（交通运输规划与管理专业论文）基于元胞自动机模型的交通系统微观建模与特性研究.pdf

鬣t 0 1j，1 i 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：接1l 钊 签字日期： 触7 年2 月了口日 、 导师签矿刁 签字日期：1 一 s y s t e mb a s e do nc e l l u l a ra u t o m a t am o d e l 作者姓名： 导师姓名： 学位类别： 学科专业： 李新刚 高白友 贾斌 工学 交通运输规划与管理 学号：0 6 1 1 4 1 7 3 职称：教授 副教授 学位级别：博士 研究方向：交通流理论建模 北京交通大学 2 0 0 9 年1 2 月 l r 致谢 值此论文完成之际，首先将最诚挚的谢意送给我的导师高自友教授和贾斌副教 授。本论文从选题到最后成稿，均是在高老师和贾老师的指导下完成的。高老师将我 引入科学研究的神圣殿堂，其渊博的知识、开阔的思路、严谨的治学态度和诲人不倦 的精神使我深深体会到了一个学者的风范，让我时时以此自勉。高老师具有敏锐的学 术洞察力，一直走在科学研究的前沿，在其指导下能够准确把握学科的发展方向，这 使得我们这些学生受益匪浅。高老师勤勤恳恳的工作作风让我尤为钦佩，每天晚上我 们在回宿舍的路上，都会向高老师办公室的方向眺望一下，五年来，办公室传出的那 片灯光激励着我努力学习。高老师不仅在学业上对我教诲和悉心指导，在为人处事方 面，也为我树立了榜样，并在生活上给予了极大帮助。贾老师一丝不苟的工作作风和 实事求是的学术态度也一直感染着我，他在科研上给予我具体而又关键的指导，从学 术思想的启迪，到具体内容的分析，再到文章反复的修改，都倾注了他极大的心血。 在贾老师的指导和帮助下，我的博士论文才得以顺利完成。在五年的学习生活中贾老 师也给予了无微不至的关怀和帮助。 此外还要特别感谢中国科学技术大学工程科学学院的姜锐副教授，姜老师在交通 流建模方面给予了大量的指导，其在交通流领域的学术造诣给我留下了深刻印象。特 别感谢赵小梅副教授，赵老师也对论文的研究工作给予了一定的指导，与赵老师在学 术上的讨论开拓了我的研究思路。很荣幸能够进入北京交通大学交通运输学院系统科 学所攻读博士学位，感谢系统所各位老师对本人学术上的指导和帮助。 还应特别感谢五年多来朝夕相处的郑建风、李峰、龙建成，和他们热烈的讨论使 得我在收获知识的同时也享受了学术研究的快乐；感谢交通流小组的谢东繁、郭宏 伟、田钧方、李晓雪，小组讨论是学术思想的来源；感谢已经毕业的周华亮、陈涛、 庄倩、宋玉鲲，祝愿他们工作顺利，学习进步；感谢实验室诸位师兄、师弟、师姐、 师妹；感谢他们在学习和生活上的关心和帮助。 最后感谢我的父母，他们给予我最强大的后盾和支持；感谢岳父岳母，他们无微 不至的照顾使我安心学业；感谢妻子李璐玲女士的真诚理解与全力支持，使我能够潜 心研究，j j i 顷, n 完成学业。 李新刚 2 0 0 9 年1 2 月于北京交通大学 摘要 摘要 交通拥堵是大中城市发展过程中不可回避的一个现实问题。其不仅造成人们出行 不便，而且还带来了交通事故频繁、空气污染严重等一系列的社会问题。交通问题严 重制约着一个城市的健康发展。国内外交通发展的实践经验和教训证明，解决城市交 通问题，必须在先进交通理论指导下，进行交通规划、控制和管理，充分有效的利用 现有的交通资源，挖掘现有交通设施的潜力。现代交通流理论就是在这种背景下发展 起来的。上世纪9 0 年代以来，元胞自动机交通流模型异军突起，以其规则简单、易于 扩展以及计算效率高等特性越来越受到交通学者和工程师的青睐。本文主要是针对我 国交通流的特点，综合考虑驾驶员行为、交通瓶颈等因素，采用元胞自动机模型对交 通流进行建模与模拟，研究交通流的复杂特性，从而为交通实践提供科学的理论依 据。本文主要工作如下： 1 采用实际观测的车辆轨迹数据，对车辆实际驾驶行为进行分析，从而验证现有元胞 自动机模型中演化规则是否与实测驾驶行为一致。结果显示：1 ) v d r 模型、c d 模 型、k k w 模型等采用的慢启动规则与实测驾驶行为一致；2 ) m c d 模型中采用的 慢启动行为的假设与实测驾驶行为不一致；3 ) 实际交通中确实存在速度调整行 为，k k w 模型中对驾驶行为的假设是正确的。 2 提出了考虑车辆谨慎驾驶行为的单车道元胞自动机交通流模型和考虑激进换道行为 的双车道元胞自动机交通流模型。 在n a s c h 模型中引入提前减速的规则，也就是在减速步将当前时刻的车辆间距 替换为一个估计的车辆间距，以描述车辆谨慎驾驶行为。如果估计车辆间距时 存在时间延迟，那么当慢化概率比较小时，在中间密度区域，道路上呈现出同 步流的交通状态；如果估计车辆间距时存在期望作用，那么改进模型的车流演 化特性基本与n a s c h 模型一致，但是严重交通事故发生的概率降低了。 将快车的理性激进换道行为引入到双车道元胞自动机模型中，如果快车被前方 的慢车阻挡，其目标车道上的后车间距大于等于两个元胞就以较大概率换道， 其他情况下按照正常的换道规则以较小概率换道。引入理性激进换道行为之 后，可以有效避免双车道中塞子的形成，从而提高中间密度区域双车道系统的 流量，同时降低了快慢车换道的频率，以及乒乓换道发生的次数。 3 对现有入匝道系统两种常用建模方法一一虚拟匝道模型和加速道模型，进行模拟分 析，详细论述了这两种模型的差异和优缺点，最后融合两种模型中与实测入匝道系 北京交通大学博士论文 统交通特征相一致的部分，也就是将虚拟匝道模型中给定插入车辆初始速度这规 则引入到加速道模型中，将换道车辆的速度设置为前车的速度，提出改进的加速道 模型。还模拟分析了车辆加速度和换道行为对入匝道系统的影响，结果显示，随着 车辆加速度的减小，匝道流量显著减小，匝道上游主路的流量略微增加，系统通行 能力降低。而随着车辆换道行为越来越谨慎，匝道流量略微减小，匝道上游主路的 流量显著增加，而系统通行能力升高。在实际交通中，车辆的加速性能确实存在差 异，有些车辆加速度过小，而且有些车辆确实存在激进的换道行为，因此匝道系统 的通行能力降低与过小的加速度和激进换道行为是相关的。 4 对典型的a 类交织区系统采用元胞自动机模型进行模拟研究，分析了车流演化特 性，以及交织区长度、交织车辆比例和换道行为对通行能力的影响。交织区系统的 总流量随着交织车辆的增多而减小。如果两利- 交织车辆的数目基本一致，那么会减 轻车辆交织对主路车辆的影响。在主路近似饱和又存在一定量驶出车辆的情况下， 系统总流量随着入匝道进车概率的增大先增加后减少：在主路近似饱和又存在一定 量驶入车辆的情况下，系统总流量随着出车比例的增大先增加后减少。如果出车比 例较大，导致驶出车辆不能及时进入辅路而在主路上排队，就会对主路车流造成严 重影响。此时导致通行能力降低的程度甚于入匝道造成的通行能力降低的程度。模 拟结果还显示为了减轻车辆交织对主路车流的影响，交织区的长度要大于1 5 0 米。 5 建立了描述无信号t 型交叉口车流演化特性的元胞自动机模型，分析了系统中左 转车辆的影响，不同避碰规则对通行能力的影响。交义口上游主路上两个车道为 车道a 和b ，支路上车道为车道c 和d ，车道b 靠近支路。车道c 上的左转车辆对车 道b 的影响要比对车道a 的影响严重，因此当车道a 和车道b 的进车概率相等时，系 统中不存在车道a 是拥挤流而车道b 是自由流的交通相。固定车道a 上左转车辆比例 和车道c 上进车概率，当车道b 的进车概率较小，车道a 的临界进车概率和饱和流量 随着车道b 的进车概率的增加，有缓慢增长的趋势。在车道a 上左转车辆比例不是很 大的情况下，主路车辆具有优先权的避碰规则能够产生较大的通行能力。 关键词：交通流；元胞自动机；驾驶行为；入匝道；交织区；无信号t 型交叉口； 通行能力 分类号：u 4 9 1 2 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a f f i cc o n g e s t i o ni sa ni n e v i t a b l ep r o b l e mt ol a r g ec i t i e s i tm a k e sd a i l yl i f ef u l lo f i n c o n v e n i e n c e ，a n db r i n g sl o t so fs o c i a lp r o b l e m s ，i e ，t r a f f i ca c c i d e n t s ，a i rp o l l u t i o na n d e n e r g yc o n s u m i n g t r a f f i cp r o b l e mr e s t r i c t st h ed e v e l o p i n go fac i t yt oh e a l t h yd i r e c t i o n i th a sb e e np r o v e db yt h ee x p e r i e n c eo ft r a f f i ce n g i n e e r i n ga th o m ea n da b r o a dt h a tt r a f f i c p l a n n i n g ，m a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls h o u l db ec a r r i e do u tu n d e rt h eg u i d a n c eo fa d v a n c e d t r a f f i cf l o wt h e o r y , a n dt r a n s p o r t a t i o nf a c i l i t i e ss h o u l db em o r es u f f i c i e n t l yu s e d ，t h e n t h eu r b a nt r a f f i cp r o b l e mc a nb es o l v e d m o d e r nt r a f f i cf l o wt h e o r yw a sd e v e l o p e da s t i m er e q u i r e s s i n c e1 9 9 0 s ，c e l l u l a ra u t o m a t at r a f f i cf l o wm o d e l s ，w i t hs i m p l er u l e s ，g o o d e x p a n s i b i l i t ya n dh i g hc o m p u t a t i o n a le f f i c i e n c y , h a v er i s e ni nt r a f f i cf l o wt h e o r ya sa n e wf o r c ea n dg r a d u a l l yw i nt h ea t t e n t i o no ft r a f f i cs c h o l a r sa n de n g i n e e r s t h ea i m o ft h i sd i s s e r t a t i o ni st om o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw i t hc e l l u l a r a u t o m a t am o d e lb yc o n s i d e r i n gt h ep r o p e r t i e so ft r a f f i cb o t t l e n e c ka n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fd r i v e ri no u rc o u n t r yt oi n v e s t i g a t et h ee v o l u t i o nd y n a m i c so ft r a f f i cf l o w ，t h e ng i v e s o m ei n s t r u c t i o n st ot r a f f i ce n g i n e e r i n g t h ec o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： t h ee m p i r i c a lv e h i c l et r a j e c t o r yd a t aa r eu s e dt oa n a l y s i st h ed r i v i n gb e h a v i o r ，t h e n t h ec o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ee v o l u t i o nr u l e si nc e l l u l a ra u t o m a t aa n dt h ee m p i r i c a l d r i v i n gb e h a v i o ri sv e r i f i e d i th a sb e e ns h o w nt h a t ：1 ) t h es l o w - t o s t a r tr u l ei nv d r m o d e l ，c dm o d e la n dk k wm o d e li sc o n s i s t e n tw i t he m p i r i c a ld r i v i n gb e h a v i o r ；2 ) t h es l o w - t o - s t a r tr u l ei nm c dm o d e li si n c o n s i s t e n tw i t he m p i r i c a ld r i v i n gb e h a v i o r ； 3 ) s p e e da d a p t a t i o nb e h a v i o rr e a l l ye x i s t s ，s ot h ea s s u m p t i o no nd r i v i n gb e h a v i o ri s r i g h t a s i n g l el a n ec e l l u l a ra u t o m a t at r a f f i cf l o wm o d e lc o n s i d e r i n gc a r e f u l l yd r i v i n gb e h a v - i o ra n dat w ol a n ec e l l u l a ra u t o m a t at r a f f i cf l o wm o d e lc o n s i d e r i n ga g g r e s s i v el a n e c h a n g i n gb e h a v i o ra r ep r o p o s e d t h e c a r e f u l l yd r i v i n gb e h a v i o ri sm o d e l e db yt h ed e c e l e r a t i o ni na d v a n c er u l e ，i e ， r e p l a c et h eo r i g i n a ls p a c eg a pw i t ht h ee s t i m a t e ds p a c eg a p i ft h e r ei st i m ed e l a y w h e ne s t i m a t et h es p a c eg a p ，i ni n t e r m e d i a t ed e n s i t yr a n g es y n c h r o n i z e df l o wc a n b er e p r o d u c e dw i t hs m a l lr a n d o m i z a t i o np r o b a b i l i t y ；i ft h e r ei sa n t i c i p a t i o nw h e n e s t i m a t et h es p a c eg a p ，t h es p a c e - t e m p o r a ld i a g r a mo ft h em o d i f i e dm o d e lh a s - i n 一 1 2 北京交通大学博士论文 l i t t l ed i f f e r e n c ew i t ht h eo r i g i n a lm o d e l ，b u tt h ef r e q u e n c yo fs e r i o u sa c c i d e n t si s d e p r e s s e d t h ea g g r e s s i v el a n ec h a n g i n gb e h a v i o ro ff a s tv e h i c l ei si n t r o d u c e di n t ot h et w o l a n ec e l l u l a ra u t o m a t at r a f f i cf l o wm o d e l i ft h ef a s tv e h i c l ei sh i n d e r e db yt h e s l o wv e h i c l e ，i tw i l lc h a n g el a n ew i t hh i g hp r o b a b i l i t yi nt h ec o n d i t i o nt h a tt h e g a pt ot h eb a c kv e h i c l eo nt h ed e s t i n a t i o nl a n ei sl a r g e ro re q u a lt h a n2c e l l s i no t h e rc a s e s ，t h ev e h i c l ec h a n g e sl a n ew i t hl o wp r o b a b i l i t y s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h e “p l u g ”i sr a r e l yf o r m e d ，t h ef l u xi nt h ei n t e r m e d i a t ed e n s i t yr a n g e i si m p r o v e d i nt h em e a nt i m e ，t h el a n ec h a n g i n gf r e q u e n c ya n dt h ep i n g - p a n g l a n ec h a n g i n gf r e q u e n c ya r ed e p r e s s e d 3 t h et w oc o m m o nm e t h o d sf o rm o d e l i n go n - r a m ps y s t e m ，v i r t u a lr a m pl a n em o d e la n d a c c e l e r a t i o nl a n em o d e l ，a r ec o m p a r e d t h ed i f f e r e n c e so ft h et w om e t h o d sa r eg i v e n b ya n a l y z i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a tl a s t ，t h er e a l i s t i cp a r to ft h et w om e t h o d s a r ec o m b i n e dt o g e t h e ra n dan e wm o d e li s p r o p o s e d t h ee v o l u t i o nd y n a m i c so f o n - r a m ps y s t e mi n f u e n c e db yt h ea c c e l e r a t i o nr a t ea n dl a n ec h a n g i n gb e h a v i o ra x e i n v e s t i g a t e d i ti ss h o w nt h a t ：a st h ea c c e l e r a t i o nr a t ed e c r e a s e s ，t h ef l u xo fo n - r a m pd e c r e a s e sg r e a t l y , h o w e v e rt h ef l u xo ft h em a i nr o a di n c r e a s e sl i t t l e ，t h e nt h e c a p a c i t yo ft h eo n - r a m ps y s t e mi sr e d u c e d a st h el a n ec h a n g i n gb e h a v i o rb e c o m e s m o r ec a r e f u l ，t h ef l u xo fo n r a m pd e c r e a s e sl i t t l e ，h o w e v e rt h ef l u xo ft h em a i nr o a d i n c r e a s e sg r e a t l y , t h e nt h ec a p a c i t yo ft h eo n - r a m ps y s t e mi si m p r o v e d i nr e a lt r a f f i c ， s o m ev e h i c l eh a v el o wa c c e l e r a t i o nr a t ea n dt h ea g g r e s s i v el a n ec h a n g i n gb e h a v i o r r e a l l ye x i s t ，s ow eb e l i e v et h a tt h ec a p a c i t yd r o po fo n - r a m ps y s t e mh a sr e l a t i o n s h i p w i t hl o wa c c e l e r a t i o nr a t ea n da g g r e s s i v el a n ec h a n g i n gb e h a v i o r 4 t h et y p i c a lt y p e aw e a v i n gs e c t i o ni sm o d e l e db yc e l l u l a ra u t o m a t am o d e l t h e e v o l u t i o nd y n a m i c so ft r a f f i ca r ea n a l y z e da n dt h ei n f l u e n c eo fl e n g t ho fw e a v i n g s e c t i o n ，t h ep r o p o r t i o no fw e a v i n gv e h i c l ea n dt h el a n ec h a n g i n gb e h a v i o ro nt h e c a p a c i t ya r ei n v e s t i g a t e d a st h en u m b e ro fw e a v i n gv e h i c l ei n c r e a s e s ，t h et o t a lf l u x o fw e a v i n gs e c t i o nd e c r e a s e s i ft h en u m b e r so ft h et w ok i n d so fw e a v i n gv e h i c l e sa x e c o n s i s t e n t ，t h ed i s t u r b a n c et ot h em a i nr o a dt r a 伍cc a nb ea l l e v i a t e d i nt h ec o n d i t i o n t h a tt h et r a f f i co nt h em a i nr o a di sa l m o s ts a t u r a t e da n dt h e r ea r ec e r t a i nn u m b e r o fd r i v e o u tv e h i c l e s ，t h et o t a lf l u xw i l lf i r s ti n c r e a s et h e nd e c r e a s ea st h ei n f l o wr a t e o fo n r a m pi n c r e a s e s i nt h ec o n d i t i o nt h a tt h et r a f f i co nt h em a i nr o a di sa l m o s t l v a b s t r a c t s a t u r a t e da n dt h e r ea r ec e r t a i nn u m b e ro fd r i v e - i nv e h i c l e s ，t h et o t a lf l u x w i l la l s o f i r s ti n c r e a s et h e nd e c r e a s ea st h ep r o p o r t i o no fd r i v e - o u tv e h i c l ei n c r e a s e s i ft h e p r o p o r t i o no fd r i v e - o u tv e h i c l ei sh i 【g h ，t h ed r i v e - o u tv e h i c l ec a nn o td r i v ei n t ot h e o f f - r a m pi nt i m e ，t h e nt h e ys t o po nt h em a i nr o a da n dh a v es e r i o u si n f l u e n c eo nt h e m a i nr o a dt r a f f i c a tt h i st i m e ，t h ec a p a c i t yo fw e a v i n gs e c t i o ni sg r e a t l yr e d u c e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h el e n g t ho fw e a v i n gs e c t i o ns h o u l db e t t e rl o n g e r t h a n1 5 0m ，s oa st ot h em a i nr o a dt r a f f i ci sl e s sd i s t u r b e d 5 ac e l l u l a ra u t o m a t am o d e lf o ru n s i g n a l i z e dt s h a p e di n t e r s e c t i o ni se s t a b l i s h e d t h e i n f l u e n c eo fl e f tt u r n i n gv e h i c l e so nt h ed y n a m i c so ft r a f f i cf l o wa n dt h ec a p a c i t yu n d e r t h et w oc r a s ha v o i d i n gr u l e sa r ea n a l y z e d t h em a i nr o a dh a st w ol a n e s ：l a n eaa n d b ，a n dt h em i n o rr o a da l s oh a st w ol a n e s ：l a n eca n dd l a n eb i sa d j a c e n tt ot h e m i n o rr o a d t h el e f tt u r n i n gv e h i c l e so nl a n ec b r i n g sm o r ed i s t u r b a n c e st ot h et r a f f i c o nl a n ebt h a nt h a to nl a n ea ，s ow h e nt h ei n f l o wr a t e so fl a n eaa n dba r ee q u a l ， t h e r ei sn ot r a f f i cp h a s ei nw h i c ht h et r a f f i co nl a n eai sc o n g e s t e da n dt h a to nl a n eb i sf r e e i ft h ep r o p o r t i o no fl e f tt u r n i n gv e h i c l e so nl a n eaa n dt h ei n f l o wr a t eo fl a n e ca r ef i x e d ，t h ec r i t i c a li n f l o wr a t ea n ds a t u r a t e df l u xo fl a n eaw i l lb e c o m el a r g e ra s t h ei n f l o wr a t eo fl a n ebi n c r e a s e sw h e nt h ei n f l o wr a t eo fl a n ebi ss m a l l a n di ft h e p r o p o r t i o no fl e f tt u r n i n gv e h i c l eo nl a n ea i ss m a l l ，t h ec r a s ha v o i d i n gr u l e ，i nw h i c h t h ep r i o r i t yi sg i v e nt ot h ev e h i c l eo nt h em a i nr o a d ，m a k e sh i g h e rc a p a c i t y k e y w o r d s ：t r a f f i cf l o w ；c e l l u l a ra u t o m a t o n ；d r i v i n gb e h a v i o r ；o n - r a m p ；w e a v i n g s e c t i o n ；u n s i g n a l i z e dt - s h a p e di n t e r s e c t i o n ；c a p a c i t y c l a s s n o ：u 4 9 1 2 - v - - 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 1 引言 1 1 1交通流理论研究的背景和意义1 1 2交通流理论概述4 1 2 1 交通数据测量方法 4 1 2 2 描述交通流特性的参数5 1 2 3 交通流基本关系式和基本图7 1 3交通实测现象 9 1 3 1“幽灵堵塞 现象 9 1 3 2 同步流和宽运动堵塞1 1 1 3 3 交通流相变特性1 1 1 3 4 匝道处的复杂交通模式1 2 1 4交通流理论模型1 3 1 4 1 宏观模型1 4 1 4 2 微观模型1 5 1 4 3 介观模型1 7 1 5基本图理论和三相交通流理论1 8 1 5 1 基本图理论1 8 1 5 2 三相交通流理论1 9 1 6本文的主要工作2 4 2 元胞自动机模型演化规则与实测驾驶行为比较分析2 7 2 1元胞自动机交通流模型简介2 7 2 1 1n a s c h 模型2 7 2 1 2 慢启动模型2 8 2 1 3 速度效应( v e l o c i t ye f f e c t ，v e ) 模型2 8 2 1 4 舒适驾驶( c o m f o r t a b l ed r i v i n g ，c d ) 模型2 9 北京交通大学博士论文 2 1 5 改进舒适驾驶( m c d ) 模型3 0 2 1 6 k k w 模型3 2 2 2 实测驾驶行为3 3 2 2 1 n g s i m 简介3 4 2 2 2 数据预处理3 4 2 2 3 慢启动行为3 6 2 2 4 速度调整行为3 7 2 3 本章小结4 2 3 考虑实际驾驶行为的元胞自动机交通流模型4 5 3 1 考虑谨慎驾驶行为的单车道模型4 5 3 1 1 模型4 5 3 1 2 模拟结果4 6 3 2 考虑理性激进换道行为的双车道模型5 6 3 2 1 模型5 6 3 2 2 模拟结果5 7 3 3本章小结6 1 4 入匝道系统模拟分析6 5 4 1入匝道系统建模方法6 5 4 2车辆加速度的影响6 8 4 2 1 加速道模型中车辆加速度的影响6 8 4 2 2 虚拟匝道模型中车辆加速度的影响7 0 4 3换道行为的影响7 3 4 3 1 加速道模型中换道行为的影响7 3 4 3 2 虚拟匝道模型中换道行为影响7 4 4 4 两种建模方法的比较分析7 7 4 5改进加速道模型7 8 4 6本章小结8 0 5 交织区建模与模拟分析8 3 5 1交织区模拟模型8 4 8 7 9 4 6 2 3 两种避碰规则比较分析1 0 9 6 3本章小结1 1 0 7 结论与展望1 1 3 7 1本文的工作总结和主要创新点1 1 3 7 2未来研究展望1 1 5 7 2 1 交通实测1 1 5 7 2 2 同步流1 1 6 7 2 3 交通流优化控制1 1 6 7 2 4 与网络交通流理论相结合1 1 6 参考文献1 1 7 作者简历1 3 1 独创性声明1 3 5 学位论文数据集1 3 7 1 x g ； g ； 至； 至； ；詈 ， j 第1 章引言 1引言 1 1 交通流理论研究的背景和意义 交通运输系统是保障人类社会生产生活顺利进行的重要载体。随着社会和经济 的不断发展，交通需求日益增长，同时交通运输系统也得到了空前发展。以我国 为例，1 9 7 8 年铁路总营业里程为5 1 7 万千米，公路总里程为8 9 0 2 万千米，民航总里 程1 4 8 9 万千米。至u 2 0 0 7 年底，铁路总营业里程为7 8 0 万千米，公路总里程为3 5 8 3 7 万千 米，民航总里程为2 3 4 3 0 万千米，分别增长了5 1 ，3 0 3 ，1 4 7 4 u 1 。1 9 9 6 年底城市道 路总长度为1 3 2 6 万千米，城市道路面积为1 4 2 8 亿平方米，截至2 0 0 7 年底，城市道路总 长度为2 4 6 2 万千米，城市道路面积为4 2 3 7 亿平方米，分别增长了8 6 和1 9 7 p 1 。虽然 我们进行了大规模的基础设施建设，但是仍不能满足持续增长的交通需求。 以城市交通系统为例，我国机动车保有量及道路交通量急剧增加，城市交通拥堵 日趋严重。北京市的机动车保有量从解放初期的2 3 0 0 辆至i j l 9 9 7 年的第一个1 0 0 万辆经历 了4 8 年，而如今短短十年时间，北京市机动车保有量己突破3 0 0 万辆。据统计，目前北 京机动车的保有量仍以每天1 0 0 0 辆左右的速度增长p 1 。北京市区部分主要干道高峰期的 车速已降至1 2 公里小时左右，有的道路机动车时速还不n 7 公里小时p 1 。据相关专 家估算，由于私家车增加和交通堵塞问题，北京市民每天损失1 1 元，每年将达n 6 0 亿 元人民币4 1 。 交通拥堵也带来了严重的环境问题。有关研究表明，机动车可排放包括一氧化 碳、碳氢化合物、氮氧化物、铅的化合物及颗粒物等在内的化学污染物上百种。车辆 在拥堵车流中，由于怠速、急加速和急减速等非稳态工况，排放的尾气最为严重。据 统计，我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率达到了7 9 。在城市空气污染 物可吸入颗粒物中，有2 3 3 来源于机动车的排放；另外，机动车对氮氧化物、一氧化 碳、氮氢化合物的“贡献率”也分别达到6 4 、9 2 和5 1 瞄1 。除了大气污染外，城市 交通还会带来噪声污染，引起人们听觉疲劳和听力损伤，影响人们身体健康。 交通拥堵带来的安全问题也不容忽视。2 0 0 9 年上半年，全国共发生道路交通事 故1 0 7 1 9 3 起，造成2 9 8 6 6 人死亡、1 2 8 3 3 6 人受伤，直接财产损失4 1 亿元恻。 综上所述，交通拥堵所引发的社会问题严重制约着一个城市的健康发展。我国大 城市交通问题突出表现在以下三个方面： ( 1 ) 交通基础设施结构不合理，有效供给不足。自改革开放以来，我国各大中城市投 入了大量的资金进行城市交通基础设施建设，但很多城市的快速路、主干路、次 一1 一 北京交通大学博士论文 干路和支路比例失调，片面追求机动性，忽视可达性，造成路网机动性与可达性 失衡，其结果必然导致路网整体服务水平的下滑，无法有效满足居民的出行需 求，与建设初衷严重背离p 1 。各大中城市面对私家车数量的迅速增长，