交通流稳定性影响因素分析

交通流稳定性影响因素分析

交通扰动是破坏交通流稳定和交通拥堵的重要原因。速度的变化是交通扰动的最常见形式。道路几何条件和环境条件的变化会干扰交通流的速度。stryker发现，当车辆通过隧道时，它们会无意识地加速，因此有必要停止并减速速度。这种刹车是速度扰动的第一个来源，sdie、foye和kosh也发现了同样的现象。尽管cile等人发现，当高速公路密度超过45veh（mileln）时，交通流是不稳定的，原因是账单。elfender对隧道和公路没有影响。即使它受到驾驶员行为本身的随机性和交通流量不均的影响，速度也会发生变化。在这项工作中，我们总结了交通扰动的各种原因，并分析了发生条件和事件的原因。1交通扰动的渐进和渐进稳定性微观跟车模型中稳定性包含2层意思:局部稳定和渐进稳定,本文主要讨论渐进稳定.交通扰动在沿着车队传播的过程中,是否使交通流趋向不稳定取决于背景交通状况、驾驶员特性和车队均一性的共同作用.1.1驾驶员特征1.1.1阵风下模式.在合理同时保持了车距小和反应的滞后性,容易引发交通流不稳定交通流不稳定。根据阵风模型设计了,是造成交通流不稳定车驾驶员按其在跟车过程中对前车的紧随倾向的不同可以分为冒险型和保守型2种.冒险型驾驶员具有快速反应能力和强烈的紧随愿望,但当前车速度发生较明显变化时,由于车间距过小和反应的滞后性,从而很容易引发交通流的不稳定.保守型驾驶员其反应能力相对较弱,而安全意识较强,没有强烈的紧随愿望,因此在跟车行为中往往与前车保持较大的车间距,在前车速度发生变化时能够从容的调整自身速度并保证行车安全性,因此,与冒险型驾驶员相比,对减小扰动振幅和抑制不稳定交通流的形成起到了积极作用.1.1.2反应时间的影响驾驶员的反应特性是指在跟车条件下,后随车对前导车速度波动形成的“刺激”的反应能力.驾驶员对刺激的反应过程可以分为感觉、认识、判断、执行4个阶段,反应时间(reactiontime)是4个阶段的时间综合.用T表示反应时间,T1,T2,T3,T4分别表示4个阶段的时间.有些T值较大的车辆并非真正的反应迟钝,而是“快反”而“迟应”,即在判断阶段和执行阶段中间存在“观望阶段”.1.1.3车辆各时间扰动的传播—预测特性即驾驶员在对前方扰动进行感觉、认识(相当于反应时间的前2个阶段)之后,估计扰动传播到自身的时间,称为“预测时间(anticipationtime)”,见图1.当前导车出现速度扰动后,后随车对扰动传播到达时间的估计过程可用图1a)表示.设0表示前导车,1表示后随车(车辆编号依此类推),车辆的初始运行速度均为v,车间距为b0.设在t0时刻车辆0发生了速度扰动,车速变化到v1,扰动向上游传播的速度为-w.由于反应的滞后性,后随车1在t0+Δ1时刻才意识到前车速度的变化,而在Δ1时段内,后随车1仍然以速度v行驶,此时的车间距是b1,1+b1,2,而扰动波的位置在x1.假设后随车不变速,扰动波到达车辆1的时刻为t0+Δ1+Δ2,则Δ1=b1,2+b1,3v+|-w|‚Δ2=b1,1v+|-w|.其中Δ1相当于反应时间中的感觉、认识阶段时间之和;Δ2则表示后随车预测到的扰动波到达的“预测时间”,设扰动在车辆之间的传播时间为τ,则τ=Δ1+Δ2=b0v+|-w|.实际交通流中由于车型不单一使得后随车有机会观测到前面第2辆车或更远车辆的运行过程.此时,后随车将会在扰动波尚未到达紧前车时就感觉到扰动波的存在.如图1b)所示,车辆2可以观测到前面两辆车的变化,当头车0在t0时刻发生速度扰动时,车辆2在t0+Δ3时即感觉到前方的扰动,相应的扰动波的位置在x2,此时扰动传播到自身的时间为Δ4=b1,1+b0v+|-w|.显然此时车辆2有充足的时间对即将到来的扰动做出反应,然而车辆2所采取的措施仍与其紧前车1的反应情况有关.1.2均一党务车种的理解车辆的均一性(或称为均质性)特征指的是车流中具有不同反应特征的车辆驾驶员的分布情况,可以从2个方面来理解:(1)称期望的安全距离相等、严格保持车间距的车辆为理想车辆,完全由这样的车辆组成的车队称为均一车队,否则称为非均一车队;(2)称能够在扰动波到达之前很好地预测并快速做出反应的驾驶员为稳定型驾驶员.由于这些驾驶员希望自身车辆受扰动的影响尽量小,因此他们是通过稳定自身从而间接的稳定整个交通流.2稳定条件2.1交通流稳定性分析Daganzo以三角形基本图为例,用“意识波”和“激波”相互关系解释交通流的稳定性标准.如图2a)所示,设车辆0在t0时刻速度发生扰动(速度由v1变化到v2),车辆1,2分别在时刻t0+h,“意识”到扰动,即“意识波”传播速率为-wa,而扰动在车流中传播的速度为-w.仅当速度变化的意识波在激波到来之前被每辆车感受到时,车流才是稳定的,否则,车辆将不能及时做出反应,交通流将变得不稳定.即图2b)中OQ位于虚线的下方,也就是1/h>kj·w,或h<τ,其中τ的含义与前文相同.稳定性条件1/h>kj·w为交通流稳定的必要条件.2.2均衡状态下扰动波的估计文献给出了跟车模型的一般稳定性标准.设τ为扰动波在车辆之间的传播时间,v为车辆速度,c(负值)为波相对于道路的车速,b为车头间距,则τ=bv-c.Holland引入预测点(anticipationpoint)的概念,设x表示车辆位置,n为车辆编号,当交通流处于均衡状态时,认为车辆编号是等价于x/b的变量.对处于跟车状态的前车0和后车1的位置进行泰勒展开,两车的车头间距为x(0)-x(1)=dxdn(α)+[(1-α)2-α22]d2xdn2(α)+⋯,使第2项差分项为0,则有α=12,这就意味着如果认为车辆数和车头间距是关于位置的连续变量,则x(0)-x(1)=dxdn(12)≈x(0)-x(12).如果假设扰动在恒定的背景中传播,驶过来的第n+1辆车意识到扰动波时,扰动波的位置可以用虚拟的第n+α辆车位置来估计,称α为预测点,如图3所示.预测时间=预测点(α)×车辆间传播时间(τ).若满足预测时间大于反应时间,即α·τ>T,交通流将保持稳定.如果不能满足,扰动波在沿车队传播时变得不稳定.根据这一标准,“单前视”跟车模型的稳定性条件都可表达为λΤ<12.式中:T为反应时间;λ为反应灵敏度.λΤ<12可称为交通流稳定性的充分条件.2.3交通流稳定性的充分条件设各参数含义不变,则前文提到的交通流稳定性的必要条件为h<τ,即意识到扰动的时间短于扰动波传到自身的时间.其中h实际上应该对应驾驶员特性一节中的反应时间的前3个阶段,即h=T1+T2+T3,而非真正的反应时间T.交通流稳定性的充分条件为α·τ>T,即预测的扰动波传到自身的时间大于车辆的反应时间.其中的T也并非实际的反应时间,因为后车预测到扰动波时已经对扰动进行了感觉和认识,严格的说此处的T仅为判断和执行阶段时间,即T=T3+T4.在发生扰动的情况下交通流保持稳定,则一定是车辆在扰动波到达之前(τ时段内)意识到扰动,因此h<τ是交通流稳定性的必要条件.当驾驶员在意识到扰动波(h时段)后,而此时扰动波尚需α·τ时间才到达,只有(T3+T4)<α·τ时才能保持交通流稳定,因此(T3+T4)<α·τ是交通流稳定的充分条件.3车辆轨迹线的建立已有研究表明,在密集交通流中,交通扰动容易演变成不稳定交通流.扰动在交通流中传播时的扩散、收敛情况以及扰动振幅的变化情况可用下面的过程来解释.以三角形基本图为例,如图4b)所示,其中:C为通行能力,对应的流量为q0;¯CA段表示反λ基本图和三角形基本图的区别.设一队车辆,起初以通行能力状态运行,相应的速度、车头时距分别为vf和h0,经历扰动后仍以通行能力状态离开,相应的车辆轨迹图对应图4a).假设前导车0在某时刻受到扰动后以状态B行驶,速度变为v1.在前文所述各种因素影响下,车队的运行可能呈现下列方式.假设车辆1的反应时间t1等于扰动波在2辆车之间的传播时间τ,则车辆1在时间t1后复制车辆0的运动轨迹,扰动并无扩大.由于反应迟缓,或紧随愿望过强,车辆2减速的时间滞后车辆1的时间为t2,且t2>τ,根据交通流稳定的充分条件,和逆否命题与原命题等价这一结论,则车辆2使交通流变得不稳定.如果车辆2,3组成均一车队,则车辆3将以一定的滞后时间复制车辆2的轨迹,对缓解车流不稳定不起作用.车辆4恢复了车辆1的特性,在初始扰动波①到达时降速,又将扩大的扰动恢复到初始水平.车辆5,6将反应时间缩短为t5,t5<τ,使车流渐近稳定,但扰动区域却不能在短时间内消失.只有当上游的交通需求变小时,如极端情况,车辆7的车头时距为h2=1/k2(对应于图4b)的D点),才可以将车辆0引发的扰动吸收.如果车辆到达情况所处的状态对应于图4b)的CA¯段,而驶出扰动的车辆只能以通行能力状态离开,则交通流必将变得不稳定.图5为真实情况中某条高速公路车道上车辆轨迹线图,初始的速度扰动导致车辆停车的实例,字母表示速度发生明显变化的点.4扰动是否引发交通流不稳定影响文章图解了扰动诱发交通流不稳定的机理.外部的道路条件、环境因素和密集交通流的随机波