交通流分析理论课件：交通流动态特性分析

交通流分析理论交通流动态特性分析本章内容一、交通流稳定性分析二、交通流安全特性分析三、交通流排放特性分析四、交通流宏观动态特性分析本章内容一、交通流稳定性分析二、交通流安全特性分析三、交通流排放特性分析四、交通流宏观动态特性分析一、交通流稳定性分析局部稳定性和队列稳定性交通流稳定性考察的是小扰动对交通流状态的影响当交通流不稳定时，小扰动会沿着交通流向上游传播，使交通流逐渐演化为交通拥堵当交通流稳定时，小扰动在传播过程中会逐渐缩小并且消失或最终控制在一定的较小范围内，使交通流保持畅行状态交通流稳定性分为局部稳定性和队列稳定性局部稳定性考察的是跟驰车辆对前车扰动的影响若跟驰车辆在经历前方扰动后，最终能恢复扰动前的行驶状态，则称为局部稳定，否则，称为局部不稳定队列稳定性考察的是交通流下游扰动向上游车辆传播时的特性若扰动能够逐渐被上游车辆平滑，则称队列稳定，否则，称为队列不稳定采用车辆速度曲线给出了局部稳定性和队列稳定性示例，扰动由头车n=1产生，车辆n=2、n=3、n=4分别表示车队上游车辆a-局部稳定且队列稳定：当头车产生先加速再减速的小扰动时，车队上游车辆能逐渐将速度恢复至扰动产生前的状态，同时车队较好地平滑了头车扰动一、交通流稳定性分析局部稳定性和队列稳定性采用车辆速度曲线给出了局部稳定性和队列稳定性示例，扰动由头车n=1产生，车辆n=2、n=3、n=4分别表示车队上游车辆b-局部稳定但队列不稳定：上游各车辆在经历扰动后均能恢复至扰动前状态，但扰动在向上游传播过程中逐渐变大一、交通流稳定性分析局部稳定性和队列稳定性采用车辆速度曲线给出了局部稳定性和队列稳定性示例，扰动由头车n=1产生，车辆n=2、n=3、n=4分别表示车队上游车辆c-局部不稳定且队列不稳定：上游车辆在扰动的影响下，速度波动越来越大，无法满足局部稳定性和队列稳定性一、交通流稳定性分析局部稳定性和队列稳定性一、交通流稳定性分析

交通流稳定性与堵塞控制交通堵塞及其伴随而来的其他问题会产生严重的负面影响，所以交通堵塞的缓解与抑制成为当前城市交通问题的关键所在交通堵塞问题从交通流运行的角度可以被视为交通流失稳缓解或抑制交通堵塞就是要改善交通流的稳定性初始扰动在交通流运行中的变化，取决于描述车辆运动的跟驰模型中的敏感性系数及安全车距等参数通过改变与驾驶特性相关的参数来改善道路交通流的稳定性一、交通流稳定性分析

交通流稳定性与堵塞控制通过智慧交通技术，驾驶员可以获得道路上其他车辆的各种相关信息适当地提供驾驶员一些信息，有利于提高交通流稳定性，缓解与抑制交通堵塞在道路瓶颈处合理设置信号控制，从而提高驾驶员反应灵敏度，可以在一定程度上缓解交通堵塞通过智慧交通技术，驾驶员可以获得的最直接信息是其他车辆的位置信息车辆位置信息包括但不限于第一辆前车的位置信息、多辆前车的位置信息以及后车的位置信息等车辆的运行状态还受到车间距、速度差及加速度信息等其他因素的影响本章内容一、交通流稳定性分析二、交通流安全特性分析三、交通流排放特性分析四、交通流宏观动态特性分析二、交通流安全特性分析交通流安全风险与交通事故的关系交通事故是交通安全问题的具体表现结果，是人-车-路-环境的综合作用结果从交通流运行的角度，交通事故具有随机性、突发性和频发性的特点随机性：道路交通是一个复杂系统，影响交通事故的原因具有随机性突发性：交通事故往往是突如其来的，从驾驶员感知危险到事故发生过程往往是短暂的频发性：机动车保有量的急剧增长以及不良交通行为的局限性交通流运行的流量、密度和速度等特征均对交通事故发生率有影响交通流量越小，单车事故率呈上升趋势，多车事故率呈下降趋势随着密度增加，单车事故率逐步增加并在达到峰值后逐步下降，多车事故率逐渐增大车辆速度与交通流平均速度差值越大，交通事故率越高交通流安全风险与交通事故的关系交通事发生之前存在大量交通流运行安全风险海因里希法则指出：“每一起严重事故背后，必然有29起轻微事故和300起未遂先兆”二、交通流安全特性分析交通流追尾风险分析方法可分为基于时间的分析方法、基于距离的分析方法以及基于速度的分析方法基于时间的分析方法二、交通流安全特性分析交通流追尾风险分析方法TTC指标TTC（Time-To-Collision）表示前后两车以恒定速度和一定车头间距行驶时，在t1时刻前后两车的车头间距较小且后车速度大于前车速度，两车均未采取避险措施将在t2时刻追尾相撞，t1时刻到t2时刻发生追尾碰撞的这段时间间隔称为碰撞时间TTCTTC值越小，表明前后两车发生追尾碰撞的风险越大交通流追尾风险分析方法二、交通流安全特性分析TET和TIT指标TET指标表示处于安全临界状态的总时间，其特征值是TTC值低于阈值TTC*的时间长度，反映了碰撞风险的暴露时间TIT指标考虑了TTC值低于阈值TTC*的程度，反映了碰撞风险的严重程度基于时间的分析方法δn（t）-阈值函数，表示仅在TTC值小于一定的阈值后，方可进行指标分析N-车辆总数T-总时间间隔TA指标TA（Time-to-Accident）表示事故发生时间，是指驾驶员当前时刻以初始速度行驶时，到发生追尾事故时的时间间隔Vn-初始速度；Vm-平均速度二、交通流安全特性分析交通流追尾风险分析方法基于时间的分析方法二、交通流安全特性分析交通流追尾风险分析方法基于距离的分析方法PICUD指标PICUD（PotentialIndexforCollisionwithUrgentDeceleration）表示紧急制动下的最终车间距，定义为前后两车遇到特殊情况需要紧急制动时，完全停止后，两车之间的距离a-制动时的减速度；gn-初始时刻后车n的车间距；τ-反应时间完全制动后，若前后两车的最终间距PICUD值大于0，则无追尾碰撞风险；若其值小于0，则存在追尾碰撞风险二、交通流安全特性分析交通流追尾风险分析方法PSD指标PSD（ProportionofStoppingDistance）表示停车距离比，定义为车辆到潜在碰撞点的距离与可接受的最小制动距离之比RD-车辆到潜在距离碰撞点的距离；MSD-可接受的最小制动距离；V-当前速度；B-可接受的最大减速度（B>0）基于距离的分析方法二、交通流安全特性分析交通流追尾风险分析方法MTC指标MTC（MarginToCollision）定义为当前车突然制动时，后车也立即制动，前车和后车发生追尾碰撞的概率gn-后车n的车间距；D-前车和后车以0.7g减速度减速至停车的制动距离DSS指标DSS（DifferenceofSpacedistanceandStoppingdistance）由前后两车的制动距离推导u-摩擦系数；g-重力加速度；gn-初始时刻后车n的车间距基于距离的分析方法二、交通流安全特性分析交通流追尾风险分析方法基于速度的分析方法DRAC指标DRAC（DecelerationRatetoAvoidtheCrash）表示在跟驰过程中，若车间距较小且后车车速大于前车车速，后车为避免追尾前车需要减速，此时采用后车的制动减速特征来表征追尾风险在DRAC计算中要求后车速度大于前车速度，此时才存在追尾风险，后车才会采取制动减速的操作二、交通流安全特性分析交通流追尾风险分析方法CPI指标CPI（CrashPotentialIndex）描述了在一定的时间内，DRAC值大于其最大可能制动减速的概率，而车辆的最大可能制动减速度为当前交通环境下各因素的随机变量MADR-车辆最大可能制动减速度；a-当前交通环境下的解释变量p-概率；b-状态变量，当后车接近前车时，b=1，否则b=0t0-初始观测时刻；tN-最终观测时刻；∆t-观测时间间隔；Tn-观测总时间基于速度的分析方法二、交通流安全特性分析交通流追尾风险分析方法比较上述三类分析方法中的各评价指标交通流冲突风险指不同流向的两股或多股交通流若不改变其运动状态，则有发生碰撞风险的交通流现象交通流冲突风险主要发生在合流区与分流区以及无信号交叉口合流区与分流区二、交通流安全特性分析交通流冲突风险分析方法由于匝道车辆的驶入或者主线车辆的驶出，交通流冲突风险往往是车辆换道行为导致的侧向碰撞风险合流区车辆换道汇入和分流区车辆换道汇出过程的潜在交通流冲突风险无信号交叉口二、交通流安全特性分析交通流冲突风险分析方法冲突点造成的冲突风险随着交叉口车流量的增大而急剧增加交通信号控制是降低冲突风险的有效控制方法以无信号交叉口的两相位控制为例，在东西方向绿灯，南北方向红灯期间合流冲突点和分流冲突点均由原来的8个降至4个，交叉冲突点由原来的16个降至2个极大地降低了不同流向交通流之间的冲突风险无信号交叉口二、交通流安全特性分析交通流冲突风险分析方法冲突点造成的冲突风险随着交叉口车流量的增大而急剧增加交叉口在有无信号控制条件下的冲突点数量不同本章内容一、交通流稳定性分析二、交通流安全特性分析三、交通流排放特性分析四、交通流宏观动态特性分析三、交通流排放特性交通流排放的含义交通流排放指在交通流包含的大量个体车辆运行系统中，因微观跟驰与换道行为造成的交通流整体排放影响，包括：燃油消耗、CO2尾气排放、CO尾气排放和HC尾气排放等机动车能耗与尾气排放的影响因素主要有车辆性能、道路环境条件和驾驶行为特征车辆性能：决定车辆本身的能源经济性和尾气排放水平道路环境条件：车辆实现较高能源经济性和较低尾气排放量的基础驾驶行为特征：有效实现车辆较高能源经济性和较低尾气排放量的保障三、交通流排放特性交通流排放的含义驾驶行为直接体现交通流运行特性，如减速行驶、加速行驶等相同条件下，交通流越平稳，产生能耗和尾气排放越少缓慢减速过程比急减速行为产生的能耗与尾气排放要少匀速行驶过程比加减速行驶过程产生的能耗与尾气排放要少加速时间越短，产生的能耗与尾气排放越少三、交通流排放特性交通流排放分析方法VT-Micro模型是基于微观交通流轨迹数据的排放计算模型VT-Micro模型具有模型结构简单、计算过程简便的优势在分析交通流排放问题上，VT-Micro模型应用车辆的瞬时速度与瞬时加速度计算该车辆在当前时刻的排放因子，记为MOE（MeasureofEffectiveness）i、j-速度与加速度指数；Ki，j-模型计算系数，不同排放类型的Ki，j取值不同三、交通流排放特性交通流排放分析方法i、j-速度与加速度指数；Ki，j-模型计算系数，针对不同排放类型，Ki，j取值不同三、交通流排放特性交通流排放分析方法i、j-速度与加速度指数；Ki，j-模型计算系数，针对不同排放类型，Ki，j取值不同三、交通流排放特性交通流排放分析方法i、j-速度与加速度指数；Ki，j-模型计算系数，针对不同排放类型，Ki，j取值不同三、交通流排放特性交通流排放与协同生态驾驶生态驾驶通过从根本上改变驾驶行为，达到减少交通流排放的效果不改变车辆动力结构前提下，采取辅助措施或驾驶培训等方式优化驾驶行为与行驶轨迹-->传统生态驾驶利用V2X技术建立人-车-路之间的交互感知与信息共享，对智能网联车辆的速度轨迹进行优化控制-->协同生态驾驶三、交通流排放特性交通流排放与协同生态驾驶信号交叉口的协同生态驾驶信号交叉口的延误造成车辆的加减速频繁，使得交通排放增大智能网联车辆通过V2X技术可以获取交叉口信号灯相位信息、配时信息和周围车辆的运动信息以交通流排放为主要目标，在交通环境的约束条件下优化车辆的速度轨迹，避免车辆急加减速以及减少车辆在交叉口的停车次数，从而有效降低交通流排放本章内容一、交通流稳定性分析二、交通流安全特性分析三、交通流排放特性分析四、交通流宏观动态特性分析四、交通流宏观动态特性分析交通流波动特性交通流波动特性是由交通波在交通流中传播产生的交通堵塞在车流中的蔓延过程排队车辆陆续启动时的车队消散过程……右图中车辆轨迹呈现明显的波纹状图案当车辆减速时，后车减速相对于前车减速具有滞后性轨迹曲线随着时间的推移朝着车流行驶的反方向上游传播交通堵塞以稳定的速度向交通流上游传播交通流失效特性交通流失效指当交通流需求达到或接近路段通行能力时，车流速度出现急速下降的现象Bullen首次提出交通流失效概率模型，认为失效概率是流量的一个增函数Banks发现交通流失效在流量未达到通行能力前即可发生，认为流量是引起快速路交通流失效的主要原因之一Elefteriadou等印证了Banks结论，对快速路匝道和交织区交通流失效进行了定义进一步，相关学者认为，由于交通流失效现象的存在，路段通行能力不应该被定义为一个固定值，而应被定义为一个与交通流失效概率有关的概率函数交通流失效的内在机理存在多种解释，目前尚未形成完全统一的认识，有待于后续深入的研究四、交通流宏观动态特性分析通行能力下降特性交通瓶颈在失效前的稳定流量大于瓶颈失效后的稳定消散流量，这种现象为瓶颈路段通行能力下降通行能力下降现象中流量