（交通运输规划与管理专业论文）组合交通瓶颈系统建模与控制方法研究.pdf

ffliljf 授 并 家 ， ，； l f l ， ， 碡 j 中图分类号：u 1 2 ；0 1 9 ；0 2 4 2 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 组合交通瓶颈系统建模与控制方法研究 m o d e l i n ga n ds t u d y i n gt h ec o n t r o lm e t h o do ft h e c o m b i n e db o t t l e n e c ks y s t e m 作者姓名：宋桂翠 导师姓名：赵小梅 学号：0 8 1 2 1 4 0 5 职称：副教授 学位类别：工学学位级别：硕士 学科专业：交通运输规划与管理 研究方向：城市交通规划与管理 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师赵小梅副教授的悉心指导下完成的，赵小梅副教 授严谨的治学态度、科学的工作方法、精深的学术造诣以及正直而坦诚的为人之 道，使我受益良多。不仅如此，老师在百忙之中仍抽出宝贵时间关心我的生活及 工作情况，给了我许多宝贵的指导和建议，这些都将成为我人生中的财富。在此 衷心感谢三年来赵老师对我的关心和指导。 贾斌副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。感谢高自友教授、孙会君副教授、四兵锋副教授以及系统科学所的全 体老师们! 老g n l j 卓越的教学和科研工作，使我在各方面都有了很大的提高。 在实验室工作及撰写论文期间，李新刚博士、谢东繁博士、郭宏伟博士等同 学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。也感 谢系统科学所的全体同学们，大家在学习和生活中留下许多美好的回忆。 感谢国家自然科学基金项目n o 7 0 7 0 1 0 0 4 的基金资助，另外也感谢我的家人， 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 。 中文摘要 中文摘要 摘要：交通瓶颈是影响城市交通畅通的重要因素之一，瓶颈附近是交通拥堵以及 交通事故的易发区。组合交通瓶颈是交通瓶颈中一个重要方面，其对交通拥堵的 影响更为严重。公交车站作为城市交通系统中的一种典型瓶颈，在城市道路上十 分常见。设置在城市道路上的公交车站往往与其附近的入、出匝道构成组合交通 瓶颈，各种车流经过时不可避免地产生交织冲突。基于此，本文利用元胞自动机 模型对公交车站与出、入匝道三种交通瓶颈构成的交通系统进行建模与特性分析， 并在此基础上提出控制方法，缓解瓶颈附近的拥堵状况。主要工作如下： 1 使用元胞自动机模型对公交车站和出、入匝道三种交通瓶颈组成的道路系 统进行建模和模拟，分析了三种瓶颈相互影响的机理，总结了公交车站与匝道设 置的合理方式。研究指出，采用出匝道在公交车上游、入匝道在公交车站下游的 配置方式( c a s eb ) 会优于入匝道在公交车上游、出匝道在公交车站下游的配置方 式( c a s ea ) ，并且能够最大限度地减小组合交通瓶颈效应，提高通行能力以及道 路利用率，减少公交车站的位置设置对主路和匝道流量的负面影响。 2 根据交通拥堵演化机理，我们提出了公交车站与入匝道构成的组合交通瓶 颈系统的控制方法，通过计算机仿真分析控制方法的有效性。对于入匝道在公交 车站上游的瓶颈系统，我们采用了平均车头间距反馈的方法。结果发现，加入控 制后提高了主路上游流量，在一定程度上改善了主路的交通拥堵状况，减小了车 辆的交织现象，但是由于对入匝道进行控制，也造成了主路下游流量的略微降低。 对于入匝道在公交车站下游的情况，我们采用了可接受间距汇合控制方法。采用 此种方法控制后，主路上游流量略微增加，而且匝道车辆到进入主路，不会影响 到主路车辆的行驶。进一步我们又与其它控制方法进行比较，发现根据交通拥堵 演化机理提出的控制方法更为有效。 3 我们将入匝道在公交车站上游的瓶颈系统的控制方法应用到c a s ea 系统 中，结果发现仍可以提高主路上游流量，改善主路的拥堵状况。进一步我们又与 其它控制方法进行比较，发现根据交通拥堵演化机理提出的控制方法更为有效。 另外，我们将入匝道在公交车站下游的情况采用的控制方法应用到c a s eb 系统上 来，发现采用此种方法控制后，各路段的流量以及交通状况几乎没有太大改善； 采用传统控制方法反而使系统流量下降，交通状况变得更糟糕，而采用我们提出 的控制方法可以提高交通系统的安全性。 关键词：组合交通瓶颈；公交车站；入匝道；出匝道；控制方法 分类号：u 1 2 ；0 1 9 ；0 2 4 2 北京交通大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：a so n ei m p o r t a n ta s p e c to ft r a f f i cb o t t l e n e c k , t h ec o m b i n e dt r a f f i c b o t t l e n e c ki n f l u e n c e st h et r a f f i cc o n g e s t i o na n dt r a f f i cs a f e t ys e r i o u s l y i nc h i l l a t h eb u s s t o pw i t l l i t s n e i g h b o r i n go n - r a m pa n do f f - r a m pc o n s t i t u t e sat y p i c a l c o m b i n e d b o t t l e n e c k t h u sv a r i o u sv e h i c l e sw i l li n e v i t a b l yi n t e r w e a v ee a c ho t h e rw h e np a s s i n g t h r o u g h i nt h i sw o r k , t h ec o m b i n e dt r a f f i cb o t t l e n e c ke f f e c to ft h eb u ss t o p ，t h eo n - r a m p a n do f f - r a m pi s d i s c u s s e d , a n dt h e c o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e dt or e l i e v et r a f f i c c o n g e s t i o n n e a rt h eb o t t l e n e c k t h em a i nc o n t e n t s 锄- eg i v e na sf o l l o w s ： 1 t h ec o m b i n e dt r a f f i cb o t t l e n e c ke f f e c to ft h eb u ss t o p ，t h eo n - r a m pa n do f f - r a m p i sd i s c u s s e db ym o d e l i n gt r a f f i cs y s t e mi nat w o - l a n ec e l l u l a ra u t o m a t o nm o d e l w e a n a l y z ee o g e s t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h e s et h r e eb o t t l e n e c k sa n ds u m m a r i z et h e r e a s o n a b l es e t t i n gw a yo ft h eb u ss t o pa n dt h er a m p t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h es e t t i n g w a y ( c a s eb ) t h a tt h eo f f - r a m pi ss e ta tt h eu p s t r e a mo ft h eb u ss t o pa n dt h eo n - r a m pi s s e ta td o w n s t r e a mo ft h eb u ss t o pi sb e t t e rt h a nt h es e t t i n gw a y ( c a s ea ) t h a tt h e o n r a m pi ss e ta tt h eu p s t r e a mo ft h eb u ss t o pa n dt h eo f f - r a m pi ss e ta td o w n s t r e a mo f t h eb u ss t o p t h es e t t i n gw a yo f c a s ebc a nr e d u c et h ec o m b i n e di r a f f i cb o t t l e n e c k e f f e c t ，e n h a n c et h er o a dc a p a c i t ya n dt h eu t i l i z i n ge f f i c i e n c y , a n dr e d u c et h en e g a t i v e e f f e c t 2 a c c o r d i n gt ot h et r a f f i cc o n g e s t i o nm e c h a n i s m , w ep u tf o r w a r dt h ec o n t r o l m e t h o do ft h ec o m b i n e dt r a f f i cb o t t l e n e c ks y s t e mc o n s t i t u t i n go ft h eb u ss t o pa n dt h e o n - r a m p f o rt h es y s t e mt h a tt h eo n - r a m pi sa tt h eu p s t r e a mo ft h eb u ss t o p ，w ep r o p o s e t h ea v e r a g es p a c i n gf e e d b a c km e t h o d t h er e s u l t ss u g g e s tt h a ti tc a l la 田姗c et h e u p s t r e a mf l u xo ft h em a i nr o a d , i m p r o v et h et r a t t i ec o n d i t i o no ft h em a i nr o a d , b u t c a u s e ss l i g h t l yr e d u c eo fd o w n s t r e a mf l u xo ft h em a i nr o a d f o rt h es y s t e mt h a tt h e o i l - r a m pi sa tt h ed o w n s t r e a mo ft h eb u ss t o p ，w ep r o p o s ea l la c c e p t a b l es p a c em e r g i n g c o n t r o lm e t h o d i tc a l le n h a n c et h eu p s t r e a mf l u xo f t h em a i nr o a ds l i g h t l y f u r t h e r m o r e , w ef i n dt h em e t h o d sb a s e do nt h et r a t f i ec o n g e s t i o ne v o l u t i o nm e c h a n i s ma r em o r e e f f e c t i v e , c o m p a r e d 丽也o t h e rc o n t r o lm e t h o d 3 t h ea v e r a g es p a c i n gf e e d b a c km e t h o db a s e do nc o n g e s t i o nm e c h a n i s mi s a p p l i e do i lt h ec a s eas y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a ti tc a na l s oi m p r o v et h eu p s t r e a m f l u xo fm a i nr o a d , a n di m p r o v et h et r a f f i cc o n d i t i o no ft h em a i nr o a d f u r t h e rw e c o m p a r et h em e t h o db a s e do nc o n g e s t i o nm e c h a n i s mw i t ho t h e rc o n t r o lm e t h o d ，a n d p a b s t r a c t f i n di ti sm o r ee f f e c t i v e i na d d i t i o n ，t h ea c c e p t a b l es p a c em e r g i n gc o n t r o lm e t h o di s a p p l i e do nt h ec a s ebs y s t e m n er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mf l u xa n dt h et r a f f i c c o n d i t i o nh a v ea l m o s tn oc h a n g e ，a f t e ra d o p t i n gt h em e t h o d i fa d o p t i n gt h et r a d i t i o n a l c o n t r o lm e t h o d ，t h es y s t e mf l u xw i l lr e d u c ea n dt h et r a f f i cc o n d i t i o nw i l lb e c o m ew o r s e w h i l ea d o p t i n go u rc o n t r o lm e t h o dc a ne n h a n c et h et r a f f i cs y s t e ms a f e t y k e y w o r d s ：c o m b i n e dt r a f f i cb o t t l e n e c k ；b u ss t o p ；o n - r a m p ；o f f - r a m p ；c o n t r o l m e t h o d c l a s s n o ：u 1 2 ；0 1 9 ；0 2 4 v tr1；， 北京交通大学硕士论文 目录 摘要i i i t r a c t i v 绪论1 1 1交通瓶颈问题的研究意义1 1 2交通瓶颈问题的研究现状1 1 2 1 单个交通瓶颈问题的研究现状2 1 2 2 组合交通瓶颈问题的研究现状一5 1 3元胞自动机模型简介6 1 4本文的工作7 2公交车站与出、入匝道组合交通瓶颈系统建模与特性分析1 1 2 1组合交通瓶颈问题1 1 2 2 公交车站与出入匝道组合交通瓶颈系统建模1 2 2 2 1 公交车站与出入匝道组合交通瓶颈系统结构1 2 2 2 2 换道规则1 4 2 2 3 纵向运动规则1 5 2 2 4 匝道附近车辆行为15 2 2 5 边界条件16 2 3入匝道在公交车站上游、出匝道在公交车站下游系统( c a s e a ) 交 通流特性分析。1 6 2 3 1 流量特性17 2 3 2 相图分析1 8 2 3 3 主路上不同交通状态下匝道对交通流的影响2 2 2 3 4 出入匝道概率对交通流量的影响2 4 2 3 5 公交车站位置对通行能力的影响2 5 2 4出匝道在公交车站上游、入匝道在公交车站下游系统( c a s eb ) 交 通流特性分析。2 7 2 4 1 流量特性对比2 7 2 4 2 相图对比2 9 2 4 3 公交车站位置对通行能力的影响对比3 3 2 5 小结。3 5 3公交车站与入匝道系统控制方法研究3 7 目录 3 1入匝道控制方法介绍3 7 3 2入匝道在公交车站上游系统控制方法研究3 8 3 2 1 控制方法的提出3 8 3 2 2 阈值为固定值4 0 3 2 3 阈值与主路进车概率相关4 6 3 2 4 与其他控制方法对比51 3 3下游入匝道系统控制研究5 4 3 3 1 控制方法的提出5 4 3 3 2 有无控制的对比分析5 5 3 3 3 与其他控制方法对比5 6 3 4 小结5 8 4 公交车站和出、入匝道组合交通瓶颈系统控制方法研究5 9 4 1 入匝道在公交车站上游、出匝道在公交车站下游系统( c a s ea ) 的 控制方法研究5 9 4 1 1 控制方法的提出5 9 4 1 2 阈值为固定值一6 0 4 1 3 阈值与主路进车概率相关6 8 4 1 4 与其他控制方法对比7 5 4 2入匝道在公交车站上游、出匝道在公交车站下游系统( c a s eb ) 控 制方法研究7 7 4 2 1 控制方法的提出7 7 4 2 2 有无控制的对比分析7 8 4 2 3 与其他控制方法对比7 9 4 3 小结8 1 5结论和展望8 3 5 1本文工作总结8 3 5 2不足与展望8 4 参考文献8 5 作者简历8 9 独创性声明9 1 学位论文数据集9 3 绪论 1 1 交通瓶颈问题的研究意义 1 绪论 交通运输系统是人类生活和社会经济活动的重要组成部分。在我国，随着城 市化和汽车化进程的不断推进，交通不但成为人们日常生活关注的焦点，而且是 关系到国计民生的重要因素。良好的交通运输系统是人们日常生活、企事业单位 等正常运转及国民经济发展的必不可少的条件。因此，在政府的高度重视和大力 支持下，交通运输基础设施得到了飞速的发展，交通运输设施技术水平有了质的 提升，交通基础设施网络规模和运输能力也有了很大增加。例如在2 0 0 8 年国务院 的4 万亿元规模的经济刺激计划中，近一半投资将用于加快铁路、公路和机场等 重大基础设施建设，可见政府高度重视交通运输系统的发展。近几年来，虽然我 国部分大城市的交通基础设施建设大大改善，然而，交通拥堵现象却时常可见， 交通事故频繁发生。这不仅妨碍了人们日常生活，造成了巨大的时间和能源的浪 费以及严重的环境污染，也会使国民经济发展受到制约，严重地影响了城市现代 化进程。即便在是在发达国家，交通问题仍然很严峻。可见，交通问题成为了引 发环境污染、制约世界经济发展的重要因素之一，亟待解决。 道路交通瓶颈是造成大多数交通拥堵的一个重要原因。所谓道路交通瓶颈是 指使道路的通行能力受到限制的设施或者路段，例如公交车站、入匝道、出匝道、 交叉口、收费站、环岛、坡道、隧道、转弯、高速公路限速区以及道路缩减等。 一方面，由于瓶颈处通行能力的限制会对交通流产生一定的负面作用：另一方面， 瓶颈处的一些不合理的交通管理措施也会阻碍交通的畅通。在这些地方，车流的 交织、汇合和分叉会造成不同流向的车流之间严重的相互干扰，导致交通拥堵、 降低道路通行能力。认清交通瓶颈处交通拥塞的根源对交通工程的规划、设计和 有效控制与管理都具有重要的工程价值。 生的现象和物理机理还未完全认识清楚。 意义和实践意义。 1 2 交通瓶颈问题的研究现状 然而至今人们还有许多交通瓶颈问题产 因此研究交通瓶颈现象具有重要的理论 交通瓶颈除了导致拥堵、降低道路通行能力之外，还是诱发诸多复杂交通现 象的直接或间接原因。近年来对于交通瓶颈的研究已非常广泛。不少学者和科研 1 2 1单个交通瓶颈问题的研究现状 高速公路限速区以 当道 单个交通瓶颈方面的研究主要包括入匝道、出匝道、交叉口、收费站和高速 公路限速区等。首先，对于入匝道的研究，很多学者对其进行了理论模拟。例如， k e r n e r 等人【l 】对入匝道引起的瓶颈效应进行了详细的观测，研究了入匝道引起的两 种交通拥挤模式：全面模式和同步流模式。l e e 等人【2 1 、h e l b i n g 等人【3 】以及b e r g 等人【4 】分别采用了连续模型、气动理论模型、车辆跟驰模型对入匝道交通进行模拟， 发现当主道和匝道上的流量发生变化时，瓶颈处将会产生三种不同的拥挤模式：1 ) 振荡且延伸的拥挤交通，2 ) 均匀且延伸的拥挤交通，和3 ) 均匀且不延伸的拥挤 交通。s i e b e l a 等人【5 】采用宏观交通流模型，运用一种新的耦合条件来处理不同的 路段之间的连接，这种新的耦合条件是将匝道上游路段进入匝道下游的流量比例 认为是和连接处上游主路和匝道的流量需求成比例的。研究发现入匝道上游会出 现同步流，而出匝道会出现较窄的宽运动堵塞。h e 等人【6 】在跟驰模型的基础上， 根据基本图下不同分枝所具有的不同驾驶模式，提出了驾驶员洞察模型，引入了 动态的驾驶转变方程来反映不同的驾驶模式，重现了实际中匝道附近的交通崩溃 与时空模式。d a v i s 7 】对自适应巡航控制的车辆与普通行驶的车辆构成的混合交通 流，采用车辆跟驰模型进行了仿真研究，分析了车辆由匝道进入主路时，a c c 系 统对道路交通流的影响。带有a c c 系统的车辆在到达入匝道附近的合流区域前自 动调整以达到安全距离，与普通车流相比，加入a c c 车辆可以提高主路的通行能 力及车辆的运行距离；全部为a c c 控制的车辆时，车流合并后只对主路下游的交 通流量有影响，而且流量与所设定的车头时距和限速有关。p e d a s e n 等【8 】提出了扩 展的n a s c h 模型，描述了驾驶员在匝道处对入匝道车辆的让行行为，并且得到了 与实测交通相符合的现象，描述了不同密度下密度波的生成和传播。j i a n g 等【9 】采 用元胞自动机交通流模型研究了入匝道系统。不同于之前的研究，他们既考虑入 匝道交通流对主道交通影响，也考虑主道交通流对入匝道交通的影响。进而，他 们还研究了随机慢化概率对相图的影响【l 们，以及入匝道系统的相变特征【1 1 】：当主 道的车辆和匝道的车辆在很长的道路连接区域相互作用时，自由流到拥堵流的相 变是一阶相变；而当主路与匝道相互作用的路段较短时，自由流到拥挤流的相变 2 绪论 为二阶相变。随后，j i a 等又研究了入匝道系统中，加速车道长度对交通行为和交 通流特性的影响【1 2 】，发现当禁止主路车辆向加速道换道时，加速道的存在会提高 系统的通行能力；当允许车辆从主路向加速道换道时，加速道的存在反而恶化了 系统的交通状况。此外，h u a n g b 】采用平均场的方法推导出了开边界条件下含有单 个入匝道系统的相图，结果得到三种类型的入匝道瓶颈：自由流下的局部瓶颈、 拥挤流下的严重瓶颈、高峰小时下的延长瓶颈，并且发现随着入匝道流量的增加， 交通主路上的交通状态逐步由局部瓶颈到严重瓶颈最后到延长瓶颈转变。 关于出匝道系统对交通流特性影响的文献相对较少。因为当出匝道的能力足 够大时，出匝道对对主路交通流的影响较小。n e w e l l 1 4 1 考虑了高速公路出匝道口 形成排队并在主道上右车道向上游传播的情况，给出了详细的几何解，发现当出 匝道上游有排队时，不出匝道车辆和出匝道车辆在出匝道口上游相互影响，而且 这两种类型的车辆的多少将会决定车辆延误的大小；进而以实际的交通现象进行 验证。m u n o z 等【l5 l 和c a s s i d y 等【1 6 1 基于交通实测数据，分别研究了饱和状态下出 匝道上游多车道交通的行为特征，和出匝道排队车辆对上游路段交通行为的影响； 他们均发现，出匝道附近的交通状况与车辆中的出车比例以及出匝道流量的饱和 状态密切相关：在出匝道达到饱和流量前，出匝道不会对主道车流产生明显的影 响；当出匝道达到饱和后，在出匝道上游就会发生堵塞。当设定出匝道的车辆仅 在最右面的车道排队时，由于出匝道车辆的减速换道，其实际影响了路段所有车 道的流量。他们还发现通行能力与排队长度成反比的关系，而当排队溢出出车道 时，主道则会保持较低的流量。j i a 掣1 。7 】基于元胞自动机模型，研究了主路上是否 有出车道对出匝道系统交通流的影响，结果表明，没有出车道时，相图区域被分 为两个部分：自由流和拥挤流，含有出车道时，相图区域则多出了一个新的区域 最大流量区域；同时，文章研究了出匝道附近的密度( 速度) 分布特征，以 及出车道长度的影响。 交叉口方面的研究主要集中在无信号的十字路口、t 型路口以及有信号的十字 路口等方面。如r u s k i n 等人u 剐采用了元胞自动机模型，通过对表征驾驶员不同驾 驶行为的参数再赋值，模拟出了无信号十字路口处驾驶行为的异质性，重现了城 市交通的许多特征。f o u l a d v a n d 等人【1 9 】采用了一种改进的元胞自动机模型，研究 了无信号十字路口附近两条街道上车辆的冲突行为，给出了基本图，发现在交叉 口附近的干扰可归结为交叉口处交通的动态不均匀性造成的。“等人【2 0 】则利用元 胞自动机模型研究了无信号控制的t 型路口，通过模拟分析了直行车辆与转向车 辆之间的相互作用，发现根据二者的比例来赋予转向车辆或直行车辆优先权可以 提高系统总流量。b r o c k f e l d 掣2 l 】建立了一种基于n a s c h 和b m l 的耦合模型，对 有信号控制的十字交叉路口进行建模。研究表明低密度交通状态下宜实行绿波控 3 北京交通大学硕士论文 制策略，高密度时则宜采取同步控制策略。s u n t 2 2 】使用二维b m l 模型研究了信号 灯周期的影响，发现在中等密度下系统存在自由流和阻塞流共存的现象。s a t o 等 人【2 3 】考虑了车辆速度以及前车或者后车的相对位置，来研究交叉口附近右转车辆 的行为，考虑以上两种因素有助于预测右转车辆开始减速的时刻，与实测数据误 差小。 此外，还有很多学者对环岛，收费站，道路缩减等问题做了研究。f o u l a d v a n d 等人【2 4 】利用c a 模型对车流在环岛处的运行特征进行了详细的探讨与研究，并与 交通信号控制的方式进行了对比。他们发现交通流量不大时，环岛起到了很好的 效果，环岛的总延迟时间明显低于交通灯控制的总延迟时间，而当车流量较大时， 交通灯控制下的总延迟时间更短一些，中间存在一个临界值两者效果一样。h u a n g 等人【2 5 】和j i a n g 等人【2 6 】研究了单车道高速公路收费站的作用及采用道路扩张后对 系统通行能力的影响，研究指出收费站表现为高速公路上的一类瓶颈，明显的降 低了道路的通行能力；道路扩张可以一定程度的提高系统能力。h u a n g 只考虑了慢 化概率为0 5 的情况，而j i a n g 在h u a n g 的基础上还研究了不同慢化概率下，道路 扩张段以及收费站在扩张段的位置对通行能力的影响。雷丽等人【2 7 】对高架桥交织 区交通流进行了模拟研究。j i a 等人【2 8 】研究了道路缩减对交通行为的影响，出现了 密度倒置的现象，并且发现在靠近道路变窄的特殊区域采取不同的换道规则可以 导致车辆密度在道路缩减上游的不同分布。z h u 等人【2 9 】提出了由于事故车辆道路 封锁的高速公路模型，模型中分别研究了采用对称换道和不对称换道规则的影响。 发现道路事故车辆不仅会影响后面的车辆，而且也会引起车辆聚集在旁道上。当 事故发生在右道时非对称换道更有益于减少局部堵塞；当事故发生在左道时对称 换道更优越些。 以上是对于多种单个交通瓶颈的交通流特性的研究，这使人们认识交通瓶颈 处的交通流状态的演化规律，在此基础上不少学者开始致力于对交通瓶颈控制方 法进行探讨，尤其是对于匝道瓶颈的控制研究比较多。h u a n g 3 0 1 研究了入匝道交通 流的波动引起的相变，同时分析了传统的入匝道交通流控制方法，其研究发现： 主路上自由流到拥堵流的相变在各种交通状态下都会发生。为了避免这种相变， 作者提出了一种新的匝道控制策略，即当路段上游或下游出现波动时，通过适当 控制关闭匝道的时间以避免拥堵的产生，结果表明，与传统的控制方法相比，这 种方法能够提高交通流量。d a v i s 3 1 】针对入匝道系统，研究了入匝道上游自由流向 同步流的相变，这种相变是由融合过程造成的，基于此提出了一个融合概率算法， 通过控制融合概率来阻止自由流向同步流的相变，从而保持最大交通流量。k e r n e r 等【3 2 3 3 】基于三相交通流理论，提出了基于拥堵模式反馈的入匝道控制方法；这种 控制方法能够使堵塞区域控制在匝道附近很小的范围内，而不会向上游传播。与 4 绪论 基于跟驰模型的对比研究表明，该控制方法有如下优点：1 ) 较高的通行能力，2 ) 匝道上车辆的等待时间较小，和3 ) 不会形成向上游传播的拥堵。l i 3 4 , 3 5 】分别研究 了限速措施，以及信号控制措施对入匝道系统的影响。结果表明，限速能够避免 匝道附近车辆速度的巨大波动，但却降低了通行能力；信号控制下，交通流更加 有序，且可以是流量保持最大的状态。c a r l s o n 等人【3 6 】提出了可变限速与匝道融合 相结合的主流交通流控制策略措施，可以提高流量，减少拥堵。s h e u 等人【3 7 蟓合 考虑动态收费和匝道控制，根据随机最优控制方法的原理提出整合的动态匝道收 费控制策略。这是一种新的高速公路拥堵动态管理策略，并且可以通过微观仿真 软件来模拟高速公路的交通拥挤情况。w u 【3 8 】提出了一种新的机会约束匝道融合策 略，主要是使用动态通行能力( 受实时的交通状况和设计通行能力影响) ，取代了 设计通行能力，并将这种机会约束思想应用到了传统融合算法中，可以使主路不 拥挤时有更多的匝道车辆进入主路，主路拥挤时匝道保持更大的流量，效率得到 很大提高。j i n 等人【3 9 提出了通过检测出匝道使用的占有率和地面街道车辆的性能 指标控制地面街道的信号灯，来改善快速路出匝道附近的交通状况，降低快速路 与地面街道车辆冲突的控制策略。此外，n a s s a b 等人【删对道路缩减的交通管理措 施做了探讨。在道路缩减上游一定区域内，道路变窄车道上的车辆禁止换道；在 接近缩减区域时，车辆才允许换入另一车道。这一策略可以使道路变窄车道上的 车辆尽快通过。 1 2 2组合交通瓶颈问题的研究现状 当道路上存在两个相距不远的交通瓶颈时，每个瓶颈不再独立地对交通流产 生影响，而是在相互干扰下共同发挥作用，就形成了组合交通瓶颈效应。近年来 不少学者开始对组合交通瓶颈的研究越来越关注，主要集中在入匝道和出匝道， 公交车站和交叉口，以及公交车站和匝道等构成组合交通瓶颈等方面。例如n a s s a b 等人【4 l 】采用v d r 模型研究了入匝道、出匝道之间的距离对交通流的影响，发现入 匝道在上游和出匝道在上游时，匝道间距离的变化对流量的影响相类似，但入匝 道在上游交通状况比出匝道在下游的情况差，并且发现当入匝道在上游的时候接 近最大流密度时，会出现大的宽运动堵塞和时走时停现象。c i a m a r r a 4 2 j 则基于扩展 的n a s c h 模型，分别研究了单车道和双车道条件下，多个入匝道不同的位置设置 对道路通行能力的影响。作者同时优化了多个匝道系统，探讨了对于每个入匝道 需怎样控制流量才能使主路上的流量最大。d a v i s 4 3 】基于三相交通流理论，研究了 双匝道系统的控制策略，提出了两种方案，一种是根据两种路径的平均旅行时间， 驾驶员来选择在上游匝道融合或是在下游匝道融合，一种是检测双匝道上游主路 5 北京交通大学硕士论文 的平均速度，来控制匝道的融合。第二种方案可以更有效地减少拥堵，提高系统 流量，降低匝道车辆的旅行时间。h u a n g t 4 4 4 5 】提出了一个带有匝道的单车道模型的 解析结论；作者同时考虑了入匝道和出匝道系统，推导出了精确的相图。通过解 析的方法，作者详细研究了入匝道和出匝道前后位置的不同对交通流状态和相变 的影响。当入匝道在出匝道前面时，两匝道之间的交通流饱和而达到最大时，就 会使道路上的拥堵更为严重。m h i r e c h 等【蛔采用数值模拟的方法，研究了入匝道和 出匝道的位置对交通流行为的影响。当出匝道位于入匝道的下游时，随着进出匝 道概率的变化，系统存在4 个不同的相区：1 ) 低密度相，2 ) 中等密度相，3 ) 平 稳流相( 此区域中密度和流量保持不变) ，和4 ) 高密度相；当出匝道位于入匝道 的上游时，不存在中等密度相。z h a o 等人【4 7 4 8 】研究了公交车站与有信号灯交叉口 组合影响下的道路通行能力降低问题，分别对公交车站在交叉口的上游、下游是 否增设公交停车道的情况，调整信号周期以及公交车站的位置进行了模拟来优化 通行能力。宋玉鲲【4 9 】基于一种双车道元胞自动机模型，对城市快速路上公交车站 与其附近匝道构成的组合交通瓶颈进行建模，对组合交通瓶颈的设置方式的优化 给出了建议。公交车站设置在入匝道上游可以提高道路通行能力，并提高道路利 用率；而将公交车站设置在出匝道的下游可以获得更高的通行能力。w o n g 等人o o l 对带信号灯控制的交叉口与其上游公交车站构成的组合交通瓶颈造成的交通延迟 问题进行了模拟，研究了信号灯交叉口与公交车站的距离、公交车比例、停站时 间、信号灯周期对延迟时间的影响。s h e u 5 i 】对匝道和匝道下游有事故车辆构成的 组合交通瓶颈系统进行了研究，提出了一种以时间变化成本最小的离散时间非线 性统计最优控制方法，并将这种控制方法应用到实时的事故车辆影响的局部匝道 控制上来，与现有的控制方法相比可以降低事故影响引起的排队长度，减小事故 影响范围。 以上研究表明：当道路上存在两个相距不远的交通瓶颈时，每个瓶颈不再独 立地对交通流产生影响，而是在相互干扰下共同发挥作用，就形成了组合交通瓶 颈效应。组合交通瓶颈在城市交通道路系统中是非常普遍的。例如，在交叉口的 上、下游常常设置公交车站；道路上存在相距不远的十字交叉口和t 型交叉口； 城市快速路上的公交车站的上、下游附近往往设置入口或出匝道。组合交通瓶颈 绝非仅限于两个不同瓶颈之间，对于两个相同类型的瓶颈甚至多个瓶颈来说，只 要相互之间产生了干扰，都可以作为组合交通瓶颈来研究。因此深入研究典型的 组合交通瓶颈现象，根据其交通拥挤和堵塞的演化机理提出合理的控制方法或改 善措旌同样具有重要的意义。 1 3 元胞自动机模型简介 6 绪论 交通流理论发展至今，涌现出大量的交通流理论模型【5 2 , 5 3 , 5 4 】。这些模型按照描 述尺度的不同可大致划分为三类，分别是宏观模型，如连续模型( c o n t i n u u mm o d e l ) ； 中观模型，如气体动理论模型( g a s k i n e t i cm o d e l ) ；以及微观模型，如车辆跟驰模型 ( c a rf o l l o w i n gm o d e l ) 和元胞自动机模型( c e l l u l a ra u t o m a t o nm o d e l ) 。这些模型为交通 瓶颈现象的研究提供了有力的工具，尤其是元胞自动机模型，由于其交通流元素 时间、空间和状态离散的特点，便于计算机仿真，所以很多学者用元胞自动机模 型来研究交通瓶颈问题。本节重点介绍论文中即将用到的元胞自动机模型。 元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t o n , c a ) 是定义在一个由具有离散、有限状态的元 胞组成的元胞空间上，并按照一定的局部规则，在离散的时间维度上演化的动力 学系纠5 2 】。元胞自动机理论在交通系统研究的应用始于2 0 世纪8 0 年代，进入9 0 年代后元胞自动机开始迅速发展。 最初赋予元胞自动机模型交通流意义的是由w o l f r a m 命名的18 4 号模型【5 5 1 。 在模型中，道路被划分为等距离的格子( 即元胞) 。在某一特定的时刻t ，元胞或 者是空的，或者被一辆车占据。由于1 8 4 号模型简单并且可以反映车流自由运动 和局部拥堵之间的转化，所以成为后来许多元胞自动机交通模型发展的基础。n a g e l 和s c h r e c k e n b e r g 在1 9 9 2 年提出了n a s c h 模型【矧，是最经典的一维道路元胞自动 机模型之一。在该模型中，时间、空间和速度都被整数离散化。令h 和翰分别表 示第刀辆车的速度和位置，车辆，l 从t 到t + l 时刻的更新步骤如下： ( 1 ) 加速：专m i n ( v , + 1 ，) ，对应于实际交通中驾驶者的加速愿望。为 车辆的最大速度。 ( 2 ) 减速：寸l i l i n ( ，屯) ，对应于驾驶者为避免与前车相撞而减速。以为第 刀辆车与其前车的间距。 ( 3 ) 随机慢化：以概率p ，专m a x ( v , 一l ，0 ) ，相当于由各种不确定因素造成 的车辆减速。 ( 4 ) 位置更新：= 无+ k ，表现为车辆按照调整后的速度向前行驶。 n a s c h 模型虽然形式十分简单，却可以描述一些实际的交通现象。后来提出的 许多元胞自动机模型都是基于n a s c h 模型改进而来，例如改进了加速规则的f i 模 型【5 7 1 、引入慢启动规则的c a 模型【5 8 , 5 9 】、考虑前车速度效应的v e 模型【删、舒适驾 驶模型【6 i 】、三相交通流模型【蚓以及加权概率元胞自动机模型【6 3 6 4 1 等等。 同其它模型相比，元胞自动机模型不仅能够重现交通流的非线性特征，而且 更易于计算机仿真，并且能够灵活地修改更新规则以适应各种不同的交通状况， 从而得到了广泛的应用和发展。 一 1 4 本文的工作 咎 7 北京交通大学硕士论文 公交车站、入匝道以及出匝道是城市交通系统中典型的瓶颈。城市快速路上公 交车站往往直接设置在道路一侧( 路侧式) ，并不设置专门的公交停车港，而在公 交车站的上游或下游往往有匝道入或出口。这三种类型的瓶颈相邻时，附近的车 流相互影响，使得交通流特性极为复杂，形成了组合交通瓶颈现象。基于此本文 采用元胞自动机模型对由公交车站和出、入匝道构成的组合交通瓶颈系统进行建 模与分析，并根据相互干扰原因提出控制措施，提高道路交通流量，或者减少车 辆间的冲突。全文共分为五章，各章基本内容如下： 第l 章为绪论。本章主要介绍交通瓶颈现象研究的背景和意义，以及单一瓶 颈和组合交通瓶颈相关研究现状，介绍研究交通瓶颈研究中所采用的交通流模型， 重点介绍了元胞自动机模型。 第2 章为公交车站和出、入匝道组合交通瓶颈系统的建模与特性分析。本章 使用元胞自动机模型对公交车站和出、入匝道三种交通瓶颈组成的道路系统进行 建模和模拟，分析三种瓶颈相互影响的机理。分别对两种情况进行建模和模拟， 即入( 出) 匝道在公交车站的上( 下) 游( c a s e a ) 和出( 入) 匝道在公交车站的上 ( 下) 游( c a s eb ) 的情况。通过模拟分析了这两种情况系统流量特性，探讨