤交通流状态变化的研究【2 3 】一文中，根据交通瓶颈 路段车辆排队状态的实际变化特征，对传统的累计到达一消散模型进行了修正，建立了 新累计一消散模型。新模型将排队车辆的跟车行驶时间与排队延误两个概念进行了正确 区分，为交通流诱导和控制策略的生成提供了理论依据。 综上所述，交通流理论在我国被应用于交通运输工程的许多研究领域，如交通规划、 交通控制、道路与交通工程设施设计及智能交通等，交通流理论成为研究这些领域的基 础之一。 2 3 高速公路交通事故和干预作用下交通流研究现状 2 3 1 高速公路交通流特性 1 ) 容易形成 相比较一般城市道路而言，高速公路具有全封闭、线型好、设计标准高、行驶速度 快、车流量大等特点。除在异常天气下，车辆在行驶过程中受到外界自然因素干扰少， 容易在某一路段较短时问内使相对行驶速度差相当或较小的车辆形成有一定密度稳态 交通流。 2 ) 速度快 速度是交通运输的一个重要因素。在城市道路交通系统中，一般小客车交通流的行 驶速度约在3 0 - - 5 0 k m h ，大型车交通流的行驶速度约在2 0 - - 4 0 k m h ，混合交通流的行 驶速度约在3 0 k m h ；高速公路形成的交通流行驶速度比城市道路形成的交通流行驶速 度快到近1 倍，一般小客车交通流的行驶速度约在1 0 0 - - 1 2 0 k m h ，大型车交通流的行 驶速度约在7 0 - 9 0 k m h ，混合交通流的行驶速度约在7 0 k m h 左右。见表2 1 ： 表2 1 不同道路环境下各车型交通流行驶速度比较( 单位：k m h ) 小客车交通流 大型车交通流混合交通流 城市道路系统3 0 5 02 0 4 03 0 高速公路系统1 0 0 - - 1 2 07 0 9 07 0 3 ) 线型好 城市道路系统受道路宽窄、路面结构和质量不同等限制，在形成交通流时其流线较 短，一般在l k m 左右：而高速公路的交通流流线通常在2 - - 3 k m ，最长的可以达到l o k m 以上。 1 2 长安大学硕士学位论文 4 ) 车型阻碍小 目前我国城市道路交通系统以混合流为主，包括有客车、出租车、公交车、货车、 农用车、摩托车、电瓶车、三轮车、自行车等：而高速公路交通流中车辆类型比较少， 主要以货车、客车为主。且高速公路行车道分快车道与慢车道，快车道上主要以客车为 主，慢车道上以货车为主，因此车辆阻碍较小【2 4 1 。 2 3 2 高速公路交通事故特征 高速公路由基本路段、匝道连接段、交织区及立体交叉、收费