（交通信息工程及控制专业论文）信号交叉口混合交通流干扰机理研究.pdf

中文摘要 中文摘要 混合交通是指机动车、自行车和行人混杂在一起的交通，它是我国大多数城 市平面信号交叉口典型的交通特征。机动车和非机动车在平面信号交叉口处相互 之间的冲突和干扰现象，严重影响了交叉口的通行效率，增加了交通安全隐患。 而混合交通是一个非线性、强随机性和时变性的复杂系统，要解决城市混合交通 问题，需要对城市道路平面交叉口处的混合交通流进行系统研究。本研究的目的 是针对平面信号交叉口混合交通中的机非干扰机制、微观建模方法和非线性特性 等关键问题进行深入研究，建立混合交通流的若干微观行为模型，为提高交叉口 的通行效率和交通管理提供理论依据。 首先，本文对信号交叉口机非混合交通流的干扰机理进行了深入细致的研究， 分析了信号交叉口内机非混合交通流的干扰机理及其特性，提出了干扰区和干扰 程度的概念，为机非干扰问题的定性和定量分析提供了理论依据。基于非线性跟 驰理论建立了右转机动车进入交叉口前的减速模型、在交叉口内的跟随行驶模型 和加速驶离模型。通过研究机动车在信号交叉口处的微观行为特性，建立了右转 机动车穿越自行车区的行为决策模型。 通过分析自行车在交叉口内的纵向前进和横向移动行为特征，建立了单辆自 行车在交叉口的减速、停车、加速、驶离和超车等模型，以及自行车群二维微观 行为仿真模型。 研究了交通流混沌现象产生机理及其动态变化规律，基于混沌时间序列分析 理论，提出了一种快速计算短时交通流时间序列最大l y a p u n o v 指数的小数据量方 法，并结合庞卡莱截面法对识别结果进行了验证。利用最小覆盖维方法分析了信 号交叉口短时交通流的局部分形特性，确定了最小覆盖维数与短时交通流量波动 的关系，提出了一种能估计短时交通流量发展和变化趋势的最小覆盖维方法。 者于m u l t i a g e n t 理论，提出了信号交叉口混合交通流微观仿真系统框架，通 过计笋机仿真再现了信号交叉口混合交通流的微观动态行为特性，实测数据和仿 真分村结果验证了所建模型是正确的。 关键 i j ：混合交通；信号交叉口；跟驰模型；短时交通流特性；非线性 分类 ：u 4 9 1 1 ；u 4 9 1 2 + 3 1 1 1 北京交通大学博士学位论文 a b s t r a c t m i x e d t r a f f i c ，c o m p o s e dw i t hm o t o rv e h i c l e s ，b i c y c l e sa n dp e r s o n s ，i sat y p i c a lc h a r a c t e r i s t i ci n c h i n ac i t y t h ei n t e r f e r e n c ea n dc o n f l i c t p h e n o m e n o n , b e t w e e nm o t o rv e h i c l e sa n db i c y c l e s ，r e d u c e t h ei r a f f i cc a p a c i t yo fi n t e r s e c t i o n ss e v e r e l ya n di n c r e a s e 矗占k d d 晶g 艄元鼢i 窖：m k e dw a f f i ci s ac o m p l i c a t e ds y s t e mw i t hs e r i o u sn o n l i n e a r , s t r o n gs t o c h a s t i ca n dt i m ev a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s t o s o l v et h ep r o b l e mo fu r b a nm i x e dt r a f f i c ，i ti sn e e d e dt os y s t e m i cs t u d yo nm i x e dt r d 伍cf l o w t h i s r e s e a r c hi sa h l l st os t u d yt h em i x e dt r a f f i cf l o wa n di n t e r f e r e n c ep r i n c i p l e sa ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s ， m i c r ob e h a v i o rm o d e l sa n dn o n l i n e a rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n do t h e rk e yp r o b l e m s s o m em i c r o b e h a v i o rm o d e l so f m i x e dt r a f f i cf l o wa r ed e v e l o p e d t h i sc a np r o v i d eb a s i st oi m p r o v i n gt h et r a f f i c e f f i c i e n c ya n dm a n a g e m e n to f s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s f i r s t ，t h ei n t e r f e r e n c ep r i n c i p l e so fm i x e dt 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 sh a v eb e e n s t u d i e da n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fi n t e r f e r e n c ep r i n c i p l e sa r ea l s oa n a l y z e d t h ec o n c e p t i o n so f i n t e r f e r e n c er e g i o na n di n t e r f e r e n c eg r a d ea r ep r o p o s e d , w h i c hw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o r q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fi n t e r f e r e n c eq u e s t i o n s b a s e do nn o n l i n e a rc a r - f o l l o w i n g t h e o r y , t h ed e c e l e r a t i o nm o d e lb e f o r ei n t e r s e c t i o n s ，c a r - f o l l o w i n gm o d e la ti n t e r s e c t i o n sa n dt h e a c c e l e r a t i o nm o d e ld e p a r t u r ef r o mi n t e r s e c t i o n so fr i g h t - t u r n i n gm o t o rv e h i c l e sa r ed e v e l o p e d t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h em i c r ob e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c so f m o t o rv e h i c l e sa ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s ， ab e h a v i o rj u d g m e n tm o d e la b o u tr i g h t - t u r n i n gm o t o rv e h i c l e st r a v e r s i n gs t r a i g h t - g o i n gb i c y c l e si s p r o p o s e da n dd e v e l o p e d t h es i n g l eb i c y c l es i m u l a t i o nm o d e l s ，i n c l u d i n gd e c e l e r a t i o na n dp a r k i n g ，a c c e l e r a t i o na n d d e p a r t u r ea sw e l la st r a v e r s i n g ，a r ee s t a b l i s h e db yr e s e a r c h i n gt h ec h a r a o e r i s t i c so ft r a n s v e r s ea n d l a t e r a lm o v e m e n ta ti n t e r s e c t i o n a n dat w o - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nm o d e li sa l s oe s t a b l i s b e dt o r e p r e s e n tb i c y c l eg r o u p sm i c r ob e h a v i o ra ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s t h eg e n e r a t i o np r i n c i p l e so ft r a f f i cf l o w sc h a o t i cp h e n o m e n aa n di t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c h a v eb e e ns t u d i e d al i t t l ed a t av o l u m em e t h o di sp r o p o s e dt o f a s tc a l c u l a t i n gs h o tp e r i o dt r a f f i c f l o wt i m es e r i e sm a x i m u ml y a p u n o ve x p o n e n tb a s e do nc h a o t i ct i m es e r i e s t h ei d e n t i f i c a t i o n o u t c o m ei sv e r i f i e db yp o i n c a r es e c t i o n t h ep a r tf r a c t a lc h a r a c t e r i s t i co fs h o r tp e n o dt r a f f i cf l o wi s a n a l y z e du s i n gm i n i m a lc o v e rd i m e n s i o n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i n i m a lc o v e rd i m e n s i o na n d s h o r tp e r i o dt r a f f i cf l o wf l u c t u a t i o ni sd e t e r m i n e d a n dam i n i m a lc o v e rd i m e n s i o nm e t h o dt h a tc a l l e s t i m a t es h o r tp e r i o dt r a f f i cf l o wv a r i e t yi sp r o p o s e d am i c r os i m u l a t i o ns y s t e mf r a m e w o r ko fm i x e dt l r f f i ca ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n si sd e v e l o p e d b a s e do nm u l t i a g e n tt h e o r y t h em i c r ob e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c so fm i x e dt r a f f i cf l o wa r er e - s h o w e d b yc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h e s em o d e l sa r ev a l i d a t e d p a n i e l yw i t hf i e l d d a t aa n ds i m u l a t i o n r e s u l t s k e y w o r d s ：m i x e dt r a f f i c ；s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ；c a r - f o r 泖a 毫参缸二毒| 8 锄c | - 咄童d s h o r t t e r mt r 世i eh o w n l i n e c l a s s n o ：u 4 9 1 1 ：u 4 9 1 2 + 3 v 图与附表清单 图与附表清单 图卜1 世界交通拥堵现象1 图1 - 2 北京交通拥堵现象2 图卜3 交叉口交通事故现象2 图1 - 4 论文结构安排9 图2 - 1 两相位信号交叉口机非干扰现象1 2 图2 屯三相位信号交叉口机非干扰现象1 3 图2 3 四相位信号交叉口机非干扰现象1 4 图2 - 4 右转机动车与直行自行车干扰区1 5 图2 - 5 右转机动车穿越直行自行车的时间间隙1 6 图2 - 6 右转机动车穿越直行自行车的时间延时1 7 图2 7a v iv i r t u a ld u b 数据提取画面1 9 图2 _ 8 展览路交叉口2 1 表2 - 1 展览路交叉口信号相位配时2 1 图2 - 9 阜成门外大街交叉口2 2 表2 屯阜成门外大街交叉口信号相位配时2 2 图2 1 0 交叉口标线设置示意图2 3 图2 1 1 交叉口摄像机布置示意图2 3 图2 1 2 视频数据析取流程图z 4 图2 1 3 右转机动车速度频数分布直方图：2 7 ， 表2 - 3 右转机动车速度分布z 拟合优度检验表2 8 图2 - 1 4 右转机动车车头时距频数直方图。2 8 表2 - 4 干扰程度与右转机动车速度关系表3 0 图2 - 1 5 干扰程度与平均通行时间3 0 图2 - 1 6 干扰程度与平均延误时间3 0 表2 - 5 可接受间隙和拒绝间隙3 1 图2 一1 7 机动车可接受间隙和拒绝间隙一3 1 图2 一1 8 基于信息流的驾驶行为分析3 2 i x 北京交通大学博士学位论文 图2 1 9 穿越判断行为3 2 表2 - 6 离散变量显著性检验统计结果3 4 表2 7 连续变量显著性检验统计结果3 4 表2 _ 8 模型检验结果3 5 图2 2 0 右转机动车穿越自行车群示意图3 6 图2 2 1 自行车3 0 s 到达数频率分布曲线3 8 图2 2 2 交叉口自行车到达速度频数直方图3 8 图2 2 3 礼士路交叉口自行车速度频数直方图3 9 图2 2 4 无干扰时自行车的速度3 9 图2 - 2 5 无干扰情况下单个自行车和自行车群的速度分布4 0 图2 2 6 有干扰时自行车的速度4 0 图2 - 2 7 干扰情况下单个自行车和自行车群的速度分布4 1 图2 - 2 8 自行车的接受间隙和拒绝间隙4 2 图2 - 2 9 自行车的接受延时和拒绝延时4 2 图2 - 3 0 自行车到达交叉口前的减速停车过程4 3 图2 3 l 自行车减速时的速度距离关系图4 4 图2 - 3 2 自行车减速度与时间关系图4 4 图2 3 3 自行车驶离交叉口的加速过程4 3 图2 - 3 4 自行车加速时的速度与距离关系图4 6 图2 3 5 加速度与距离关系图4 6 图2 - 3 6 交叉口自行车群消散过程4 7 表2 - 9 自行车群集结等待密度数据4 7 图2 3 7 自行车群中单个自行车的速度5 0 图2 3 8 自行车群的速度回归拟合曲线5 0 图2 3 9 阜成门外大街交叉口数据回归分析结果5 1 图2 4 0 展览路交叉口数据回归分析结果5 l 表2 1 0 自行车群密度一速度回归分析结果5 2 图3 一l 实测短时交通流时间序列5 8 图3 - 2f f t 变换5 8 图3 3 自相关函数曲线图5 9 图3 4 嵌入维数m 计算结果5 9 图3 5 最大l y a p u n o v 指数5 9 x 图与附表清单 图3 6 实测交通流时间序列混沌吸引子6 0 图3 7 庞卡莱截面图6 0 图3 _ 8 车头时距曲线图6 2 图3 - 9 前后车速度差曲线图6 3 图3 - 1 0 三维相图6 4 图3 1 1a o = 1 0 时的车头间距6 5 图3 - 1 2 = 1 0 时的速度差仿真图6 5 图3 - 1 3 - - - - 9 时的车头时距6 6 图3 - 1 4 口= 9 日寸速度差6 6 图3 - 1 5 l o g ( a ( 5 ) ) 一l o g 平面图7 0 图3 1 6 最下覆盖指数h i , ( f ) 曲线图。7 0 图3 1 7 波动特征指数与h 一( f ) 的关系图7 0 卜 图3 1 8 展览路交叉口加速度回归分析7 2 图3 - 1 9 阜成门交叉口加速度回归分析7 3 图3 - 2 0 右转机动车驶离交叉口加速度与速度7 5 图4 - 1 交叉口路段上自彳亍车超车过程7 7 表4 - 1s p s s 回归分析结果7 8 表4 2 模型检验结果7 8 图4 2 交叉口路段上自行车超车速度7 9 图 3 模型误差检验结果8 0 图4 - 4 自行车二维行为示意图8 1 图4 5 自行车纵向前进相互作用原理8 2 表5 1 微观交通仿真软件功能描述8 6 图5 - 1 信号交叉口机非混合交通微观仿真系统框架：8 8 图5 - 2 交叉口右转机动车与直行自行车干扰微观仿真区域图9 l 图5 - 3 交叉口机动车右转弯二维坐标更新示意图9 2 图5 4 交叉口机非混合交通仿真流程图9 3 图5 巧交通环境设置对话框9 4 图5 - 6 单个自行车干扰时的仿真界面9 4 图5 - 7 自行车群干扰时仿真界面9 5 图5 - 8 单辆自行车干扰时的机动车速度9 5 x 1 北京交通大学博士学位论文 图5 - 9 自行车群干扰时机动车速度9 6 表5 2 机动车仿真数据统计9 6 表5 3 自行车群通过干扰区所需时间比较表9 6 图5 一1 0 自行车密度和速度关系图9 7 图5 1 1 自行车密度和流量关系图9 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或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。同意学校向国 家有关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) 一豳蒋矗啤 签字日期：0 7 年甲月 日 导师签名： 期：夕年7 月，日 一 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 臀繇鼬弘魄帅日 致谢 首先感谢导师魏学业教授三年来的教导。学术上，魏老师渊博的知识、敏锐 的洞察力、严谨的治学态度以及求实认真的工作作风深深地影响了我；生活中， 魏老师开明的思想、平易近人的作风教会我许多做人的道理。魏学业在交通工程 领域和非线性理论领域的多年研究成果和经验，给我提供了选题的基础，本论文 是在他的悉心指导和严格要求下进行的。 深深感谢系统工程与控制研究所的钱大琳副教授、系统科学所的张秀媛副教 授和魏丽英老师，她们给我提供了无私的帮助和支持。她们敏锐的洞察力和严谨 的工作作风使我终身难忘，并将使我在今后的工作和生活中受益无穷a 十分感谢室友张屹博士、师兄温伟刚博士和谢涛博士，在本文的写作过程中 给我提供了大量的帮助和指导。感谢研究生黄迪和赵春龙同学，与他们在一起的 学习和讨论使我受益匪浅。 感谢实验室十多位师兄师弟们三年多来对我的无私帮助，与他们的交流让我 看到了自己的长处和不足。实验室里融洽的氛围，让我暂时忘却了学习的清苦和 艰辛。 最后，我要感谢我的父母、姐姐和弟弟在我二十余年求学生涯里对我的支持 和关怀，感谢王鼎媛及其家人这么多年对我的支持和帮助。在他们的关心和鼓励 下，我一步一个脚印地走过了漫长的求学历程。正是他们的全力支持，我今天才 得以站在这最高学位的授予台上。感谢所有关心我的同学和朋友们! 衷心感谢母校为我创造的良好的求学环境。再见! 美丽的红果园。 i i 蒋海峰 2 0 0 7 年7 月2 6 日 绪论 1 绪论 1 1 选题背景 交通拥堵现象是世界各大城市的常见“城市病”之一，尤其在平面信号交叉 路口处，交通拥堵现象十分严重，如图1 - 1 所示。交通拥堵现象就如同城市的“动 脉硬化”，严重影响了交叉口的通行能力，增加了安全隐患，给交通通行带来了严 重的问题。各国对此问题十分重视，采取了各种各样的措施来缓解城市交通拥堵 现象。如：美国联邦政府采取特殊牌照、停车收费等各种措施鼓励人们乘坐公交 车辆和地铁等公共交通工具。英国伦敦市为了限制机动车出行数量，减少堵车和 空气污染，从2 0 0 0 年开始提高停车费用，原有公共场所的免费停车场一律改为收 费停车场，伦敦市中心实行特定时间进入特定区域的道路使用收费政策，使得高 峰时段进入城市中心区域的交通量明显降低，减少了车辆的非必要出行。 图1 - 1 世界交通拥堵现象 f i g u r e1 - 1t r a f f i cj a mi nt h ew o r l d 由机动车、非机动车和行人组成的混合交通方式是我国大中城市典型的交通 特征，造成的交通拥堵现象更为严重。如图1 2 和图1 3 所示，平面信号交叉路口 是机动车、自行车和行人汇集、转向的集中地，旧相位不同方向行驶的机动车、 自行车和行人之间产生了大量的干扰，使平面信号交叉口成为交通拥堵和交通事 故的多发地。据统计，北京、上海市中心区交通高峰期间的车辆平均时速不到 2 0 k i n h ，仅2 0 0 3 年一年，交通拥堵给我国带来自经济损失就高达2 0 0 0 亿元人民 北京交通大学博士学位论文 币。另外，交通拥堵还衍生出环境污染、交通能源过渡消耗等各种问题。相关研 究表明当汽车时速从4 0 k m h 降至l o k m h 时，燃料消耗量增加1 倍，环境负荷增 加至2 4 倍。高自友教授认为：“大城市交通拥堵已经捆绑住了中国经济发 展的步伐”，北京市一年堵车大概造成6 0 亿元的直接经济损失，目前全国每年交 通堵塞和交通事故造成的经济损失约为国内生产总值的2 ，我国的交通拥堵问题 已经到了非解决不可的地步了。 图1 - 2 北京交通拥堵现象 f i g u r e1 - 2t r a f f i cj a mi nb e i j i n g 图1 - 3 交叉口交通事故现象 f i g u r e1 - 3t r a f f i ca c c i d e n ta ti n t e r s e c t i o n 上世纪8 0 年代后期，我国部分城市从国外引进了交通控制系统，而由于我国 是机动车、非机动车和行人混合行驶，机非干扰和冲突现象比较常见，而国外城 市交通主要是以单纯的机动车为主，所以在国外行之有效的交通控制系统一来到 中国就出现了“水土不服”的现象。如上海、宁波和杭州等城市使用的是美国的 2 s c a t s 交通系统，北京、成都和大连等使用的是英国的s c o o t 交通系统，这些交通 控制系统没有达到预期效果的主要原因是缺乏对我国城市多种交通主体和行为本 质的研究“1 。解决混合交通应系统地分析信号交叉口混合交通流的微观行为特性， 深入研究混合交通流中的机非干扰机理及其本质特性，进而明确信号交叉口交通 拥堵现象和“瓶颈地带”的形成原因。 在我国，以自行车为主的非机动车占交通总量的2 5 5 5 啷，上海市1 9 8 8 年统计有2 3 5 的交通事故发生在道路平面交叉口的机动车与自行车之间0 1 。相关 资料研究表明：在非机动车等外界因素的干扰下，机动车的平均车头时距增加 1 6 2 5 ，交叉口机动车通行能力降低1 4 2 0 左右”。 在未来一段时期间内，主要由机动车和自行车组成的混合交通仍将是我国城 市交通的显著特点。因此如何提高平面信号交叉口的通行能力，改善路口行车秩 序，减少机非干扰，是当前交通工程领域研究的难点和热点问题，但是目前还没 有形成一套比较全面、完善的理论能够解决关于城市交叉口混合交通所产生的问 题。在这样的背景下，本文以国家自然基金项目( 7 0 5 4 0 0 0 4 ) ：“平交路口混合交 通中的机非干扰机理及其基本参数的研究”为依托、针对我国城市实际交通特征， 以北京等大城市为研究背景，运用定性和定量综合分析方法，开展了对平面信号 交叉口混合交通中的机非干扰机理、非线性特性及混合交通流的微观行为特性深 入细致的研究工作。 1 2 课题研究的意义 机非混合交通特征导致平面交叉口成为城市道路交通的瓶颈地带，使得交通 拥堵和交通事故在交叉口内时常发生，加剧了环境污染，引发的直接和间接经济 损失巨大。而现有的交通流理论、方法，先进的技术、设备，实际中采取的交通 管理措施和组织方式，都是以机动车交通流为主，不适应中国特有的混合交通环 境。目前国内外对自行车交通流的研究才刚刚起步，所以开展对信号交叉口自行 车交通流行为特性的研究对解决我国混合交通产生的问题有着深远的影响和意 义。 本文拟结合现有交通流理论和非线性动力学中的混沌分形理论，深入研究我 国城市道路平硒信号交叉口混合交通中的机非干扰机理、非线性 性及其微观行 为特性，提出。套适合我国实际情况的混合交通流分析方法，对“d 合交通流中的 个体的各种微观行为特性进行模拟分析。通过此项目的研究，在理论上丰富和完 善国内外在该。埂域的研究成果，丰富自行车交通流理论体系，促进混合交通流理 北京交通大学博士学位论文 论的完善和发展。在实际中为信号交叉口的交通规划、管理和信号配时设计提供 基本参数和理论依据，指导开发符合我国国情的信号交叉口混合交通控制系统， 建立科学、规范的城市道路交通管理办法，提高城市道路的交通通行能力。 1 3 混合交通流国内外研究发展动向 1 3 1 国内研究发展动向 目前，国内外对机动车交通流的研究比较成熟，对行人、自行车交通流的研 究也已经开展，并取得了一些研究成果。m 。“”1 ，但对于平面信号交叉口混合交 通流中的机非干扰问题的研究比较少，相对而言国内的这方面的研究成果反而多 一些。如：1 9 9 3 年同济大学的杨佩昆，彭锐等全面研究了路段上自行车交通流的 基本特性脚“，开创了国内自行车交通流理论研究的先河。清华大学交通研究所 的史其信，陆化普等研究了交叉口传统设计方法的缺陷，并基于跟驰模型建立了 一个城市信号交叉口微观仿真系统，通过对北京和日本东京的对比，定性分析了 北京等大城市产生交通拥挤的机理“4 “”。2 0 0 3 年，北京交通大学的吴建平等对信 号交叉口处的自行车穿越机动车的微观行为模型进行了深入研究“4 “1 。吉林大学 的王殿海、曲昭伟等利用统计分析方法研究了城市信号交叉口自行车与行人的到 达与释放规律，并建立了城市信号交叉口自行车及行人的到达分布模型，对信号 交叉口自行车流的释放饱和流率、释放速度和行人步速进行了标定“。景春光、 王殿海等基于典型的信号交叉口定性分析了混合交通对交叉口通行能力的影响， 提出了设置自行车左转相位和自行车、行人相位提前截止等解决方案，建立了左 转自行车相位设置流量临界值的概念和自行车、行人提前截止时间的计算模型“”。 东南大学的徐良杰，王炜等对信号交叉1 3 非机动车和行人交通控制方法进行了深 入的研究“”。北京工业大学的任福田，刘小明，关宏志和荣建等人对信号交叉口 混合交通流微观行为模型和各种交通管理对策进行了较为全面和深入的研究 1 口 2 0 2 1 乜2 】 o 以上这些研究成果为解决信号交叉口混合交通流问题奠定了一定的基础。归 纳来看，目前国内对平面信号交叉口混合交通流的研究多集中在宏观模型方面， 研究方法主要有三种： 根据实测调查的数据，对信号交叉口机非干扰进行了定性分析“”。“，这 些成果使人们对混合交通中的机非干扰特性有了初步的定性认识，但缺少定量描 述和分析。 4 运用交通流理论，建立数学解析模型，求出机非干扰系数州汹“州。1 ，这 些成果主要从宏观上描述机非干扰程度，并没有探讨干扰产生的机理，而且建立 的模型没有考虑混合交通流的组成结构、路口几何特征等影响因素。 运用模拟方法，利用交叉口的道路面积或者是绿灯时间作为可变项，从宏 观层面上模拟混合交通流的干扰叫；也有提出通过微观行为模型，建立模拟系 统来研究机非干扰问题的，但仅仅是提出了设想，很少有通过实测数据进行定量 分析和验证的”“。 1 3 2 国外研究发展动向 国外发达国家城市交通主要以机动车为主，对自行车和信号交叉口混合交通 流的研究成果较少，关于机非混合交通问题和干扰现象的研究成果更是比较缺乏。 文献 3 2 采用计算机模拟分析了混合车流速度与自行车比例之间的关系”，其模 拟模型是基于机动车行为模型而建立的，缺乏对混合交通流相互干扰因素的分析。 有对机非干扰基本参数进行研究的。”m “，其研究成果所处的交通环境相对国内 而言比较单一，自行车流量比较小，考虑的干扰问题也相对比较简单，不适合我 国自行车流量较大的实际交通现状”o 汹1 。 j a m e s a b o n n e s o n 研究了平面信号交叉口右转弯机动车延误时间的大小，分析 了影响机动车右转弯的各种因素，建立了机动车右转弯延误时间的预测模型，但 文中并没有考虑到自行车的影响”。 值得提出的是w i n a ir a k s u n t o m 博士在其博士论文中基于两种类型的信号交 叉口建立了混合交通流微观仿真模型和自行车在交叉口处的微观行为描述模型， 建立了交叉口路段上的自行车换道超车模型，研究了右转机动车穿越自行车的概 率模型，但是该模型只考虑了穿越间隙一个影响因素，忽略了对被穿越对象( 自 行车) 微观行为特性的研究，并对有隔离和无隔离设施的自行车道的超车特性 进行了较为详细的比较。( 这埋改为句号) 1 9 9 8 年a l l e n ，p h d 研究了自行车交通流对信号交叉口机动车通行能力的影 响。1 9 9 9 年f a g h r i 和e g y h a z i o v a 试图参考机动车的跟驰模型来模拟自行车的跟随 行为特性，开发了一套混合交通流仿真模型，用于模拟机动车和自行车在城市路 网中的行为特征啪3 。由于自行j ：与机动车在尺寸和驾驶方式上有很大的差异，所 以机动车跟驰模型不适用于自行车。 b o t m a 研究了不同宽度车近上的自行车超车特性，在宽度为2 4 m 和1 8 m 的 自行车车道的超车过程所需平均距离分别是5 7 m 和2 4 m ，超车过程的平均时间分 别为1 1 s 和4 5 s 。7 “；v i r k l e r7 e 美国、澳大力亚通过大量实测数据得出自行车平 5 北京交通大学博士学位论文 均超车时间是3 3 s 的结论。2 0 0 1 年，k h a n 和r a k s u n t o m 基于美国丹拂尔市的 一条l o ( 3 3 3 m ) 宽的自行车专用道路，研究了自行车的超车特性，并指出： 在超车过程中两辆自行车的车速不是稳定的，但两辆自行车的速度差是基本上保 持不变的，同时统计并给出了超车过程中的所需超车距离、超车时间、超车过程 中的速度以及超车时的横向间距大小等基本参数1 。 以上国内外的相关研究成果在一定程度上推动了混合交通流理论的发展，但 是对于建立混合交通流理论体系，指导建立对混合交通流的规范化管理模式，还 远远不够，仍需要开展大量地、更深入、更微观地研究工作。研究的难点和重点 是混合交通流涉及到机动车、非机动车和行人三个具有不同行为特性的交通个体， 干扰类型比较复杂，干扰现象严重，混合交通流行驶速度相对缓慢，行驶轨迹多 变，是一个随机性很强、非常复杂的系统。因此，为了简化和分析问题的方便， 机非混合交通中的主要研究对象只包括机动车和自行车，暂不考虑行人和其他类 型的非机动车。 1 4 交通流混沌与分形特性研究现状 混沌是指确定的、宏观的非线性系统在一定条件下所呈现的不确定的或不可 预测的随机现象。其不可确定性、无序性、随机性不是来源于外部干扰，而是来 源于内部的“非线性交叉耦合的作用机制”。这种“作用”的数学表达式是动力 学方程中的非线性项，正是这种“交叉作用”使非线性系统在一定的临界性条件 下才表现出混沌现象，才导致其对初值的敏感性，才导致内在的不稳定性等。到 目前为止，还没有一个统一的、有足够数学定理支持的、普遍适用和完美的混沌 定义。目前诸多混沌的定义中，d e v a n e y 给出的定义应用最为普遍( 以下混沌的定 义从文献 4 1 中直接引用) 。 定义1 ：设v 是一度量空间。陕黏蠡珞；渖如果满跫下列三个条件，便称，在 眵上是混沌的n m m 。 对初值敏感依赖 存在d o ，对任意的 o 和任意的x e v ，在x 的s 临域内存在y 和自然数n ， 使得d 【厂“( z ) ，厂”( y ) 】 占； 拓扑传递性 对矿上的任对开集x 和y ，存在k 0 ，使得f 。( x ) ny ；o ( 如一映射具有 稠轨道，则它显然是拓扑传递的) ； 厂的周期点集在v 中稠密。 6 绪论 除以上抽象的定义之外，动态系统中的混沌现象还具有许多明显的特征，如： 动态系统吸引子中嵌入稠密的不稳定周期轨道、动态系统吸引子具有“分数维”、 具有正的l y a p u n o v 指数、具有类似噪声的功率谱、具有有限的k o l m o g o r o v 熵、 具有s m a l e 马蹄映射等。目前，从混沌定义及其主要特征出发，判断动态系统中 是否出现混沌，主要有以下几种方法1 。 最大e y a p u n o v 指数：动态系统的“相轨迹”在“相空间”中不断的“分开”、 “折叠”，l y a p u n o v 指数描述了动态系统在“相空间”中某个特定方向上“分 开”或“折叠”的平均指数速率。处于稳定的周期态的系统，不存在“正” 的l y a p u n o v 指数；处于混沌态的系统其最大l y a p u n o v 指数为“正数”。然而 具有“正”的最大l y a p u n o v 指数只是动态系统处于混沌态的必要条件。 吸引子的分形维数：混沌态系统的吸引子通常称为“奇异吸引子”，具有无穷 层次的自相似结构。m a n d e l b r o t 创立了分形几何，用于研究自相似结构的几何 特性。分形维数的定义主要有：h a u s d o f f 维数、关联维数、盒维数等。 p o i n c a r e ( 庞加莱) 截面法：庞加莱截面法的具体判别准则是：当庞加莱截面 上只有一个不动点或少数离散点时，运动是周期运动；当庞加莱截面上是一 闭曲线时，运动是准周期运动；当庞加莱截面上是一些成片的密集点时，运 动便是混沌的；如果庞加莱截面上的点是一些比较离散且分布比较杂乱无章 时，运动可以认为是类似布朗的随机运动。 f o u r i e r 功率谱：处于周期态的系统，其某一状态分量的f o u r i e r 功率谱为相应的 基本频率及其整数倍谐波脉冲；处于准周期态的系统，其某一状态分量的 f o u r i e r 功率谱为一系列的“不可约”频率脉冲；处于混沌态的系统，其某一 状态分量的f o u r i e r 功率谱为连续的类似噪声的宽带频谱。然而，当系统存在 噪声干扰或系统阶数较高时，系统的状态分量也可能具有连续的类似噪声的 宽带频谱。因此，具有连续的类似噪声的宽带频谱只是系统处于混沌态的必 要条件。 分形是刻画混沌运动的直观几何语言，是更接近现实世界的数学。分形理论 的初创形式是分形几何学，它开创了2 0 世纪数学的新阶段，其研究对象忌棼线修 系统中产生的不光滑和不可微的几何形体。现在分形理论已经融入了许多非线性 科学的内容，发展成为非线性科学中一个最活跃的数学分支。 从数学的观点看，分形有很多定义，分形是h a n s d o r f f 维数严格大于拓扑维数 的集合，是具有伸缩对称性或膨胀对称性的几何对象。分形概念的中心内容是研 究动力学演化过程中在一定的标度尺度范围内相应的测度不随尺度的改变而变化 的不规则几何形体。分形没有特征尺度，它含有一切尺度的要素，在每一种尺度 上都有同样复杂的细节。 北京交通大学博士学位论文 交通流理论与混沌和分形理论的交叉研究是最近几年才开始的。d e n d r i n o s 在 1 9 9 4 年对交叉路口的实测机动车流量数据进行了混沌判别“”。l o w 在1 9 9 7 年通过 采样车头间距考察了车队首辆车的变化导致后继车辆的混沌运动特征m 3 。a t t o o r s a n j un a i r 通过电感线圈实测s a na n t o n i o 城市的交通流数据分析了交通流时间序 列的混沌特性，并利用相空问重构提出了一种非线性时间序列预测模型h 4 1 。s a n j o y d a s 和b e t t y a b o w l e s 利用模糊数学模型模拟了高速公路交通流的混沌特征“”，另 外交通流中存在混沌现象这一事实在文献 8 6 】中亦得到了验证。 研究短时交通流的混沌特性可分为两个方面，一方面是基于交通流理论模型 的混沌研究，另一方面是基于实测交通流时间序列的混沌研究”1 。c a l f o m i a 大学 的t e dw f r i s o n 和h e n r yd i a b a r b a n e l 利用全局嵌入维数和最大l y a p u n o v 指数 对混沌的不稳定特征进行了识别，并将该方法用于生物信号、海洋波动和交通流 的混沌特性研究。文献 4 7 1 币u 用l y a p u n o v 指数的矩阵算法对由皮埃莱交通模型 产生的交通流时间序列进行了混沌特性