（系统工程专业论文）基于微观仿真技术的城市快速路车流波影响因素分析.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：本论文主要采用微观交通仿真软件对车流波现象相关问题进行了研究。车 流波的形成导致交通流出现排队、紊乱，甚至交通拥堵，不仅影响城市快速路上 游交通流的正常运行，形成移动式交通瓶颈，降低所在路段的道路通行能力；并 且其也是城市快速路上造成车辆追尾等交通事故的主要诱因。另外在车流波的传 播与消散过程中，车辆频繁地加减速，导致油耗增加，对周围环境的污染加剧。 城市快速路车流波现象的研究刚刚处于起步阶段，相关理论研究还很缺乏，由于 车流波的传播特性，很难采集到完整的交通数据，所以结合微观交通仿真技术对 车流波现象进行分析成为了一个不错的选择。 本文对车流波现象的相关状态在微观仿真中的进行了界定，并在此基础上对 车流波进行了过程分析，提出了车流波从产生、传播及消散过程中可能出现的五 种状态，发现了一些之前研究中未发现的规律。在此基础上进行了相关参数对车 流波的影响分析，得到了车流波在不同的情况下的表现，明确了各影响因素可能 对车流波带来的影响。在分析已有微观跟驰模型的基础上，针对实际车流波情况 及仿真分析结果，提出了基于多车道影响的微观跟驰模型，利用实际采集的交通 数据进行参数拟合和验证，发现其能够有效的描述车流波状况下车辆跟驰状况。 关键词：车流波；微观交通仿真；城市快速路；传播和消散机理 分类号：u 4 9 1 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i sp a p e rm a i n l yu s e sm i c r o s c o p i ct r a f f i cs i m u l a t i o ns o f t w a r et os t u d y t h es h o c k w a v e s h o c k w a v ew i l lc a u s eq u e u i n g ，d i s o r d e ra n dc v e r lt r a f f i cj a m s i tn o t o n l ya f f e c t su r b a ne x p r e s s w a yu p r i v e r 倘cf l o w , f o r mam o b i l et r a f f i cb o t t l e n e c k s d e c r e a s et h ec a p a c i t yo ft h er o a ds e c t i o n s ；b u ta l s oi st h ei n d u c e m e n tf o rt h et r a f f i c a c c i d e n t so nt h eu r b a ne x p r e s s w a y i nt h ep r o p a g a t i o na n dd i s s i p a t i o np r o c e s so ft h e s h o c k w a v e s ，t h ef r e c l u e n ta c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o no fv e h i c l e sc a u s ei n c r e a s e df u e l c o n s u m p t i o na n de x a c e r b a t e dp o l l u t i o no ft h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t t h es t u d yo f t h eu r b a ne x p r e s s w a ys h o c k w a v e si sj u s ta tt h ei n i t i a ls t a g e 1 1 1 es t u d yo nt h e p h e n o m e n o no fs h o c k w a v e si ss c a r c e b e c a u s eo ft h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s h o c k w a v e s ，i ti sd i f f i c u l tt oc o l l e c tac o m p l e t ed a t a s ou s i n gt h em i c r o s c o p i ct r a f f i c s i m u l a t i o ns o r w a r e0 1 1t h es h o c k w a v e sr e s e a r c hb e c o m eag o o dc h o i c e i nt h i sp a p e r , w ed e 丘n e dt h ed i f f e r e n ts i t u a t i o no ft h es h o c k w a v e si nm i c r o s c o p i c 嘣c s i m u l a t i o n a n a l y s e dt h ep r o c e s so f t h ef o r m a t i o n p r o p a g a t i o na n dd i s s i p a t i o no f s h o c k w a v e s p r e s e n t e di t sf i v es t a t em a ya r i s e , d i s c o v e r e ds o m er u l e sn e v e rb e e nf o u n d t h e nw ea n a l y s e dt h ei m p a c to f r e l a t e dp a r a m e t e r s ，b yc o m p a r i n gt h er e s u l t s ，w ef o u n d t h ec l e a ri m p a c tr e l a t i o n s h i p b a s e do nt h ea n a l y s i n go fe x i s t i n gc a r - f o l l o w i n gm o d e l s a n dt h er e s e a r c h e so fa c t u a la n ds i m u l a t e ds h o c k w a v e s ，w eg a v et h ec a r - f o l l o w i n g m o d e l sm u c hm o r es u i tt h es h o c k w a v ec o n d i t i o n s k e y w o r d s ：s h o c k w a v e ；m i c r o s c o p i ct r a f 五cs i m u l a t i o n ；u r b a ne x p r e s s w a y ； m e c h a n i s m so f s h o c k w a v ep r o p a g a t i o na n dd i s s i p a t i o n c l a s s n o ：i7 4 9 l 北京交通大学硕士学位论文 图目录 图目录 图2 - i 车流波示意图5 图2 - 2 车流波的传播与车辆的行进5 图2 3 车流波发生时交通特性图。6 图2 - 4 车流波简图6 图2 - 5 微观角度车流波传播过程9 图2 6 车流波传播速度计算微观示意图9 图2 7 三相交通流理论基本经验图1 1 图2 - 8 三相交通流理论基本假设1 2 图3 - 1 微观跟车模型模拟结果与实测数据的比较1 5 图3 - 2 车流波传播图 图4 - 1 车流波的消散过程2 1 图4 - 2 车流波波面的传播 图4 - 3 车流波产生阶段视图 图4 - 4 车流波传播阶段视图 图4 - 5 车流波波面传播图 图4 - 6 密集波车辆数变化图2 9 图4 7 密集波长度变化图2 9 图5 - 1 车流波波面传播图3 4 图5 - 2 密集波车辆数变化图3 5 图5 - 3 密集波长度变化图3 5 图5 - 4 车流波速度与车辆速度关系图3 6 图5 5 密集波最大长度、最大车辆数与车辆速度关系图3 7 图5 - 6 车流波持续时间与车辆速度关系图3 7 图5 - 7 车流波速度与流量关系图3 9 图5 8 密集波最大长度、最大车辆数与流量关系图3 9 图5 - 9 车流波持续时间与车辆速度关系图4 0 图5 1 0 车流波速度与大车比例关系图4 2 图5 _ l l 密集波最大长度、最大车辆数与流量关系图一4 2 图5 - 1 2 车流波持续时间与车辆速度关系图4 3 北京交通大学硕士学位论文 图目录 图6 - 1 事件发生时交通三参数关系图4 6 图6 - 2 事件发生时交通三参数关系示意图4 8 图6 - 3 事件发生时速度一密度关系示意图。4 8 图6 - 4 车流波的视频5 0 图6 - 5 第三辆车、第四辆车实际数据和模拟数据加速度一时间曲线图。5 1 北京交通大学硕士学位论文表目录 表目录 表2 一l 停车波速度分布1 0 表4 - 1 仿真生成数据2 2 表4 - 27 8 5 时刻的仿真生成数据2 2 表4 - 3 车流波全过程统计信息表2 5 表4 - 4 各阶段传播速度2 9 表4 - 5 车流波五阶段表3 0 表5 - 1 不同速度参数下车流波现象指标比较3 5 表5 - 2 不同流量参数下车流波现象指标比较3 8 表5 - 3 不同车型比例下车流波现象指标比较4 l 表6 - 1 视频图像处理软件生成车辆数据5 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；f 兹 j 签字日期：口7 年口月厂d 日 导师签名： 轴 签字日期：一7 年p 月户日 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：专i j 7 欧 签字日期： 力年月几日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴建平教授的悉心指导下完成的，吴建平教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 吴建平老师对我的关心和指导。 吴建平教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向吴建平老师表示衷心的谢意。 吴建平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。 在实验室工作及撰写论文期间，安明颖、袁月明、张鲁胜、黄玲等同学对我 论文中的相关研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，尤其是我的父母，他们的关怀和鼓励给了我动力，他 们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 引言 1 引言 1 1 论文选题背景 城市快速路系统是为车速高、行程长的汽车交通连续通行设置的重要交通干 路。它以大容量、高速度的交通功能，满足日益增长的城市交通需求，保证城市 的可持续发展。世界上很多著名的大都市【l 】，如美国的纽约、洛杉矶、芝加哥、底 特律，英国的伦敦，日本的东京、大阪，俄国的莫斯科，法国的巴黎，德国的慕 尼黑等城市，在城区内均设有快速干道系统，其对内联系城区干道及主要交通枢 纽，对外与高速公路衔接，成为城市的交通命脉。 近年来，我国也有许多大城市根据城市发展的需要陆续投资修建快速路，一 些城市的快速路系统已经初具规模，如北京市早已建成通车的二、三、四、五环 快速路以及正在建设的六环快速路，上海市的内环线高架路、南北高架路、延安 路高架路、沪阂路高架路、逸仙路高架路以及广州市内环及外环快速路。这些快 速路的建成有效地疏缓了中心城区的交通压力，提高了运输效率，保证了交通的 畅通与安全，并对提高城市土地使用价值及促进城市发展起了十分重要的作用。 随着我国经济的发展，城市功能逐渐完善，城市的建设规模不断扩大，我国 城市特别是大城市的交通压力也越来越大。作为城市路网系统中的骨干性道路， 城市快速路在解决城市交通压力方面发挥着重要的作用。城市快速路作为满足快 速交通安全行驶、控制出入、连续通行的汽车专用道路，其畅通程度及安全程度 对城市整体交通的顺畅运行具有很大的影响作用。同时，快速路由于其自身特点 也成为了交通事故发生的主要地点之一。2 0 0 4 全年全国共发生道路交通事故 5 6 7 7 5 3 起，造成9 9 2 1 7 人死亡、4 5 1 8 1 0 人受伤，直接财产损失2 7 7 亿元，这中间 有相当一部分就是发生在城市快速路上面。然而国内对于城市快速路交通流理论 的研究却一直处于滞后的状态，随着全国快速路系统建设的加速，城市快速路上 存在的问题将越来越严重的影响城市快速路的顺畅乃至整个城市交通的畅通。 随着现代化交通管理时代的来临，智能交通技术成为了有效的交通管理手段。 而利用智能交通技术便捷有效的实时管理交通是以能够准确描述相应的交通状况 的交通流理论作为理论支撑的。国内对于城市快速路车流波现象的交通流理论研 究刚刚处于起步阶段，还有大量的工作需要做。另外，城市快速路交通流控制方 面的研究也是随着近年来智能交通技术的发展而开始的，原有的诸多管理控制措 施不能够适应智能交通背景下实时交通控制的需要。提高交通安全、减少交通拥 北京交通大学硕士学位论文引言 挤和行车延误是快速路路管理和控制系统的主要任务，车流波的影响因素分析可 以帮助提出更有效的车流波预防及控制方法，将车流波造成的危害降到最低。本 论文关于城市快速路车流波影响因素分析的相关研究就是在这样的背景下进行 的。 1 2 论文选题意义 拥挤的城市快速路交通流可以看作一种特殊的连续流体，显现出与流体相类 似的特性。而车流波是城市快速路交通流的一种特殊情况，当上游高速行驶的车 辆遇到下游车流中的低速行驶的车辆时，驾驶员基于安全角度出发必须减速保持 与其相同的行驶速度，后续到达的车辆也随之刹车减速，从而导致车流波发生。 车流波的形成导致交通流出现排队、紊乱，甚至交通拥堵的情况，不仅影响 城市快速路上游交通流的正常运行，形成移动式交通瓶颈，降低所在路段的道路 通行能力；并且也是造成城市快速路上车辆追尾等交通事故的主要诱因。另一方 面，在车流波的传播与消散过程中，车辆频繁地加减速，单位公里油耗显著增加 ( 燃油量平均比匀速行驶过程中增加5 1 5 ) ，伴随车辆的低速行驶及油耗的明显 增加，必然导致有害气体排放量的显著增加，加剧对周围环境的污染，车辆频繁 的起停在一定程度上也会增加对道路和车辆的损耗。因此，对车流波进行深入细 致地研究不仅有助于确保城市快速路的安全通畅，提高道路通行能力，而且可以 有效地减少车流波导致的一系列负面效应。 国外关于车流波的研究开始较早，通常利用交通工程方法研究高速公路、城 市快速路车流波的形成、传播和消散机理，同时也有关于对车流波进行信号控制 的研究。但这些研究由于基础数据采集方法的限制，基本处于宏观研究的层次。 近年来，随着交通微观行为研究方法和模型的发展，国外也从不同的侧面对车流 波的行为进行微观研究，同时，利用高速公路城市快速路交通流微观模拟模型来 模拟分析车流波的形成、传播和消散机理。目前关于车流波的传播机理及对其预 防及控制方面，国内的研究还比较少，只停留在利用物理力学模型对高速公路交 通流进行宏观模拟，模拟高速公路的交通事故引起的车流波的传播以及所引起的 冲击波对排队消散的影响，对参与车流波的微观车辆数据的采集、分析、处理及 对车流波现象的评价及控制方面等相关研究还远远不够。 通过长时间大量的视频数据采集及分析，发现目前的车流波数据采集方式不 能够采集到车流波产生、传播及消散的整个过程。车流波是一个连续的车流运动 进程，它整个过程的时间不定长，所波及的范围也会随着道路交通的具体情况有 很大的变化，所以我们很难观测到一个完整的车流波数据，对车流波的分析研究 2 北京交通大学硕士学位论文引言 也因此受到阻碍，利用实际采集数据不足以实现对车流波现象的微观研究。而利 用道路中车辆的跟车规律模拟车流波，可以从理论上更加全面和清晰的了解车流 波的产生、传播和消散的过程，更准确的分析出车流波的发展变化规律。本论文 拟通过实地采集城市快速路车流波数据与交通仿真数据相结合，分析车流波产生、 传播及消散的整个过程，并对车流波的传播、消散机理及相关影响因素进行研究， 建立理论模型，为深入研究车流波奠定理论基础。通过对车流波进行研究，增加 人们对于车流波现象的理解，预防车流波的发生，减少由于车流波而引起的排队， 缩短延误时间，提高道路的通行能力：减少汽车尾气对于空气的污染；同时也减 少由车流波带来的直接或间接的巨大经济损失。 1 3主要研究内容 本论文以所参加的国家自然基金项目高速公路城市快速路车流波形成机理 分析为基础，总结了国内外关于车流波理论的相关研究，在获得大量准确的实 际车流数据的基础上，建立车流波的评价指标体系，结合微观交通仿真得到的数 据，深入分析车流波传播、消散的整个过程，并对车流波的传播机理，影响因素 进行研究，根据相关研究结论建立了适合车流波状况的车辆微观跟驰模型。 本论文的研究内容主要包括以下几部分： ( 1 ) 资料文献收集整理：对国内外车流波的相关研究成果进行广泛的检索和深入 的文献阅读整理。由于车流波相关研究方向众多，研究方法各异，通过文献的阅 读将其归纳整理，在这个过程中对车流波现象的理解逐渐加深，为车流波的过程 及现象分析打下坚实的基础。 ( 2 ) 对用来进行车流波研究的微观交通仿真软件进行介绍，建立相关的车流波仿 真方案，对仿真方案进行应用分析，建立基于微观交通仿真的车流波评价体系。 ( 3 ) 定义了车流波现象中一些状态在微观交通仿真中的界定标准。描述了仿真生 成车流波数据的分析及处理的过程，对车流波现象进行了过程分析，明确地提出 了车流波现象存在的五个阶段及其演变过程，发现了很多在原有研究中未观察到 的规律，分析了车流波各阶段的相互影响关系及对车流波传播消散的影响。 ( 4 ) 在不同交通参数下对车流波现象进行仿真，研究了各种参数变化对车流波造 成的影响，为更好的了解车流波的变化情况及提出车流波预防及控制措施奠定了 理论基础。 ( 5 ) 在充分分析当前能够准确描述车流波现象的微观跟驰模型的基础上，通过交 通参数敏感性分析及对车流波的深刻理解，建立了基于多车道车辆相对速度影响 的微观跟驰模型，并利用数据对模型进行参数校准、检验和结果分析，证明其能 北京交通大学硕士学位论文 引言 够准确描述车流波状态下的交通流。 ( 6 ) 最后提出了本论文相关研究结果及不足，提出了完善相关研究的方法，为进 一步研究指明方向。 4 北京交通大学硕士学位论文文献综述 2 文献综述 2 1 车流波概述 2 1 1 车流波状态分析 车流波理论是把车流密度的变化比拟成水波的起伏，当车流因道路或交通状 况的改变而引起密度的变化时，就在车流中形成一个移动的波面，形成车流波的 传播【2 】，如图2 - 1 。 圃固固固固固固 图2 一l 车流波示惹图 f i g 2 1s h o c k - w a v es k e t c hm a p 如图2 - 2 中，a 至d 的变换过程大致描述了事件消除后车流波向后传播的交 通流状态变化情况。用各个车辆的动态运行情况可以对此予以形象的阐述，随着 最前端低速车辆开始加速驶离密集部分，随后的b 至d 图形中，其后的车辆将顺 序启动并正常运行，导致了波面随着车辆的启动而传播。但由于排队车辆的后方 不断有新的车辆逼近，并进入到排队等待状态，随着时间的推移，排队车流的空 间位置逐渐后移，形成了a 至d 所示的由各单个车辆运行状态变化诱发的车流波 的传播。 a b c d 图2 2 车流波的传播与车辆的行进 。 。 f i g 2 - 2s h o c k w a v e sp r o p a g a t i o na n dv e h i c l e s t r a v e l 一些研究对于车流波发生时密度、速度及流量的变化进行研究，在最基本的 情况下我们可以得到在交通事件发生导致车流波现象时的交通特性图列如下图 2 3 。 北京交通大学硕士学位论文 文献综述 o x 图2 - 3 车流波发生时交通特性图 f i g 2 - 3s h o c k w a v e st r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c sm a p 如图2 3 所示，在一个交通事件的地点附近分出四个区域。区域l ( 上游) 和区 域4 ( 下游) 表示交通流不受事件的影响，保持正常情况。交通事件区域由区域2 和 区域3 组成，区域2 和区域3 分别表示交通事件发生时的上游和下游。区域2 为 紧靠事件的上游，它的交通流变得拥挤，速度低于正常值而密度高于正常值。区 域3 为紧靠事件的下游，事件发生地点相当于瓶颈，此时的它的交通量等于瓶颈 处的通行能力，交通流将变得疏散，速度将增加到高于正常值，密度低于正常值。 若没有对事件进行处理，随着时间的推移，区域1 和区域2 之间的分界线向上游 移动，而区域3 和区域4 之间的分界线向下游移动，造成车流波的传播。 假设沿着一条笔直的公路上有两种不同的交通流密度k l 和疋运行( 如图2 4 ) 。 用移动线s 分割这两种密度，占的速度为“。，如果路线按照所画的箭头方向运行， 速度为正。 l - 一 气i 码s屹i 1 图2 4 车沉波简图 f i g 2 - 4m o v e m e n to f s h o c k w a v ed u e t ot h ec h a n g eo f d e n s i t i e s 在a 区，速度为砘，相对于移动线s 的速度为= ( u l 一) ，在时间f 内穿越移 动线s 的车辆数为m = 即；同理，在b 区，速度为“：，相对于移动线s 的速度 为= ( “：一) ，在时间f 内穿越移动线s 的车辆数2 = 印。由车辆数守恒，即 l = ，( “。一。) k l = ( ”：一“。) 屯， 于是我们得： u 2 k 2 一焉= “，( 岛一毛) 6 北京交通大学硕士学位论文文献综述 用q l 和g ：分别表示a 区和b 区的车流流量，吼- - k , u 。、窖2 = 也“：，得到车流波 的传播速度公式t 4 s j 酊。 = 学 ( 2 1 ) “2 一 在车流中传播的车流波有两种基本类型：一为排队波，即波阵面过后，车流 密度变大，车辆获得了一个与波的传播方向相同的附加速度。波传过后，密度的 增加是一个微小量时为连续波，反之为间断波。二为消散波，即波阵面过后，车 流密度变小，车辆获得了一个与波的传播方囱相反的附加速度。消散波都是连续 波。 1 一般讨论 由式( 2 1 ) 分析得到以下四种情况【7 】： ( 1 ) 如 丘且吼 q l 此时传播的波为排队波，由于 0 ，其传播方向由后向前。波传过后，车队 中的车辆获得了一个与原行驶方向相同的附加速度。这相当于以较大的间距行驶 的车队，后车催促前车依次不断加速逐步缩小问距的情况在实际的交通流中并 不常见。 ( 2 ) 岛 毛且9 2 q l 此时传播的波也是排队波，但由于“ 0 ，其传播方向自前向后。波传过后， 车队中的车辆获得了一个与原行驶方向相反的附加速度( 与波传播方向相同) 。这 相当于车队中的头车减速或刹车，跟随车辆依次采取同样的行为的状况。在实际 的交通流中很常见。 ( 3 ) k 2 g 。 此时传播的波为消散播，由于 o ，其传播方向自前向后。波传过后车队 中的车辆获得了一个与波的传播方向相反的附加速度。这相当于缓慢行驶的车队 逐渐启动的情况，在实际交通流中很常见。 ( 4 ) 屯 且9 2 0 ，其传播方向自后向前。波传过后，车队 中的车辆获得了一个与原行驶方向相反( 与波的传播方向也相反) 的附加速度。这相 当于以一个较小间距行驶的车队，从队尾起各车辆依次减速，逐渐拉大距离的情 况。在实际交通流中并不常见。 北京交通大学硕士学位论文文献综述 2 1 2 车流波传播速度理论分析 根据格林希尔的速度一密度线性关系，即“= u ，( 1 一岛1 ) ，式中“为车速 ( 1 l 以) ：叶为自由流车速( 劬) ；岛为密度( v e h m ) ；巧为堵塞密度( v e h m ) 引入标准化密度叩，贝l j u - - 叶( 1 一，7 ) ，r = - _ 7 ，将其代入( 2 - 1 ) ，得到车流波传播速度 公式为： = 叶 1 一“+ 仉) ( 2 2 ) 下面我们分别针对不同的交通流状态推导出不同的车流波波速公式： 在信号交叉口信号灯由绿灯变为红灯时，产生车辆停车，导致停车波现象发 生，在绿灯阶段车流密度为向，标准化密度为哺，在红灯阶段车流标准化密度变为 1 ，所以停车波的波速公式为： “。- - - - u f 1 - - ( r i + 1 ) = 吁吼 ( 2 3 ) 由上式知，停车波以一u f r l 的速度向上游传播，如果此信号灯交叉口处的红灯 时间为f 秒，那么在红灯阶段排队的车辆数为u z r l 。t 。 当信号交叉口处信号灯由红灯变为绿灯时，引起车辆消散，产生启动波，在 红灯阶段车流标准化密度为l ，绿灯阶段车流标准化密度变为叩2 ，所以启动波波速 公式为： “。- - u 1 一( 1 + r ：) = - u f l h ( 2 4 ) 式( 2 一1 ) 的计算方法属于宏观层次，需要明确前后相邻的两个密度区域的密度， 但是对于流动的交通流数据很难准确地判断车流波波阵面s ，因此很难准确并且简 易地计算出车流波的传播速度。袁月明吲等给出了从微观角度计算车流波的传播速 度的方法。 北京交通大学硕士学位论文文献综述 图2 - 5 微观角度车流波传播过程 f i g 2 - 5n e w e l l sw a v ep r o p a g a t i o nm o d e l 根据波的传播过程，在单位时间内波密或波疏向前移动的距离等于波速。对 于车流波而言，通过分析波阵面s 从前车传播至后车的过程，得出车流波传播速 度。这里，简单地认为车辆开始恒定地减速时，即车辆处于f 时刻时就是波阵面s 传播到来的时刻，所以车流波由第f 辆车到第i + 1 辆车的传播速度为： k ) l = 糌 ( 2 - 5 ) 其中：“l 和( f 2 ) 。为第f 位和第f + 1 位驾驶员的乞时刻；l ( f 2 ) ，和卜化) ，+ 为 第f 辆车和第f + 1 辆车在f 2 时刻的位置；( l 车流波由第f 辆车传播至第f + l 辆车 的微观速度。 那么平均传播速度为： 瓦= 吉( ) i 图2 6 车流波传播速度计算微观示意图 f i g 2 6m i c r o s c o p i cs h o c k w a v ep r o p a g a t i o ns p e e d 9 ( 2 - 6 ) 北京交通大学硕士学位论文文献综述 2 1 3 车流波实测传播速度 一些研究人员基于高速公路铺设的感应线圈获得的交通流数据，借助交通流 流量曲线、谱分析和互相关分析等技术，通过实验法研究车流波的传播速度。 其中，w i n d o v c r g l ，e ta l ( 2 0 0 1 ) 通过分析一处几何瓶颈地段上游2 公里路段的 交通流研究车流波的传播速度。通过分析拥挤时段连续5 个感应线圈的交通流量 曲线，发现车流波的传播速度基本上保持不变，大约在1 7 2 0 公里，j 、时。m a u c h & c a s s i d y ”1 ( 2 0 0 2 ) 同样通过实验数据发现车流波的传播速度基本上保持不变，约为 2 2 2 4 公里，j 、时。m u n o z “】& d a g a n z o ( 2 0 0 1 ) 应用互相关分析方法得出车流波的传 播速度约为1 9 4 公里，j 、时。w a n g 1 2 1e ta l ( 2 0 0 4 ) 应用谱分析方法计算拥挤交通流状 态下车流波的传播速度大概为1 5 2 0 公里d , 时。 而中国科技大学的姜锐博士【”】却指出k o n s p e 等测得的数据似乎与k e m e r 的 观测有矛盾。在k o n s p e 的实测数据【1 4 】中，宽运动堵塞出流流量为2 2 0 0 v e h h , m 流 速度约为1 0 0 1 a n h ，这样可以算出出流密度约为2 2 v e h k m ，相当于出流占有率1 0 ， 因此k 为2 2 0 v e h k m 。这样，宽运动堵塞传播速度可算得 c = ( 2 2 0 0 0 ) ( 2 2 2 2 0 ) = 一1 1 1 k r n h 。而i ( e m 一1 5 】等人的交通实测值为1 5 k n g h 。 复旦大学的吴正【1 6 1 2 0 0 2 年在上海市采集到的3 0 0 组停车波的传播速度如表2 1 。 其中最大停车波波速为2 0 7 k m h 。 表2 - 1 停车波速度分布 t a b 2 1t h ed i s t r i b u t i o no f p a t k i n gw a v e sp r o p a g a t i o ns p e e d 分组波速范围( m m i n )平均波速( m m i n )平均流量( v e h m i n ) 1 2 93 4 4 9 9 l4 1 7 2 2 三相交通流理论 流量一密度( q k ) 曲线被称为交通流研究中的基本图，用于表明流量随密度 的变化情况。当道路上没有车，即k = o 时，q = o ；当道路严重拥堵，k = k 。， o 北京交通大学硕士学位论文文献综述 q = 0 。在这两个密度极值之间，存在一个密度值使流量达到最大。早期的理论研 究中将q k 曲线简化成为二次抛物线，或分段曲线【1 7 】。而近期的实验数据表明， 在密度较低的条件下，能够找到一个q k 函数【博】，函数的具体形式与外部条件有 关；而当密度较高时，数据点非常分散，几乎无法找到一个q k 函数。 1 9 9 6 2 0 0 0 年间，k e m e r 在经验分析的基础上，引入了“同步流”的概念及相 应的三相交通流理论，认为交通流包括自由流与拥挤流两种状态，后者又可分为 同步流和堵塞流【9 1 。自由流状态车速高，密度低时流量随密度呈线性增长，密度 稍高函数形式复杂一些，可能是因为此时车辆之间的相互影响增大。同步流是一 种非间断流状态，此时多车道道路的不同车道上的车辆和同一车道上的车辆之间 的速度相同或差别很小。堵塞流则是车辆产生排队，且速度接近于零，只有队首 的车辆可以加速，以一定的速度离开，这种集结与消散的现象向上游传播。上述 三种交通状态中，自由流和同步流可以由实测数据来进行曲线拟合或分析。自由 流状态车速高，流量随密度呈线性或抛物线增长；而同步流状态在密度一流量图 上对应一个平面区域，即一个密度值对应着一个流量范围( 见图2 - 8 1 2 0 1 ) 。这两个状 态的密度值有一部分重叠，即在一定的中等密度值，交通流可能处于自由流状态， 也可能处于同步流状态。在同步流对应的密度范围内，即使密度保持不变，外部 扰动也会引起流量的突然变化。 p “d d c l 钳k m ) 图2 - 7 三相交通流理论基本经验图 f i g 2 - 7e m p i r i c a lf u n d a m e n t a ld i a g r a mo f t h r e e - p h a s e 臼墒ct h e o r y 姗蓦|珊姗咖舢瑚。 l；oe口一目gai 姗姗删姗脚舢姗。 芒，05互。搴8童= 北京交通大学硕士学位论文 文献综述 n o f r a t e q ( t r y ) q i z ( 1 m ) q m 图2 - 8 三相交通流理论基本假设 f i g 2 8t h ef u n d a m e n t a lh y p o t h e s e so f t h r e e - p h a s et m 伍ct h e o r y 2 3 交通微观仿真系统 交通仿真系统就是要通过系统仿真技术来研究交通行为，对车辆运动随时空 变化进行跟踪，得到交通流状态变量随时间与空间的变化、分布规律及其与交通 控制变量问的关系，在交通系统及其各组成部分的分析和评价中发挥作用。 交通系统仿真的实质是交通系统的随机性实验，其目的是对现有系统再现或 对未来系统行为的预先把握。通过建立交通仿真模型并与其他交通分析技术，如 需求分析、通行能力分析、交通流模型、排队理论等结合在一起，可用来对多种 因素相互作用的交通设施或交通系统的运行情况进行预测、分析及评估。 相对于实际交通，交通仿真存在以下优势： ( 1 ) 不需要构建真实交通，在进行交通研究时更加经济、方便； ( 2 ) 模拟尚不存在、规划中的交通现象； ( 3 ) 对到达、离去不符合数学分布的复杂交通现象进行仿真； ( 4 ) 协助现有交通分析中的变量关系和相互作用的研究； ( 5 ) 相同条件下多次仿真，对不同规划设计公正比选； ( 6 ) 改变时空交通要求或运行条件，预测交通； ( 7 ) 对危险、带来灾难性后果的交通事件进行仿真，获得预测结果等。 国外对交通仿真软件的研制与开发上世纪6 0 年代即己开始，由早先针对某些 特定研究用途的宏观仿真模型软件，发展到多用途、集成化的仿真体系。典型代 表有：用于交通信号参数优化的宏观交通流仿真软件t r a n s y t ( 英国) 、用于交通 控制管理、交通设计方案优化及交通工程相关领域的交通微观仿真模型 n e t s i m ( 美国) 、用于规划分析的交通g i s 软件t r a n s c a d ( 美国) 。由美国联邦公路 署( f h w a ) 开发，综合了用于城市的n e t s i m 和用于高速公路的f r e s i m 两个微观 北京交通大学硕士学位论文 文献综述 仿真模型c o r s i m 。德国p t v 公司出品的广泛应用于微观交通仿真的v i s s i m t 2 】 等等。 与国外相比，我国的交通仿真研究水平相对落后，特别是由于我国交通情况 的复杂性、机非混行等问题的存在，研究任务更加艰巨。目前，交通仿真系统开 发研究仍主要集中在高等学校和科研单位，如：同济大学、东南大学、交通部公 路科学研究所等，研究成果包括：东南大学王炜关于道路交通系统规划与管理模 拟系统设计，同济大学杨佩昆、段进宇关于高速道路入口匝道交通仿真等。 而交通微观仿真系统能够产生大量有助于交通研究的仿真交通信息。标定微 观仿真模型及其参数后，通过模拟试验可生成大量接近实际的模拟数据，对实测 数据进行合理拓展，填补实测数据的空缺部分。重复多次随机试验，获得相同道 路、交通条件下随机状态统计信息，减轻实际交通中研究和数据采集工作强度。 通过系统仿真，能够得到对应于实际交通信息的模拟数据。如：车辆的延迟时间、 停车次数、尾气排放等性能指标及其分布，便于分析交通控制条件、道路条件改 变对交通流各种指标的影响。 北京交通大学硕士学位论文车流波仿真方案的设计 3 车流波仿真方案的设计 3 1f l o w s i m 仿真平台 3 1 1f l o w s i m 仿真平台介绍 f l o w s i m l 2 2 ( f u z z yl o g i eb a s e dr o a dw a y t r a f f i cs i m u l a t i o nm o d e l ) ，即基于模 糊数学的微观仿真模型，是基于中国混合交通流的微观仿真系统核心模型。该模 型源于英国南安普顿大学交通研究中心。它利用模糊数学理论建立了能体现各种 驾驶员固有驾驶行为的跟车模型、车道变换模型和并道模型。在f l o w s 中， 相关模型的模糊数学计算由模糊推理逻辑运算实现。f l o w s i m 在英国等欧洲国家 进行了大量的模型检验自2 0 0 0 年起，在中国的几个大城市针对中国特有的自行 车、行人等复杂的交通行为，进行了大量的数据采集和模型校验工作，加入了中 国混合交通流的机动车跟车模型、自行车的骑行模型和行人的穿插行为等模型， 使其更加适合中国人的驾驶行为，成为一个能够适应中国现状的微观交通仿真平 台。 f l 0 w s 订能够适用于各种不同的路网：城市道路、高速公路、一般公路、交 通干线或多者混合情况。能够模拟不同的交通控制：信号控制、停车让行控制、 匝道控制、v m s 上显示的消息对交通行为的影响，可变限速标志对交通流的影响 等。它是一个能真实再现动态交通的随机交通仿真模型。并且可以二维和三维动 态显示各种仿真过程和结果。针对仿真过程可以输出平均旅行速度、延误时间、 流量等宏观指标，也可以以o 5 s 为步长输出的各个车辆的瞬时速度、加速度、车 辆位置、车头间距等微观参数。 j w u ，m a r kb r a c k s t o n e ，m i k em c d o n a l d 对f l o w s 订的跟车模型、换道模型做 了大量的标定及检验工作( 如图3 - 1 ) ，在模型的定量确认中，通过实际采集驾驶 员在不同跟驰状态( 最小安全距离跟驰，也称保守跟驰；加速、减速下的跟驰) 下的 反应( 正常的和保守的) ，构建驾驶员数据库，并用回归分析仿真结果与实验数据的 方法，用均方根指标来确认模型与实验结果的差异。研究结果表明它要比传统的 机械模型更接近真实系统和更能反映驾驶员之间的行为差异。杜怡曼博士在j w u 等人研究的基础上进一步对f l o w s i m 模型的几个主要参数进行确认，包括车辆 特性、驾驶员特性、交通评价指标。此外，杜怡曼博士还对f l o w s i m 模型的验 证做了深入的工作，并结合在国内采集的数据，对仿真模型进行了重新标定，完 1 4 北京交通大学硕士学位论文车流波仿真方案的设计 善了混合交通流交通特性的研究，使得f l o w s i m 成为了一个真正能够描述中国 交通流特性的微观仿真平台。 速度验证加速度验证 车头间距验证相对速度验证 图3 - 1 微观跟车模型模拟结果与实测数据的比较 ( 粗线：实测数据：细线：模拟结果) f i g 3 1t h e r e s u l tc o m p a r eo f c a r - f e l l o ws i m u l a t i o nm o d e la n da c t u a ld a m 3 1 2f l o w s i m 对车流波的仿真 根据袁月吲卅关于车流波的产生机理的研究，车流波的形成需要具备两个条 件：一个是车流波形成的波源；另一个是车流波的传播介质。用f l o w s “仿真 车流波的产生、传播、消散的整个过程，可以通过不同的途径产生车流波，比如 设计适当的交通参数、设计交通事故、改变道路几何构造、设置进出口匝道等。 由于本研究设计多次大数据量的交通仿真，为了确保每次都能够产生车流波现象， 故采用设置交通事故点的方式迫使车流波的产生。根据车流波的形成机理不同， 可以分为小扰动车流波与大扰动车流波，对于前者，用仿真的方法实现需要重复 多次长时间的仿真，仿真实现难度比较大，因此，在本论文中涉及的车流波都是 在大扰动的前提下生成的，虽然其研究范围具有一定的局限性，但是其对于车流 波现象的理解和研究还是具有很大的意义。 在进行仿真研究之前，通过在北京市市区不同路段的城市快速路采集了大量 的关于车流波的视频数据，但是由于目前视频采集及识别技术的局限性，只能拍 到车流波的部分传播与消散过程，而且由于每次采集得到的相关数据的采集环境 北京交通大学硕士学位论文 车流波仿真方案的设计 的不同，相关数据不足以支持针对整个车流波产生、传播、消散整体过程进行完 整的研究。而利用f l o w s i m 仿真平台建立的车流波模型得到的仿真数据可以有 效的弥补实际采集数据的不完整性，促进相关研究的