交通流动力学模型PPT课件

1、.,1,交通流动力学理论,.,2,目录,概述 交通流的基本概念 宏观交通流 混合交通流的宏观模型 跟车模型 两车道跟车模型 换道分析 超车模型 主要结论 存在的问题 发展趋势 研究心得,.,3,一、概述,研究内容 研究历史 现代交通流研究的分类 相关知识结构,.,4,研究内容（一）（May AD，Traffic flow fundamental, Prentice Hall, 1990）,.,5,研究内容（二）,.,6,研究历史,Traffic Science 1935-1949: The Childhood Years Traffic Science 1950-1969: The Teena

2、ge Years Traffic Science 1970-1989: The Young Adult Years Traffic Science 1990-2009: The Prime Years,.,7,现代交通流研究的分类,传统交通流研究和现代交通流研究 微观交通流研究和宏观交通流研究 高速公路交通流研究和城市道路交通流研究 交通科学和交通工程,.,8,相关知识结构,数学：微分方程、概率统计、随机应用过程等 物理：力学、统计物理学等 交通：交通工程、交通控制等 管理： 计算机： Etc.,.,9,二、交通流的基本参数,流量： 速度：时间平均速度和空间平均速度 密度： 车头间距和车头时距

3、： 占有率：空间占有率和时间占有率,.,10,车头时距统计分布模型,负指数分布 移位负指数分布 Erlang分布 移位Erlang分布 Gamma分布 对数正态分布 M3分布和其他组合型分布,.,11,三种常见的交通状态,.,12,常见的静态交通流模型,Greenshield模型 Greensburg模型 Underwood模型 Drake模型 Newell模型 Pipe-Munjal模型 Edie模型 May模型,.,13,三、宏观交通流,LWR模型 高阶模型,.,14,LWR模型,车辆流入=流出，具体推导见数学建模教材,.,15,LWR模型的求解问题,.,16,LWR模型的计算格式,.,1

4、7,优点：能正确地描述交通激波的存在及其演化过程 缺点：平均速度与密度关系总是处于平衡状态，因此，这些模型对车辆上下匝道交通、“幽灵”式交通堵塞、交通迟滞现象、车道数的改变、交通时走时停以及车辆改道产生相变等非均衡特性，这就要求采用平均速度的动力学方程来代替均衡的速度-密度关系。,LWR模型的优缺点,.,18,高阶模型（密度梯度）,非粘性模型（Pipe模型、Payne模型、Ross模型、交通流摩擦模型、Zhang模型、吴正模型、冯苏苇模型） 粘性模型（Khne模型、Kerner-Konhauser模型）,.,19,Pipe模型、Payne模型、Ross模型、Zhang模型,.,20,交通流摩擦

5、模型（ Papageorgiou模型，Michalopoulous模型，Liu Guoqing模型）,.,21,吴正模型、冯苏苇模型,.,22,粘性模型（ Khne 模型和K-K模型）,.,23,粘性项可顺滑Payne模型所包含的不连续性。 Khne研究粘性模型波动解时发现其具有与开放边界水槽中水波相似的性质，Payne模型的波动周期解不连续，粘性模型存在连续周期行波解，这类似于交通实测中堆集的形成， 他证明系统通过Hopf分岔可形成时走时停交通。 当密度临界密度时交通流不稳定，但若扰动足够大，则非线性不稳定的堆集就会出现在线性稳定性区域；如果扰动较小，则在这个区域的堆集就不会出现，这个过程是

6、亚稳态区域不同亚稳态之间的相变。粘性模型成功地解释“幽灵”阻塞现象。,粘性模型的特点,.,24,SG模型,.,25,SG模型特点,姜模型可以很好地再现幽灵塞车、局部聚集、走走停停等一系列非均衡流特性，但该模型很容易出现撞车现象、不能再现小扰动传播速度与密度之间的内在联系 Zhang模型（二）和薛模型尽管可以再现小扰动传播速度与密度之间的内在联系，但不能再现走走停停现象。,.,26,四、混合交通流的宏观模型,多车道LWR模型 多车道高阶模型 多车种LWR模型 多车种高阶模型,.,27,多车道LWR模型,.,28,多车道LWR模型,密度差模型 Laval-Daganzo模型,.,29,密度差模型（

7、Munjal-Pipes模型）,.,30,.,31,.,32,Michalopoulos 模型,.,33,.,34,Holland-Woods模型(Transp. Res. B 31, 473(1997),.,35,Laval-Daganzo模型(Transp. Res. B 40, 251(2006),.,36,多车道高阶模型,两车道交通流动力学模型 两车道跟车示意图,.,37,模型与计算格式,.,38,.,39,.,40,.,41,.,42,.,43,从一个区域转移到另一个区域，将会出现相变,.,44,两车道格子模型,现有格子模型的不足,.,45,.,46,改进的两车道格子模型,.,47,

8、换道趋势与稳定性之间的关系,.,48,换道趋势与稳定性之间的关系,结论：适当的换道可以提高车流稳定性,.,49,多车道LWR模型,.,50,等速度模型（给定不同车种比例时，存在一临界密度。当车流密度大于该密度时，不同车种的速度相等。）,.,51,.,52,.,53,.,54,等空间模型,.,55,等间距模型,.,56,Daganzo模型(Transp. Res. B 31, 83-102(1997),.,57,Jiang-Wu模型,.,58,Tang-Huang-Zhao-Shang模型,.,59,.,60,数值实验结果,.,61,.,62,.,63,.,64,.,65,.,66,五、跟车模型

9、,Gazis model OV model (Bando M et al.) GF model (Helbing D. et al.) Some extended OV models (Nagatani T. et al., Lenze et al., Ge H. X. et al.) FVD model (Jiang et al.) Multi velocity difference model (Wang T. et al.) FVDA model (Zhao X. M. et al.),.,67,.,68,现有的跟车模型,.,69,跟车模型的特点、方法和现象,一系列常微分方程构成的非自治

10、系统 计算方法差分法 向前、向后、中心和非对称等差分 解析分析 线性稳定性、非线性分析 交通现象 各种交通波（激波、孤立波和扭结波） 分岔现象,.,70,线性稳定性分析,稳定解 小扰动，即扰动解 稳定解附近Taylor展开（展到线性项） 利用Fourier-模 中心稳定曲线 稳定区域和不稳定区域,.,71,非线性分析,在中心稳定曲线附近进一步分析 Taylor展开到高阶 Burgers方程、KdV方程和mKdV方程 相变分离曲线 结合线性稳定性分析 三个不同区域：稳定区域、亚稳定区域和不稳定区域，三角激波、孤立波和扭结波,.,72,The new car-following model,.,7

11、3,Linear stability analysis,.,74,The analytically results,.,75,Nonlinear analysis,.,76,Numerical tests,.,77,Numerical results,.,78,.,79,六、两车道跟车模型,两车道跟车模型,.,80,线性稳定性分析,.,81,非线性分析,.,82,稳定性区域划分,实线是中心稳定曲线，虚线是相变分离曲线,结论：从解析角度证明了侧面距离在没有换道情况下可以提高各车道车流稳定性,.,83,三角激波,.,84,孤立波,结论：侧面距离对三角激波、孤立波的影响不大,.,85,扭结波时空演化

12、图（一）,.,86,扭结波截面图（二）,结论：数值计算也证明了侧面距离在没有换道情况下可以提高各车道车流稳定性,.,87,七、换道分析,两车道交通系统的跟车与换道示意图,Forwards Movement,Sideways Movement,.,88,Forwards Movement,.,89,(a) FVD模型 （b）FVD模型+换道规则,.,90,结论： （1）少数几次换道产生孤立波，频繁换道产生振荡波（2）允许换道时，侧面距离会破坏稳定性,.,91,八、超车模型,传统模型：CA模型、交通流动力学和微分方程 不足：很难给出各车辆的速度-时间解析式 特点：快车先逐渐减速，然后逐渐加速 模型：固支梁挠度曲线超车模型 不足：两车的速度差越大时，快车的浪费时间越长；假定超车过程持续时间为常数，事实上，它们都是被超车速度的增函数。,.,92,改进的固支梁挠度曲线超车模型,.,93,改进的固支梁挠度曲线超车模型,.,94,结论：浪费时间随两车速度差下降而上升,.,95,结论：超车过程的持续时间随被超车速度的增加而上升,.,96,结论：超车距离随被超车速度的增加而上升,.,97,算例（一）,.,98,.,99,.,100,九、主要结论,宏观交通流模型 混合交通流的宏观模型 跟车模型 两车道跟车模型及换道频率同车流稳定性之间的内在关系 超车模型,.,