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混合交通流多模式模型整合與協(xié)調(diào)優(yōu)化研究/博士后文庫 版權(quán)信息
- ISBN:9787030671158
- 條形碼:9787030671158 ; 978-7-03-067115-8
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>>
混合交通流多模式模型整合與協(xié)調(diào)優(yōu)化研究/博士后文庫 內(nèi)容簡介
混合交通是我國城市交通的主要特征,也是交通管理的難點。本書旨在通過研究道路和交叉口混合交通流的沖突機制,挖掘混合交通流的干擾機理及特性,建立混合交通流模型,探討交通控制措施,優(yōu)化交通流組織,為交通規(guī)劃、管理與控制提供決策參考。圍繞上述目標,本書力求理論與實踐相結(jié)合,不僅展開了深入的理論研究,還開展了實證研究。本書的研究將有助于從整體角度認識混合交通流的內(nèi)在干擾機理,為交叉口交通流組織、渠化設(shè)計、信號控制等提供更合理的理論依據(jù)。
混合交通流多模式模型整合與協(xié)調(diào)優(yōu)化研究/博士后文庫 目錄
《博士后文庫》序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意義 3
1.1.3 解決方法 4
1.2 主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 4
第2章 交通實測與混合交通流研究概況 7
2.1 交通實測 7
2.1.1 基本概念 7
2.1.2 測量方法 8
2.1.3 基本圖與遲滯 8
2.1.4 交通流臨界相變 11
2.2 道路交通流研究 12
2.2.1 宏觀道路交通流模型 12
2.2.2 微觀道路交通流模型 13
2.2.3 中觀道路交通流模型 15
2.3 混合交通流研究 15
2.3.1 主要影響因素 15
2.3.2 研究現(xiàn)狀 17
參考文獻 18
第3章 混合交通流復(fù)雜駕駛行為研究 21
3.1 駕駛行為分析與假設(shè) 21
3.2 考慮減速限制的駕駛行為模型 23
3.2.1 更新規(guī)則 23
3.2.2 模擬結(jié)果分析 24
3.3 考慮減速限制與速度效應(yīng)的駕駛行為模型 31
3.3.1 更新規(guī)則 31
3.3.2 模擬結(jié)果分析 31
3.4 考慮慢啟動規(guī)則的駕駛行為模型 33
3.4.1 更新規(guī)則 33
3.4.2 模擬結(jié)果分析 33
3.5 復(fù)雜駕駛行為模型評價 34
3.6 本章小結(jié) 35
參考文獻 35
第4章 混合交通流轉(zhuǎn)向燈效應(yīng)研究 37
4.1 引言 37
4.2 雙車道換道規(guī)則 39
4.2.1 對稱雙車道 39
4.2.2 鳴笛效應(yīng)和強行換道 40
4.3 基于轉(zhuǎn)向燈效應(yīng)的雙車道元胞自動機模型 43
4.3.1 問題提出 43
4.3.2 轉(zhuǎn)向燈效應(yīng) 44
4.3.3 換道規(guī)則 45
4.3.4 模擬結(jié)果分析 46
4.4 本章小結(jié) 49
參考文獻 49
第5章 混合交通流右轉(zhuǎn)車道影響研究 51
5.1 引言 51
5.2 模型 53
5.2.1 車輛運動規(guī)律 53
5.2.2 邊際條件 56
5.3 仿真結(jié)果與討論 56
5.3.1 定性分析 56
5.3.2 定量分析 58
5.4 本章小結(jié) 60
參考文獻 61
第6章 混合交通流摩擦效應(yīng)研究 63
6.1 概述 63
6.2 模型 64
6.2.1 個體跟馳模型 64
6.2.2 動力學(xué)模型 66
6.3 均衡解分析 69
6.4 本章小結(jié) 74
參考文獻 74
第7章 混合交通流喇叭效應(yīng)研究 78
7.1 概述 78
7.2 模型 78
7.2.1 個體跟馳模型 78
7.2.2 宏觀模型 80
7.3 均衡解分析 81
7.4 本章小結(jié) 84
參考文獻 84
第8章 混合交通流行人可變步長研究 87
8.1 概述 87
8.2 模型 88
8.2.1 行人可變步長 88
8.2.2 行人行走方向 89
8.3 仿真與應(yīng)用 91
8.3.1 單房間單出口疏散問題 91
8.3.2 地鐵站疏散問題 94
8.4 本章小結(jié) 98
參考文獻 99
第9章 混合交通流車道飽和流率研究 100
9.1 概述 100
9.2 交通調(diào)查與數(shù)據(jù)采集 101
9.2.1 調(diào)查準備 101
9.2.2 資料整理和分析 105
9.3 數(shù)據(jù)分析 106
9.3.1 車頭時距 106
9.3.2 飽和流率推薦值 113
9.4 本章小結(jié) 114
參考文獻 115
第10章 結(jié)論和展望 116
10.1 本書總結(jié) 116
10.2 研究展望 117
附錄A 調(diào)查路口一覽表 119
附錄B 路口基本信息調(diào)查表 121
附錄C 信號交叉口配時表 123
附錄D 文字補充示例 124
編后記 125
混合交通流多模式模型整合與協(xié)調(diào)優(yōu)化研究/博士后文庫 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 研究背景與意義 1.1.1 研究背景 隨著我國城鎮(zhèn)化步伐越來越快,落后的城市交通系統(tǒng)已經(jīng)成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。城市交通擁堵、交通環(huán)境污染和交通事故引起社會的廣泛關(guān)注,成為老大難問題。據(jù)統(tǒng)計,我國機動車保有量約以每年5%的速度增長。截至2017年底,我國機動車保有量約3.10億輛,其中汽車占比約70.17%。2017年,我國人員傷亡道路交通事故共計203049起,導(dǎo)致經(jīng)濟損失12.1億元,造成約6.3萬人死亡。以北京市為例,中心區(qū)高峰期的道路平均車速不到20km/h,*低時僅為4km/h。日益嚴重的交通問題不但影響城市經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的運行效率,而且給人們的生活和工作帶來極大的不便。圖1.1展示了北京市擁堵狀況。 圖1.1 北京市擁堵狀況 與發(fā)達國家不同,我國城市交通很大程度上以混合交通為主。所謂混合交通是指各種交通工具或各種交通工具與行人共用同一單幅道路的交通現(xiàn)象。通常分為三種情況,即不同種類機動車的混合交通,機動車和非機動車的混合交通,機動車、非機動車與行人的混合交通。通常我們所說的混合交通指后兩種情況。機動車與非機動車的混合交通是我國城市交通的主要特征。在我國的平原城市中,自行車仍然是居民出行的主要工具,如成都市、太原市、西安市、杭州市等地居民自行車出行的比例均在50%以上,天津市的這一比例更是高達60%;旌辖煌ㄊ刮覈S多城市的交通運行秩序混亂,交通事故頻發(fā),已有的交通控制系統(tǒng),特別是以發(fā)達國家交通狀況為背景的交通控制系統(tǒng),無法充分有效地發(fā)揮效能。 在交叉口,行人交通流、自行車交通流與機動車交通流的混合交通尤為突出。機動車信號配時與行人流、自行車流一旦不協(xié)調(diào),就會發(fā)生行人、自行車相互干擾的混亂現(xiàn)象,引發(fā)交叉口交通混亂,甚至交通事故。相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示,美國55%、法國24%、英國33%、中國30%的城市交通事故發(fā)生在平面交叉口。在交通事故死亡人數(shù)中,約75%是行人、自行車騎車人及乘車人。僅2009年4月份,全國交叉路口發(fā)生的事故就導(dǎo)致783人死亡,占總數(shù)的15.5%。其中,公路交叉口事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)占交叉路口事故總死亡人數(shù)的58.8%。2010年,杭州自行車事故同比上升16.19%;深圳自行車交通事故死亡89人;上海市自行車出行只占總出行量的24%左右,卻有35.7%的交通事故發(fā)生在自行車和機動車之間,其中23.5%發(fā)生在平面交叉口。一組組數(shù)據(jù)顯示,整治混合交通刻不容緩。 科學(xué)地診治城市交通病是我國社會、經(jīng)濟發(fā)展過程中提出的重大需求,是科學(xué)界義不容辭的責任。**步應(yīng)該是全面系統(tǒng)、深刻入微地研究城市交通需求和交通流的形成機理,從本質(zhì)上探索交通擁堵、交通環(huán)境污染和交通安全事故的產(chǎn)生原因和規(guī)律,為科學(xué)制定城市交通規(guī)劃和發(fā)展先進的交通管理技術(shù)打下堅實的理論基礎(chǔ)。 交通流是交通需求的實現(xiàn)結(jié)果,是交通需求在有限的時間與空間上的聚集現(xiàn)象。由于涉及人車路三者之間的相互關(guān)系,交通流的形成過程極其復(fù)雜,蘊涵大量基礎(chǔ)科學(xué)問題。交通流理論應(yīng)用數(shù)學(xué)或物理學(xué)原理,對交通流參數(shù)進行定性和定量分析,尋求道路交通流的變化規(guī)律,從而為交通規(guī)劃和管理提供理論依據(jù)。綜合運用行為科學(xué)、交通工程和信息科學(xué)知識,用數(shù)學(xué)物理模型刻畫人們的出行決策、車輛跟馳和交通流量的網(wǎng)絡(luò)分布,揭示城市交通流的自組織演變規(guī)律與擁堵突現(xiàn)軌跡,是交通流研究的核心內(nèi)容。車輛的大量使用會引起交通擁擠等一系列問題,使學(xué)者開始關(guān)注并研究交通規(guī)律。學(xué)者先后提出各種各樣的交通流模型,包括元胞自動機(cellular automata,CA)模型、跟馳模型、氣體動力論模型和流體動力學(xué)模型等。 目前,交通流理論已取得很大進展,大量模型可以再現(xiàn)交通流復(fù)雜的非線性特性。但是,交通流理論,尤其是混合交通流理論,目前還沒有形成完整的體系,許多交通現(xiàn)象未能得到合理的解釋,理論模型不能準確模擬交通過程的演化。此外,大多數(shù)交通流模型都不能很好地指導(dǎo)城市交通規(guī)劃、交通控制,以及道路工程設(shè)施設(shè)計。我國低速混合城市交通流的現(xiàn)狀不可能迅速改變,交通規(guī)劃目前仍然處于“小科學(xué),大經(jīng)驗”的狀況。本書正是針對目前交通流理論發(fā)展的現(xiàn)狀,考慮機動車流、自行車流、行人流同時存在的混合交通系統(tǒng),分別研究混合交通流的摩擦效應(yīng)和喇叭效應(yīng),提出相應(yīng)的混合交通流動力學(xué)模型。通過交通調(diào)查,結(jié)合北京的交通現(xiàn)狀,給出北京市典型車道的飽和流率,為分析北京市道路和路網(wǎng)通行能力提供參考,為指導(dǎo)現(xiàn)實的交通實踐提供理論依據(jù)。 1.1.2 研究意義 隨著我國經(jīng)濟與社會的高速發(fā)展,城市交通機動化不斷加快,實現(xiàn)城市道路建設(shè)與管理的基本目標更為緊迫。交通流理論作為研究交通流隨時間和空間變化規(guī)律的理論和方法體系,是交通規(guī)劃、道路與交通工程設(shè)計、交通控制與管理等科學(xué)技術(shù)工程領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。由于交通問題關(guān)系到經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生活質(zhì)量,因此交通流理論一直是國內(nèi)外交通領(lǐng)域的重要研究方向。 混合交通是我國城市交通的主要特征,也是交通管理的難點。混合交通現(xiàn)象的存在使交叉口運行秩序混亂,交通事故頻發(fā)。嚴重的混合交通狀況給城市交通管理帶來許多難以治理的問題。流量-速度-密度模型是通行能力計算和交通仿真的基礎(chǔ),國內(nèi)外對此進行了大量研究,取得豐碩的成果。但是,國外交通流往往是單一的小型機動車,研究結(jié)果并不適用于我國。我國城市道路交通流狀況復(fù)雜,許多學(xué)者雖然進行了大量研究,但不甚全面,需要進一步完善;旌辖煌骼碚撗芯咳〉煤艽筮M展,但沒有形成完整的體系,許多交通現(xiàn)象缺乏合理解釋。具體說來,存在如下不足。 ① 許多學(xué)者根據(jù)實測調(diào)查的數(shù)據(jù),對混合交通流的微觀交通特性進行定性分析,但缺少定量描述和分析。這些成果雖然從一定程度上揭示了交通參與者的交通行為,但從定量角度揭示交通行為稟賦的研究相對不足。 ② 一些學(xué)者運用交通流理論建立的數(shù)學(xué)模型能夠從宏觀上描述機非干擾程度,或者利用模擬仿真的方法,建立微觀行為模擬系統(tǒng),能夠再現(xiàn)混合交通流的一種或多種復(fù)雜交通現(xiàn)象,但是大多缺乏實測數(shù)據(jù)的支撐,不能深入探討交通沖突產(chǎn)生的內(nèi)在機理,很大限度上停留在設(shè)想階段。 交通流動力學(xué)模型包含時間和空間的狀態(tài)方程,可以考慮交通參與者的加速度、慣性和可壓縮性,不但有助于更好地理解交通流的特性,而且有助于對各種交通情況下交通流的動態(tài)特性進行深入分析。本書對混合交通流的研究集中在動力學(xué)模型的構(gòu)建、交通特性的定性分析和交通實踐上,用數(shù)學(xué)模型刻畫混合交通流動力學(xué)模型及其交通特性,探索各種交通流狀態(tài)的形成機理,揭示交通流的演化軌跡,為城市交通管理和交通控制提供堅實的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。 1.1.3 解決方法 交通系統(tǒng)是一個典型的遠離平衡系統(tǒng)。對交通流理論的研究可以促進統(tǒng)計物理、非線性動力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、流體動力學(xué)、交通工程學(xué)等眾多學(xué)科的交叉和發(fā)展。交通系統(tǒng)包含人、車、路、環(huán)境,對各因素相互作用機理的研究有助于了解交通問題產(chǎn)生的根源。交通流理論應(yīng)用數(shù)學(xué)或物理學(xué)原理,對交通流參數(shù)進行定性和定量分析,綜合運用統(tǒng)計物理、流體力學(xué)、非線性動力學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和交通工程學(xué)等學(xué)科知識,建立描述交通流一般特性的模型,揭示交通狀態(tài)特征及發(fā)展規(guī)律。交通流理論是一門非線性交叉科學(xué)。首先,交通流是非線性的。車輛速度與車流密度不是線性關(guān)系。其次,交通流方程及求解方法都是非線性的。交通流高階連續(xù)模型本身是非線性的,而且很難求解析解,目前主要依賴數(shù)值計算。 交通過程是一個復(fù)雜的過程,既可以觀察到非平衡的相變,又可以發(fā)現(xiàn)行走波、孤立波等非線性現(xiàn)象。交通過程主要采用交通流理論刻畫,描述方法包括宏觀方法、中觀方法和微觀方法。宏觀方法研究車輛集體的平均行為,不顯示單個車輛的個體特性。微觀方法集中描述單個車輛在相互作用下的個體行為。在宏觀、微觀描述方法之間,存在一個能夠?qū)烧呗?lián)系起來的中觀方法,如氣體動力學(xué)模型。不同的理論模型從不同角度研究交通流規(guī)律,各有優(yōu)缺點,但建立的基礎(chǔ)是一致的。因此,它們在一定意義上相互關(guān)聯(lián)。 本書從動力學(xué)模型和交通實踐兩個層面對混合交通系統(tǒng)進行研究。根據(jù)混合交通流特點,在分析機動車流、自行車流、行人流三者共存的情況下,一方面利用交通流理論中微觀變量與宏觀變量之間的關(guān)系建立混合交通流動力學(xué)模型,另一方面結(jié)合北京市現(xiàn)實交通狀況,對混合交通環(huán)境中典型車道飽和流率進行基礎(chǔ)性研究。 1.2 主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 混合交通是我國城市交通的主要特征,也是交通管理的難點。目前,混合交通的管理和控制是我國交通工程界面臨的難點,也是國際交通工程領(lǐng)域研究的薄弱環(huán)節(jié)。我國道路系統(tǒng)特有的混合交通流形態(tài)與道路格局,使國外的交通流理論和方法并不能完全適用。因此,針對我國混合交通流特點,研究不同車流相互混雜的作用機理,建立描述混合交通流的動力學(xué)模型,探索混合交通流復(fù)雜特性,對提高混合交通流可控性、改善日益惡化的交通狀況具有重要意義。 本書主要研究內(nèi)容如下。 第1章緒論,闡述研究背景,由城市交通問題引入混合交通流交通特性的研究,明確本書的寫作意圖和研究意義。 第2章介紹交通實測、道路交通流和混合交通流研究概況,闡述混合交通流研究的難點與不足。 第3章研究混合交通流復(fù)雜駕駛行為,建立一組基于復(fù)雜駕駛行為的單車道CA模型。模型遵循以駕駛員決策、行動和結(jié)果為框架的3步更新規(guī)則,考慮減速限制、前車速度效應(yīng)、慢啟動規(guī)則等多種影響因素,能夠模擬同步流、亞穩(wěn)態(tài)和回滯等復(fù)雜交通現(xiàn)象。在分析模擬結(jié)果時,研究車流密度、慢化概率等因素對交通流狀態(tài)的影響,歸納不同慢化概率下交通相變的過程。 第4章探討混合交通流轉(zhuǎn)向燈效應(yīng)。在鳴笛效應(yīng)和強行換道等雙車道換道規(guī)則的基礎(chǔ)上,提出基于轉(zhuǎn)向燈效應(yīng)的對稱雙車道換道規(guī)則。模擬結(jié)果表明,該模型在模擬混合交通系統(tǒng)時,能更好地消除中密度下由慢車形成的塞子,使系統(tǒng)流量大于鳴笛效應(yīng)和強行換道模型的流量,并且能刻畫出跨越多個連續(xù)時間步的動態(tài)超車行為。 第5章研究混合交通流右轉(zhuǎn)車道影響,建立一個新的CA模型,模擬在十字路口處車輛的復(fù)雜轉(zhuǎn)彎行為。仿真結(jié)果與在北京四環(huán)的觀測基本吻合。研究發(fā)現(xiàn),右轉(zhuǎn)車輛可能在十字路口附近產(chǎn)生隊列。為右轉(zhuǎn)車輛設(shè)計短車道對于改善交通流有突出作用,但是過長的短車道并不會進一步降低停車率。 第6章研究混合交通流摩擦效應(yīng)。考慮自行車流和行人流的摩擦干擾,將機動車流、自行車流和行人流分別看作統(tǒng)一的個體,建立三種個體跟馳模型,運用微觀變量和宏觀變量之間的關(guān)系,建立自行車流和行人流摩擦干擾下的混合交通流動力學(xué)模型。理論分析和數(shù)值實驗結(jié)果表明,自行車流的摩擦效應(yīng)會降低機動車流的流量和速度,行人流的摩擦效應(yīng)會降低自行車流的流量和速度,但這種減少量均與自行車流(行人流)的密度有關(guān)。 第7章研究混合交通流喇叭效應(yīng)。在機動車流、自行車流和行人流同時存在的混合交通系統(tǒng)中,建立考慮喇叭效應(yīng)的自行車跟馳模型和行人跟馳模型。運用微觀變量和宏觀變量的關(guān)系,建立自行車流和行人流的宏觀模型。數(shù)值實驗結(jié)果表明,喇叭效應(yīng)會提高自行車流(行人流)的速度和流量。 第8章研究混合交通流行人可變步長,提出一種考慮行人可變步長的擴展移動格子氣(lattice gas,LG)模型。該模型首先掃描各種可能的步長,然后根據(jù)步長因子的概率確定運動方向。單房間單出口的仿真結(jié)果表明,可變步長的行人比固定步長的行人疏散速度快。同時,我們將該模型應(yīng)用于地鐵站在線路換乘或疏散時的實際情況,研究四種常用的客流管理措施,并探討其有效性。 第9章研究混合交通流車道飽和流率,是對混合交通流理論的補充,側(cè)重于交通實踐,展現(xiàn)對北京市五環(huán)內(nèi)36個信號交叉口交通調(diào)查的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。通過對大量的實測數(shù)據(jù)和精確的統(tǒng)計分析,北京市不同類型車道的飽和車頭時距近似服從正態(tài)分布。在此基礎(chǔ)上,給出北京市*常見的五種車道類型,即專用右轉(zhuǎn)車道、專用左轉(zhuǎn)車道、直行車道、直右車道、直左車道的飽和車頭時距推薦值和飽和流率推薦值
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