交通流隨機(jī)性特征及Breakdown概率模型研究.pdf

1、本文以交通中最司空見(jiàn)慣的、由暢通交通流短時(shí)間內(nèi)變化到擁擠交通流這一現(xiàn)象--交通流的breakdown現(xiàn)象作為展開(kāi)研究的出發(fā)點(diǎn)和研究核心，透過(guò)現(xiàn)象解析交通擁堵問(wèn)題的本質(zhì)。該研究的意義在于從交通流自身演變的規(guī)律中尋求交通擁堵發(fā)生的時(shí)機(jī)，從而為針對(duì)緩解交通擁堵的交通管理提供理論的依據(jù)及關(guān)鍵參數(shù)。
　　 首先，本文以交通流基本圖為載體，將一系列交通現(xiàn)象，如交通流breakdown現(xiàn)象、通行能力突降(capacity drop)、相變(p

2、hase transition)、交通遲滯(traffic hysteresis)等等聯(lián)系起來(lái)，綜合考慮時(shí)間因素和空間因素，對(duì)它們之間的關(guān)系給予全面的理解和驗(yàn)證。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，breakdown現(xiàn)象常常在未達(dá)到通行能力的一個(gè)“暢通且密集”的交通流區(qū)域發(fā)生，并引起了一連串的其他現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)上海市快速道路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，筆者發(fā)現(xiàn)了上述現(xiàn)象，然而遲滯現(xiàn)象卻并不總是呈現(xiàn)順時(shí)針?lè)较?。在從暢通到擁擠的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)及其反過(guò)程中，交通流參數(shù)并無(wú)固定的大小關(guān)系。

3、此外還提出了利用這些現(xiàn)象進(jìn)行交通控制的思路。
　　 論文從微觀角度入手解析了breakdown產(chǎn)生的過(guò)程。交通擾動(dòng)的傳播造成了交通流的不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的交通流將很容易發(fā)生breakdown(或相變)。對(duì)擾動(dòng)誘發(fā)交通流不穩(wěn)定的機(jī)理利用圖解的方法進(jìn)行了解析，得到的主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：外部的道路條件、環(huán)境因素和密集交通流的隨機(jī)波動(dòng)都可能引發(fā)交通擾動(dòng)；交通擾動(dòng)是交通流不穩(wěn)定的誘因，擾動(dòng)是否引發(fā)交通流不穩(wěn)定的影響因素主要有背景交通狀況、駕駛

4、員特征和車(chē)隊(duì)的均一性；要保持交通流穩(wěn)定，駕駛員應(yīng)在擾動(dòng)到來(lái)之前感應(yīng)到擾動(dòng)的存在，預(yù)測(cè)出擾動(dòng)到達(dá)自身的時(shí)間，并在此時(shí)間之內(nèi)作出反應(yīng)。
　　 對(duì)breakdown的研究中一直存在一個(gè)爭(zhēng)論，即breakdown是否可以自發(fā)產(chǎn)生，這一問(wèn)題爭(zhēng)論的焦點(diǎn)實(shí)際上在于引起breakdown的起因。筆者認(rèn)為交通流是一個(gè)由存在相互作用的大量車(chē)輛組成的非均衡交通系統(tǒng)，車(chē)輛的行駛速度及其與前車(chē)的間距都不是均勻的，即交通流中存在隨機(jī)擾動(dòng)，使得breakdo

5、wn可能在遠(yuǎn)離瓶頸的地方自發(fā)的產(chǎn)生。論文明確的定義了影響交通流breakdown的外部因素和內(nèi)部因素，從而定義了“自發(fā)”和“誘發(fā)”breakdown。Breakdown與三個(gè)因素有關(guān)，交通狀況即流量水平、擾動(dòng)和駕駛行為，其中擾動(dòng)又包括擾動(dòng)誘因、擾動(dòng)頻率、初始擾動(dòng)振幅和初始擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間。在不考慮擾動(dòng)誘因和擾動(dòng)頻率的情況下，breakdown過(guò)程實(shí)際上就是擾動(dòng)在交通流中的傳播演變過(guò)程，這也是本文所研究的純粹自發(fā)breakdown過(guò)程。

6、>　　 交通流的隨機(jī)性是自發(fā)以及誘發(fā)交通流breakdown的重要原因，論文討論了交通流隨機(jī)性的幾個(gè)主要體現(xiàn)：車(chē)間距的離散性、反應(yīng)時(shí)間的隨機(jī)性，以及駕駛行為的多樣性。利用美國(guó)NGSIM實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)不同速度水平下的車(chē)間時(shí)距分布用Gamma分布進(jìn)行了擬合，并總結(jié)了受擾交通與非受擾交通、減速階段與加速階段擬合參數(shù)的差異，從而獲得了在breakdown問(wèn)題建模中考慮遲滯現(xiàn)象的方法。對(duì)反應(yīng)時(shí)間的分析和討論表明，駕駛員不能作為。個(gè)整體對(duì)待，而應(yīng)加以

7、分類(lèi)；僅當(dāng)跟年?duì)顟B(tài)下車(chē)間距縮小到一定程度時(shí)駕駛員才會(huì)對(duì)前車(chē)的動(dòng)作(刺激)作出反應(yīng)。根據(jù)美國(guó)NGSIM的數(shù)據(jù)，分析了駕駛行為的差異使穩(wěn)定交通流變得不穩(wěn)定的示例。較大的車(chē)問(wèn)距、較短的反應(yīng)時(shí)間、較遠(yuǎn)的視距，對(duì)穩(wěn)定交通流都是有利的，而車(chē)隊(duì)的均一性對(duì)交通流穩(wěn)定性有雙面作用。
　　 論文提出了一個(gè)新的交通流白發(fā)breakdown的概率模型。該模型基于跟車(chē)?yán)碚?，充分考慮了實(shí)際交通流中可能存在的通行能力降低和遲滯現(xiàn)象，考慮了駕駛員類(lèi)型因素、駕駛

8、行為因素，即將駕駛員分為“冒險(xiǎn)型”和“保守型”兩種，它們遇到擾動(dòng)后的反應(yīng)行為分為“繼承”和“改變”兩種。此外還考慮了“二次擾動(dòng)”現(xiàn)象并進(jìn)行了必要假設(shè)。該模型符合實(shí)際交通流中減速波、加速波，以及車(chē)輛在任何狀態(tài)中的速度都是變化的這一事實(shí)，改進(jìn)了已有類(lèi)似模型的不足，既能夠描述擾動(dòng)幅度的變化，也能夠描述擾動(dòng)覆蓋空間范圍的變化。同時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果也表明，在密集交通流狀態(tài)下，車(chē)輛之間存在跟車(chē)行為之后，交通流容易受到擾動(dòng)的影響并可能逐步演變成brea