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基于三相交通流理论的精细化建模方法研究

基于三相交通流理论的精细化建模方法研究

作者：叶林玲安徽建筑大学

学位级别：硕士

交通问题的解决需要厘清交通系统内部机理,掌握交通流的演化规律。交通仿真建模,作为交通流理论研究的重要方法之一,是将交通系统运行状况进行假设或再现,从而对复杂的交通现象进行理论分析或优化的过程。三相交通流理论,作为交通流理... 详细信息

交通问题的解决需要厘清交通系统内部机理,掌握交通流的演化规律。交通仿真建模,作为交通流理论研究的重要方法之一,是将交通系统运行状况进行假设或再现,从而对复杂的交通现象进行理论分析或优化的过程。三相交通流理论,作为交通流理论研究的热点之一,由于其对交通相等交通现象的解释与实测数据较一致,从而得到了众多学者的认可。本文即在三相交通流理论的框架下进行交通流建模,构建了精细化的双巡航驾驶极限模型和改进的双巡航驾驶极限模型,应用元胞自动机进行仿真,对仿真结果进行深入的分析与研究,完成了以下工作:(1)本文在三相交通流理论的框架下建立了一个精细化的双巡航驾驶极限元胞自动机模型。该模型基于巡航驾驶极限规则的启发,设计高速或低速行驶的车辆不受噪音的影响,并且对于前方仅有一个自由单元的静止车辆引入了慢启动规则。计算机模拟结果表明,初始分布无论为均匀分布、致密分布还是随机分布,此精细化模型都能够成功地再现三相交通流理论的经验特征,包括交通相的三相分布特征和相位转换特征。此外,研究还发现线性同步流的斜率随延迟概率和低速阈值v 的最大值的变化而变化。在均匀分布条件下,首次发现了具有双斜率的线性同步流。并且在随机分布下,发现模型可以模拟出三相交通流所有可能共存的相位基本图。(2)在精细化双巡航驾驶极限模型的基础上,进一步加入新的慢启动规则,优化了双巡航驾驶极限模型,使其更加符合实际道路交通情况。模型能够模拟自由流、同步流和宽运动阻塞三个交通流相位,并且基本图的模拟结果与前人在三相交通流理论下的模型模拟结果有较高的定性一致。通过调整模型参数,可以获得与相关交通常量一致的交通流形态,包括同步流和宽运动阻塞。

关键词：三相交通流理论交通仿真元胞自动机基本图慢启动

三相交通流理论下的速度扰动演化研究——以匝道可控交通流为例

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三相交通流理论下的速度扰动演化研究——以匝道可控交通流为例

作者：冯骁兰州交通大学

学位级别：硕士

随着近年来出行需求的大幅度上涨,交通需求与交通基建设施之间的矛盾日益突出,节假日前后高速公路上大规模的拥堵现象已经屡见不鲜。高速公路入口匝道是外界车辆进入这一封闭行驶环境的主要入口,匝道口上下游的交通流运行状态会对高速... 详细信息

随着近年来出行需求的大幅度上涨,交通需求与交通基建设施之间的矛盾日益突出,节假日前后高速公路上大规模的拥堵现象已经屡见不鲜。高速公路入口匝道是外界车辆进入这一封闭行驶环境的主要入口,匝道口上下游的交通流运行状态会对高速公路全线的运行产生明显的影响。对高速公路入口匝道处的交通流运行特征进行细化研究并据此对入口匝道控制策略进行调整可以充分缓解由匝道驶入车辆造成的交通拥堵,保障高速公路主线的运行效率,这对缓解高峰时段高速公路交通压力,节约高速公路基建投资有着重要的意义。本文在三相交通流理论框架下,对高速公路及其入口匝道进行了建模仿真,对高速公路主路及匝道处的交通流运行状态进行了模拟,并提出了基于速度变化特征的入口匝道控制策略。本文的主要研究内容如下:(1)本文比较了传统交通流理论和三相交通流理论对高速公路瓶颈路段拥堵形成及性质的解释,对不同理论框架下交通崩溃的原因进行了总结,分析了三相交通流理论应用在高速公路瓶颈路段交通流研究中的优势。(2)结合KKW系模型中关于同步距离的假设以及BL系模型关于反应延迟的假设,本文将驾驶员的驾驶行为偏好纳入考虑,建立了一个三相交通流理论框架下的元胞自动机模型。在对模型的模拟中发现速度扰动在不同流相下有着不同的传播特征。当交通流处于自由流相时,速度扰动会对其后续车辆的行驶产生一定影响,但这一干扰会很快耗散,但在同步流相下,速度扰动会在产生后很快向上游传播,蔓延至全路段而难以完全消散。除此之外,在路上车流密度较低时激进型驾驶员的过度反应行为会加剧扰动在传播过程中的幅度,而保守型驾驶员因其驾驶策略较保守,可以在行驶过程中削弱扰动在传播过程中的幅度。当交通流处于同步流相时,因为影响驾驶员速度选择的主要因素成为车辆间距,故而其驾驶策略不会再对速度扰动的传播产生明显影响。(3)通过引入换道规则,本文将上述模型扩展至双车道。在双车道条件下的模拟中发现,换道规则可以令路面资源得到更充分的利用,因此双车道条件下相变的临界值略高于单车道条件下对应的值且其流量达到最大后流量下降趋势也更为平缓。在对换道行为的微观作用进行分析的过程中发现,在不同车流密度条件下车辆的换道行为也会对交通流的运行状态产生不同性质的影响。当密度较低时,车辆的换道行为并不会对换入或换出车道的运行状态产生明显影响,而随着密度的增大,换道行为就会逐渐显出拥堵消散和产生拥堵这两中截然相反的双重作用。(4)在加入匝道模型后,本文对匝道驶入概率对主路交通流运行状态产生的影响进行了研究。在研究中发现当主路流量较低时入口匝道驶入概率越大流量越大,全路段平均速度越低,随着入口匝道驶入概率的增大,主路流量和平均速度都逐渐趋于稳定,入口匝道驶入概率不再对交通流的运行状态产生明显影响。从微观角度来分析,匝道驶入车辆同样也会产生速度扰动和速度峰。匝道处产生的速度扰动和速度峰都向高速公路主路上游传播,但其作用截然相反,速度扰动会造成局部的同步流相变,而速度峰会消解这种局部同步流,促使其产生局部同步流相至自由流相的相变。基于此本文认为在不同特征观测点会观测到不同的速度分布特征,并提出了相应的匝道控制策略,这一策略在数值模拟中得到了验证。

关键词：三相交通流理论速度扰动高速公路瓶颈路段入口匝道控制策略

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基于元胞自动机的三相交通流理论建模与模拟

基于元胞自动机的三相交通流理论建模与模拟

作者：陈涛北京交通大学

学位级别：硕士

交通流理论研究的目标在于建立能够描述实际交通一般特性的交通流模型,以揭示控制交通流运动的基本规律,从而有效地指导交通工程实践,预防和缓解交通堵塞,为社会的和谐发展提供基本保障。Kerner等人提出的三相交通流理论,作为现代交通... 详细信息

交通流理论研究的目标在于建立能够描述实际交通一般特性的交通流模型,以揭示控制交通流运动的基本规律,从而有效地指导交通工程实践,预防和缓解交通堵塞,为社会的和谐发展提供基本保障。Kerner等人提出的三相交通流理论,作为现代交通流理论研究的热点,可以用来较好地解释相当一部分实测交通现象。然而,人们对于三相交通流理论,尤其是对于三相交通流理论中同步流等现象的内在机理的认识还不够充分。因此,还需要从理论上对三相交通流理论做更为深入的研究和探讨。以元胞自动机为工具对其进行研究,不失为一种有益的探索。基于元胞自动机的交通流模型作为一类新兴的交通流微观模型,在保留了复杂交通系统非线性特征的同时,具备计算机模拟速度快、规则灵活等诸多优点,已被交通科学家广泛采用。本文在综合分析了现有部分元胞自动机模型的基础之上,以元胞自动机为工具,对三相交通流理论进行了建模与模拟。通过计算机模拟,重现了大量三相交通流理论框架中典型的交通现象。本文主要工作如下:1.发现了一个可能导致同步流现象产生的机制:司机对于时间间距的敏感反应而采取的过度减速行为会导致同步流现象的产生。在此基础上,提出了一个根据时间间距进行随机慢化的单车道元胞自动机模型。考虑到实际交通条件下司机对于时间间距这一因素比较敏感的特性,在新模型中根据时间间距来确定车辆的随机慢化概率。模拟结果表明,该模型能够较好地重现同步流现象。利用慢启动规则对该模型进行改造之后,该模型还可以重现从同步流到宽运动堵塞的自发以及扰动相变,模拟结果同三相交通流理论基本吻合。2.采用本文提出的基于时间间距的元胞自动机模型对入口匝道交通瓶颈处的交通模式进行了建模与模拟。根据模拟结果,绘制了相关的相图以及时空图。经过分析发现,该模型较好地重现了三相交通流理论框架中入口匝道交通瓶颈处各种复杂的时空特征。3.提出了一个基于模糊推理机制的单车道元胞自动机模型。考虑到实际交通条件下司机对于速度、距离等信息的感知是模糊的,将模糊推理机制引入到车辆的随机慢化过程中。既考虑到了车辆速度更新过程中的随机性因素,又试图将模糊推理的思想应用到车辆更新速度的过程中去。模拟结果显示,该模型不仅可以较好地重现时走时停等实测的交通现象,而且在一定的密度条件下还可以模拟出同步流现象。

关键词：元胞自动机三相交通流理论同步流模糊推理交通瓶颈

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基于元胞自动机的航道交通流仿真

合肥工业大学学报（自然科学版） 2023年第3期46卷 364-370页

作者：屠强郑中义靳彪大连海事大学航海学院辽宁大连116026

文章基于自动识别系统(automatic identification system,AIS)数据,将汇入主航道的分支交通流对航道整体交通状况的影响进行研究,该种情况类似于城市交通中匝道入口的汇入情形。鉴于航道内的该种情况,以元胞自动机进行建模仿真;并通过... 详细信息

文章基于自动识别系统(automatic identification system,AIS)数据,将汇入主航道的分支交通流对航道整体交通状况的影响进行研究,该种情况类似于城市交通中匝道入口的汇入情形。鉴于航道内的该种情况,以元胞自动机进行建模仿真;并通过分析可追越条件下两船之间的速度关系,发现其中规律与三相交通流理论中的速度适应机制相契合,于是将基本图理论与三相交通流理论中的合理部分相结合,构建一个既符合实际又便于模拟的单向双通道航道内的交通流模型,并通过图像和时间序列相关分析对该模型进行说明和验证。此外还利用该模型对带有汇入主航道内的交通流出现的一些交通现象进行仿真和说明。

关键词：交通工程交通流仿真元胞自动机自动识别系统(AIS)数据三相交通流理论

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组合匝道瓶颈下交通流相变研究

广西大学学报（自然科学版） 2023年第5期48卷 1104-1115页

作者：胡河森靳文舟华南理工大学土木与交通学院广东广州510641

针对组合匝道瓶颈附近发生的交通崩塌现象,提出了概率论主方程模型用以描述该现象。基于三相交通流理论,分析得出初始非均匀自由流中交通崩塌现象发生的本质是自由流到同步流的一阶相变,同时假设了一个确定性的局部扰动始终位于瓶颈附近... 详细信息

针对组合匝道瓶颈附近发生的交通崩塌现象,提出了概率论主方程模型用以描述该现象。基于三相交通流理论,分析得出初始非均匀自由流中交通崩塌现象发生的本质是自由流到同步流的一阶相变,同时假设了一个确定性的局部扰动始终位于瓶颈附近,该扰动造成了过加速效应对于速度适应效应的竞争劣势。然后构建了合适的概率论主方程模型,并进一步推导得到了交通拥堵的平均迟滞时间和相变概率的表达式。理论结果的进一步分析表明:入口匝道流量的增加将加快交通流相变的进程,出口匝道流量对维持交通流的稳定性有促进作用,并且主干道流量对自由流波动影响较小,因此控制入口匝道流量的汇入对维持组合匝道瓶颈处初始自由流的稳定性非常重要。

关键词：相变三相交通流理论组合匝道瓶颈主方程

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快速路出入口区域的交通流特性研究

快速路出入口区域的交通流特性研究

作者：胡河森华南理工大学

学位级别：硕士

近年来,交通流理论研究取得了长足的发展。科学家们发现只有深入研究交通流的演化机理,才能更好地对交通系统进行控制和优化。当前交通流理论分为两大体系:基本图方法和三相交通流理论,而这两大体系争议不断,因此如何合理解决基本图方... 详细信息

近年来,交通流理论研究取得了长足的发展。科学家们发现只有深入研究交通流的演化机理,才能更好地对交通系统进行控制和优化。当前交通流理论分为两大体系:基本图方法和三相交通流理论,而这两大体系争议不断,因此如何合理解决基本图方法和三相交通流理论的争议性问题成为交通流理论研究中必须要面对的问题。多年来,诸多学科蓬勃发展,车联网技术迅速普及,这为我们研究交通流、合理解决争议提供了新的视角。本文围绕三相交通流理论对基本图方法相关质疑,在多学科交叉和车联网环境下研究了快速路出入口区域交通流的复杂特性和各种亚稳态相变现象,探究了不同类型的模型之间的内在联系,主要工作如下:(1)本文引入概率论主方程模型研究了具有连续入-出口匝道的组合瓶颈所诱发的交通崩塌现象。本文从三相交通流理论对基本图方法通行能力定义的质疑出发,将交通崩塌现象与自由流到同步流的一阶相变联系起来,同时认为道路空间非均匀性是始终存在于瓶颈附近的确定型扰动。通过构建描述位于扰动中的车辆集群大小随机变化的主方程及相应理论分析,本文得到了描述交通崩塌的平均延迟时间和发生概率的表达式,并详细讨论了集群消散率、平均延迟时间及相应相变概率与匝道流量和主路流量之间的关系。主方程的构建不仅体现了多学科交叉对交通流研究发展的促进作用,而且能够得到比三相交通流更符合实际的相变概率曲线。(2)从传统跟驰模型出发,基于车联网技术提出了考虑入口匝道进车概率和预测速度效应的跟驰模型。通过稳定性分析得到了中性稳定性曲线和共存曲线,共存相图显示改进的跟驰模型可以提高交通流稳定性,仿真结果表明新模型是合理的。接着以跟驰模型为核心思想,将速度差元胞模型中的速度差拓展为预测速度和优化速度之差,构建一个真正的三相基本图方法模型。新元胞模型不仅可以模拟交通亚稳态相变和迟滞现象,而且还得到了与三相交通流理论中相同的孤立入口匝道瓶颈诱发的交通拥塞模式。新模型不仅实现了元胞自动机和跟驰模型的结合,而且解决了三相交通流理论对三相基本图方法模型的质疑。(3)在车联网环境下将速度预测思想引入格子流体力学模型,提出考虑全预测密度差效应的格子模型。稳定性分析同样得到了相变相图,并推导出稳定区域Burgers方程、亚稳态区域Kd V方程以及不稳定区域m Kd V方程,得到了对应的三角波、孤子波和扭结波;在不稳定区域的扰动演化模拟表明考虑预测密度效应可以提高交通流的稳定性。随后结合该模型设计了随机型入口匝道和确定型入口匝道,在开放边界条件下分别成功模拟得到了基本图宏观模型的实测拥塞模式以及多种组合拥塞模式,发现新模型的堵塞可以产生于同步流,并且在不同的入匝道流量情况下能够产生和三相交通流理论一致的结果,因此三相交通流理论对基本图宏观模型的质疑不适用于新模型。(4)应用三阶段法对本文新模型和其他几类典型模型进行了参数标定。标定结果表明新模型的标定误差均小于原模型;三相交通流理论模型和基本图方法模型之间的误差相当。

关键词：交通流交通瓶颈概率论主方程基本图方法三相交通流理论参数校验

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基于改进KMC算法的三相交通流聚类研究

物联网技术 2018年第10期8卷 76-79页

作者：王全广州千陌互连科技股份有限公司广东广州467000

针对城市快速路交通流的运行特性,利用K均值聚类算法研究了交通流的三相特性。对KMC算法进行改进,避免聚类计算陷入局部最优并获得较好的初始聚类中心。以信息熵及其跃迁值为判定准则,确定了交通流时间序列聚类分析的最优聚类数目。通... 详细信息

针对城市快速路交通流的运行特性,利用K均值聚类算法研究了交通流的三相特性。对KMC算法进行改进,避免聚类计算陷入局部最优并获得较好的初始聚类中心。以信息熵及其跃迁值为判定准则,确定了交通流时间序列聚类分析的最优聚类数目。通过对上下游关联路段的交通流时间序列进行聚类,发现不同路段聚类结果存在的共同点和差异,并利用自信息量完成对分类结果的可靠性分析。文中对交通流时间序列聚类分析进行研究,从数据角度提出了确定三相交通流边界的可靠方法,为交通流运行状态判别和预测提供理论和方法支持。

关键词：三相交通流理论 KMC算法信息熵聚类研究

考虑连接交叉口影响的快速路入口匝道合流区拥堵特性研究

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考虑连接交叉口影响的快速路入口匝道合流区拥堵特性研究

作者：林初染桂林电子科技大学

学位级别：硕士

近年来快速路入口匝道合流区在高峰时期会出现常发性的拥堵问题,入口匝道的车流汇入与车辆跟驰产生的交通扰动是造成快速路常发性拥堵的关键,深入研究考虑交叉口影响的快速路入口匝道合流区交通流对揭示快速路拥堵特性、制定拥堵管控策... 详细信息

近年来快速路入口匝道合流区在高峰时期会出现常发性的拥堵问题,入口匝道的车流汇入与车辆跟驰产生的交通扰动是造成快速路常发性拥堵的关键,深入研究考虑交叉口影响的快速路入口匝道合流区交通流对揭示快速路拥堵特性、制定拥堵管控策略具有重要意义。但由于现有的快速路合流区研究往往假设匝道汇入车流均匀,没有考虑到交叉口在入口匝道上游产生的影响。本文以轨迹数据为基础,对此类路段宏观特征与微观行为进行研究,全文主要内容如下:首先选取符合要求的南京城市入口匝道与快速路合流区,利用深度学习算法获取的无人机视频中的车辆轨迹数据。基于轨迹数据结合三相交通流对路段交通特征进行分析,本文认为拥堵一般模式的产生需要高流量的连续汇入车流,当汇入车流低于阈值且呈规律性波动时,拥堵会形成移动同步流并自行消散,通过VISSIM本文对不同流量下的同一路段车流状态进行交通仿真,仿真结果证明匝道汇入车流规律性波动确实会减少汇入车流对主路的扰动。其次,基于轨迹数据对车辆的换道行为与跟驰行为进行研究,利用微观指标与宏观参数的分析结果对微观行为与宏观状态进行了关联性分析。通过计算跟驰与换道行为分别对道路通行能力的影响,证明拥堵状态下车辆的跟驰行为同样会造成拥堵的加剧或蔓延,本文结合驾驶员的行为模型基于三相交通流对通行能力骤降的现象进行解释,提出了跟驰行为造成通行能力骤降的原因假设。最后,本文发现Delpiano改进的社会力模型对于拥堵状态下的数据拟合效果不好,因此参考重力模型的公式结构改进了其社会力模型,利用真实数据进行校核效果良好。

关键词：拥堵特性研究快速路合流区三相交通流理论驾驶员行为特性

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城市道路网拥堵特征分析及解决方案研究

城市道路网拥堵特征分析及解决方案研究

作者：董奇伟石家庄铁道大学

学位级别：硕士

我国幅员辽阔、人口众多,随着国力的提高、经济的蓬勃发展以及城市化率的提高,城市中人口不断增加,城市人口的汽车保有量持续增加,但是由于许多城市历史发展的特点,城区道路往往错综复杂,车辆在其间的行进经常遇到堵车的情况,而堵车的... 详细信息

我国幅员辽阔、人口众多,随着国力的提高、经济的蓬勃发展以及城市化率的提高,城市中人口不断增加,城市人口的汽车保有量持续增加,但是由于许多城市历史发展的特点,城区道路往往错综复杂,车辆在其间的行进经常遇到堵车的情况,而堵车的具体情形也很复杂,道路交叉口的快速通过和较良好的交通诱导可以有效缓解拥堵。本论文主要针对城市道路拥堵的特征和解决方法进行了研究,研究分为两个部分,分别为交通拥堵典型特征和拥堵解决方法,拥堵解决方法从路网拓扑结构分析和交叉口信号优化和出行者路径选择优化两个方面进行研究。第二章和第三章针对交通拥堵典型特征和机理进行了研究,第四章和第五章针对路网拓扑结构分析和交叉口信号优化的模型和方法进行了研究,第六章针对出行者路径选择优化模型进行了研究,第七章在上述各章的基础上结合仿真和实例进行了研究。本文首先对城市道路拥堵的典型特征和机理进行了分析,随后从出行者路径选择和路网拓扑结构两个方面入手对拥堵问题进行研究。在路网拓扑结构方面对城市路网几何拓扑结构进行了分析,找到了有重要意义的交叉口,对交叉口的信号配时方案进行了优化,在路径选择方面通过对出行者有限理性下选择路径的分析,利用前景理论较好地解决了问题。本文从路网的层面提出了交通出行与道路建设互相影响下的城市路网拥堵解决方案,较全面地对交通拥堵机理和缓解城市拥堵的问题进行了考虑和探索,论文主要开展了如下工作:(1)从宏观和微观角度对城市交通拥堵进行了分析,利用三相交通流的KKS模型探究车流中车辆之间的相互作用导致的各相位之间的转化和发展。(2)分析路网几何拓扑结构,利用复杂理论相关指标建立评价体系,对路网节点进行重要度评价,为下一步的交叉口信号优化做准备。(3)结合人工免疫算法的特点,将免疫算法应用到交通配时的优化研究中,结合VISSIM构建交叉口模型,将车辆延误最少作为优化目标进行配时方案优化。(4)通过问卷调查对前景理论中用到的公式进行参数标定,针对出行中行程时间的不确定和出行者心里偏差对于路径选择的影响,利用前景理论进行路径选择的分析研究,与期望效用理论进行对比。

关键词：三相交通流理论复杂理论信号配时路径选择