3基于三参数交通流的高速超车模型拓展研究.docx

广东大学生科技创新重点项目作品申报书（自然科学类学术论文类）申报者基本情况姓名学校学历系别、专业、年级联系电话电子邮箱项目名称基于三参数交通流的高速超车模型拓展研究合作者情况姓名性别所在单位专业学历指导教师姓名职称所在单位联系方式项目所属领域 （ C ）A机械与控制（包括工程与技术科学基础学科、测绘科学技术、 矿山工程技术、冶金工程技术、机械工程、动力与电气工程、 土木建筑工程、水利工程、交通运输工程、航空、航天科学技 术等） B信息技术（包括信息科学与系统科学、电子、通信与自动控制技术、 计算机科学技术等） C数理（包括数学、力学、物理学、天文学、地球科学等） D生命科学（包括生物学、农学、林学、畜牧、兽医科学、水产学、 基础医学、临床医学、预防医学与卫生学、军事医学与特种医学、 药学、医学、中医学与中药学等） E能源化工（包括化学、材料科学、能源科学与技术、化学工程、 纺织科学技术、食品科学技术、环境科学技术、安全科学技术等） 项目研究的目的和基本思路研究目的 随着汽车产业的快速发展，我国汽车数量日益增加，汽车的诞生与相关技术的高速发展，大力改善了我们的生活水平。但在方便我们日常出行的同时，也给个人，社会带来一些负面的影响，甚至影响到我们的人生安全。据统计，2012年,全国共查处超速行驶9000多万起,因超速行驶肇事导致7000多人死亡。其中，不当超车是导致交通事故发生的主要原因之一。同时，在城市主干道及高速公路处，各车道的不同限速值也对行驶车辆提出了更高的要求提高汽车安全性能、减少道路交通事故现已成为社会普遍关注和交通科学研究所面临的重要课题之一1。为此，我们对14年美国数学建模课题的进一步研究讨论，在原有的研究基础上我们主要以中国的高速车流状态为研究对象，深入分析国内高速的通行状况。首先，我们将将车辆超车过程分为解三个阶段（超车前，超车时，超车后），通过研究这三种状态下车辆的安全状态（文中引入安全系数量化安全状态）与最大车流量间的关系。通过该关系，我们可以针对具体的高速道路情况，给出相应的限速方案，确保在安全的情况下，最大化车流量。建立该超车模型，不仅能丰富微观交通流理论和超车模型相关理论,更能为我国的高速公路管理、交通安全分析提供技术支持与宝贵的参考意见。基本思路假定以中国的行车习惯为行车规则，当汽车靠右行驶时，如果采取超车行为，必须先移到左侧车道超车然后再返回。我们对该规则下的高速交通流进行探讨分析。首先，我们通过分三个阶段分析该规则下的超车情况，然后建立车流量车流密度车流速度三参数交通流模型，对不同车流密度（即交通负荷）下的车速进行分段讨论，再采用三条样插值方法，绘制出车速车流密度关系图像.并通过分析车速车流密度间的关系，确定出最大交通车流量的取值大致范围。其次，我们对该模型进行代值估算，估算过程中，由于车辆的超车情况是随机的，无法确定其局部的超车率，故我们采取计算机模拟的方法，确定慢车道中有超车意愿的数量，从而确定超车率。然后考虑到快车道超车数量的多少取决于原来处于慢车道的车辆数，故，我们将模型抽象简化为高速路处于有一辆车离开慢车道就有一辆车从快车道并入慢车道的情况，从而通过求解慢车道的最大车流量，就可以求出在该状态下快车道的车辆数，继而确定该高速路段在安全范围内的最大车流量。第三，我们采取量化的方式对超车过程中的安全性问题进行分析，通过定义未超车时的安全系数和超车时的安全系数两个变量，来衡量车辆在超车三个阶段中的安全变化，并采用计算机模拟超车率（即有超车意愿的车辆比例），利用EXCEL软件绘画在不同车流密度的情况下的安全系数值与车流量的关系图，最后通过分析图像得到交通系统在不同车流密度下的车流量与安全性间的关系。 第四，采用对比有规则与无规则的超车状况。我们对无规则超车的情况进行分析，并与车辆右行的规则的车流量进行对比，从而确定右行规则是否在所有车流密度下的对提升车流量是有效的，如果是有效的，说明右行规则是适合于中国的行车规则，如果无效，讨论其在何种程度上的车流密度不影响车流量，或者是通过修改行车规则，确定最合适的行车规则提高道路的通行能力。 最后，对模型的适用性与敏感性进行分析，同样，我们以右行规则作为对象，分析该规则在智能系统控制下畅行速度的改变量与车流密度改变量对车流量的影响，并把结果与人为判断下的结果进行对比，从而评价模型普适性，并对模型进行修正与扩展。项目的前沿性、学术性及独特之处 该项目针对国内目前的高速公路状况，在已有文献及原有研究的基础上，采取了调查分析建模模拟检验应用的研究方法。通过对我国高速公路交通流的深入分析，从而取得以下成果：(1) 通过简化实际问题，以我国双车道高速公路的超车特性为例，详细地描述了整个超车过程，将超车过程划分为超车前判断，超车过程，超车后稳定行驶这三个主要步骤，建立了交通流的高速超车模型。并给出了模型的总体仿真框架，各个步骤的仿真流程以及相关的分析和计算。(2) 通过对原有的交通流三参数的研究及结合实际中的具体数据，对原有模型进行改进，并采用“三样条插值”优化方法，将不同状态下的车流量，车流密度与车流速度进行拟合，优化了模型的同时，也使实际应用中的计算过程更加简单，增强了模型的普适性。(3) 引入超车前与超车过程中安全系数的概念是本项目的独到之处。国内外的研究中，大多数的文献极少对超车过程的安全性进行量化分析，大多情况下考虑到的是在安全情况下进行超车的问题研究，而对成功超车但存在风险的超车情况没有进行深入的探讨与研究。本项目量化该概念使其数字化。从而，通过该系数，可以定量研究不同的车速，车流密度，车流量与超车是否安全间的具体关系，并以此为依据，可通过限制快慢车道的行车速度区间减少高速超车的事故率。(4) 本项目在对模型的拓展问题上，为使模型适应不同的高速路段，引入了系数修正法，通过增加5个系数：路段可能速度修正系数，车流影响程度等级的修正系数，车道宽及侧向净宽修正系数，大型车辆比例影响系数，交通量方向分布系数。对模型进行修正，使其针对不同的高速路况具有更良好的适应性。并通过卡方检验，确定模型的拟合优度。(5) 应用模型时，利用MATLAB软件进行了仿真试验，通过分析仿真计算的结果，研究车流速度车流量关系图，车流密度车流量关系图，安全系数车流速度车流量关系图，与不同道路状况（通过修正系数标准化），最后给定在标准道路状况，与安全系数下，高速路的最优化车流量的值。 项目中，以现有交通流理论为基础，结合实际情况分析，对理论依据进行充实拓展，构建更适合描述高速道路通行情况的模型。并通过收集实际数据对模型进行检验与修正，最后得到适合中国高速交通路况的普适性模型。以理论为基础，结合实际进行研究拓展是本项目的独到之处。项目的应用价值和现实意义 交通仿真模型可以直观地描述道路设施及交通流运行的实际情况，并可按照使用者的要求模拟任何一种道路交通或交通状况的改变所引起的交通运行特征的变化，通过模拟实验得出特定条件下的车流运行状况、道路通行能力等结果。由于双车道公路上的交通量小，极少有达到通行能力状态的情况，使得采集到足够本量的实测数据比较困难。而交通仿真模型可以方便、快捷地构建交通环境，具有安全、快速、可重复、可控制等优点，同时它可以克服传统方法在数据采集、实验条件限制等方面的局限性，对于研究复杂的双车道公路系统有很大优势。因此可以应用仿真模型来分析双车道公路的通行能力。 超车模型是我国双车道公路仿真模型的关键环节。超车模型的研究对于分析双车道公路的通行能力、评价双车道公路服务水平、研究超车行为等交通安全问题、促进交通流理论的研究进展都具有重要的理论和应用意义。考虑到超车模型的实际运用和发展趋势。 论文研究中，一个很大的困难就是采集超车数据。可以说，正是由于大量超车数据的缺失，才导致了超车模型的发展严重滞后于交通流理论中的另一个重要模型跟驰模型。今后研究中，采集全面完整的超车数据，建立微观车辆运动信息数据库，将超车模型与跟驰模型进行互动研究，将是一项非常重要和有意义工作，需要不断的积累和创新。另一方面，驾驶员特性、驾驶员的生理反应和心理感受直接影响着超车行为。下一步还需要继续研究超车过程中驾驶员的生理、心理特性，从而完善改进超车模型。 最后，科学技术的不断进步，带来新的研究方法和手段。GPS数据采集仪、驾驶模拟舱等先进实验工具代表今后研究的一个发展趋势，值得我们去关注和探讨。项目已有研究成果国外研究成果出现了采用驾驶模拟舱结合微观仿真软件来分析超车的新方法。实验中，驾驶员超越小客车和卡车两种车型，通过对仿真结果数据和驾驶模拟舱输出数据进行统一整理得出，在超车开始阶段，超车车辆与前方慢车的速度差越大，超车车辆的速度增加就越小。在超车结束阶段，在超车车辆回到原车道的过程中，如果超车车辆与来向车的会车时间越长，超车车辆速度的降低就越大。这样，超车过程就可以通过超车车辆速度的增加和减少来划分。使用驾驶模拟舱可以将观测人员和被测试者的驾驶从交通现场转移到安全可控制的环境中。在模拟环境中，包括超车在内的被测试者的驾驶行为信息都将被记录。同时，在实验室中还可以直接接触被测试者，记录他们的即使特性、心理生理情况等信息。这个比传统实测研究更为方便有利的方法。国内研究成果仿真模型方面，在北京工业大学的高速公路基本路段仿真模型BESS中，对换车道模型进行了讨论。超车模型其实是换车道模型的一种，但是，由于高速公路采用分方向物理隔离，两个方向的车流不能进入对向车道，每个方向又明确划分了超车道和行车道，所以其换车道行为不同于双车道公路的超车行为，也使得这两种模型有所不懂。东南大学在讨论慢车特性的基础上，分析了双车道公路的交通流特性，建立了一般双车道公路的仿真模型，对超车过程进行了模拟。近年来我国双车道公路的道路条件、交通状况、车辆性能、驾驶员特性都发生了巨大变化，已有的模型已不能适用。因此，借鉴现有模型的研究成果，在采集实测数据的基础上，对模型的不适合之处进行改进，或者根据我国目前的实际情况，建立自己的模型，并进行标定和验证将是一项十分有意义的工作。为此，交通部公路科学研究所和北京工业大学再次联合，利用两年的时间对我国双车道公路交通特性进行了深入地调查和研究，并且建立了TWOSIM（TWO-lane highway SIMulation）仿真系统。 国外对超车过程的研究及仿真应用都比较成熟，并取得了丰硕的成果。科学技术的不断进步，为研究人员提供了更多新的解决问题的手段。超车过程研究的最新方法和发展趋势，都值得我们去关注和学习。国内的研究起步较晚，但在发展过程中也取得了一定的成果，为今后的研究积累了宝贵的经验。项目研究的未来工作安排（主要研究内容、进度安排及拟解决关键问题）研究内容与进度安排本项目主要以延续研究14年美国数学建模中的交通流问题，并以国内的高速公路行车状况为基础，结合现有的国内外研究交通流的文献及14年美赛的研究成果，就三参数的高速超车模型进行拓展研究。该项目预计总研究时间为12个周。调查分析耗费时间为一周，接着建立初步模型为一周，收集数据并依照模型进行模拟实验耗时一个月，检验并修改模型耗时一个月，通过两个半月的时间，建立较为完善的高速超车模型，剩余两个月时间用来对模型的应用性进行检验，消除模型中不定因素的影响，并对模型进行不定期改进，以确保模型的稳定。拟解决关键问题该项目的研究过程中主要存在四个关键问题需解决：1. 在车流密度不同的状态下，车流密度车流速度车流量之间的关系是变化的，如何找到一个合适的方程来描述不同车流密度下的三参数间的关系是我们拟解决的关键问题之一。采用三次样条插值的方式，可以较好的解决该问题。三次样条插值（简称Spline插值）是通过一系列形值点的一条光滑曲线，数学上通过求解三弯矩方程组得出曲线函数组的过程。在我们的模型处理过程中，考虑在不同密度状态交叉点附近做三样条插值处理，使函数曲线光滑，并由MATLAB画图得到大致速度密度关系图，对比插值前后的速度密度图像，分析不同密度状态交叉点附近的误差范围，如果误差范围较大，需对得到的新函数进行修正。同时在细化模型的分析时，考虑将不同的车流密度下三参数关系函数分段讨论，这样可以降低误差。而在做大概的预测分析时可以采用插值得到的函数进行运算，这样可以简化计算量。2. 将超车过程中的安全性量化为安全系数是本项目中拟解决的第二个问题。我们初步定义车辆在超车前行驶过程的安全系数为实际车速与安全车速间的偏离程度，定义该系数是考虑到在高速实际行车时，如果司机的实际车速高于安全车速，那么很容易在前方刹车时与前车追尾，而如果车速过分低于安全车速则容易影响后方的车辆行车，当后方车辆准备超车提速时，容易被后方车辆追及碰撞。同样，针对超车过程中安全系数的定义，我们设定：由从行车道到超车道的速度差与变道的安全速度差的偏离程度为超车过程的安全系数。只有前后车辆的速度差在安全速度差附近时，司机超车才比较安全。3. 对超车数量与超车率进行仿真模拟是项目拟解决的第三个问题。在超车过程中，越接近安全速度的安全性越高，偏离安全速度的安全性更低，假设安全超车速度值服从某种分布（我们主要以泊松，正态，卡方分布为实验）依照该分布随机产生一系列速度值，如果该速度值在规定的安全系数范围内且超车距离安全，则判断该车可以超车，反之，则不能超车。不断重复该过程，通过上万次的模拟，对模拟过程中的数据与实际收集到的数据进行残差检验，去除奇异值。并将这些值放入程序中计算最后求取均值，则该均值则为超车率（计算时总的样本数应该不包含奇异值对应的样本数）。4. 有效数据的收集是项目拟解决的第四个问题。最后对模型的检验中，需要