基于实测的城市快速路交通流建模及瓶颈研究

The subject of the proposal is urban expressway traffic flow modeling. The traffic measurement will be carried out by digital videos to expand the established traffic database. The characteristics of driving behavior will be monitored on occasions when vehicles encounter ramps or moving bottlenecks. Characteristic parameters will be extracted from measurement data to guide development of microscopic traffic models that coincide with vehicle operating characteristic on urban expressway. Lane-changing rules taking into account fixed ramps and moving bottlenecks (slow vehicles) will be proposed to elucidate the distinct driving behavior involving ramps and moving bottlenecks. The traffic jam formation and propogation under the influence of ramps and moving bottlenecks will be studied through numerical simulation and theoretical analysis. Traffic states and phase transitions of traffic flow on the expressway will be investigated. Furthermore traffic models reflecting automated headway controller will be proposed based on the advanced ideas of intellgent transportation, to guide traffic control. Meanwhile multifractal and the long-lange correlation analyses will be carried out on measured traffic data and numerical results, to elucidate the relationship between traffic states and fractal properties. In summary, this research aims to study the mechanisms of traffic jams and their dynamical evolutions, devoting to facilitate the further development of modern traffic flow theory based on fluid mechanics and nonlinear dynamics.

本申请以城市快速路交通流为研究对象，拟在已有交通实测数据库的基础上，补摄部分交通录像，着重分析司机在匝道附近或遭遇移动瓶颈时的行为特征，从中提取交通流特征参数，据此建立符合城市快速路车辆运行特征的双车道或多车道的混合交通流微观模型，确定符合实际的考虑固定瓶颈（匝道）和移动瓶颈（慢车）的换道规则，其中反映驾驶行为差异。通过数值模拟和理论分析，研究匝道和移动瓶颈对交通拥堵产生和传播的影响，弄清快速路交通流的交通状态以及相变过程；基于智能交通的先进思想，通过建立可控车头间距的交通流模型，尝试减少或消除交通瓶颈影响的有效途径，为交通管理提供前瞻性的理论指导。同时对交通实测数据和模拟结果进行多重分形分析，研究交通流的自相似性和具有的相关性，揭示交通流状态与分形特性之间的内在联系。本项研究旨在揭示交通拥堵的演化规律和机理，为发展基于流体力学和非线性动力学应用的现代交通流理论做贡献。

随着城市化进程步伐的加快，城市交通拥堵现象日益严重，亟需用交通流理论来指导交通规划和管理。本项目首先对不同密度下加速度的分布特性进行了研究，得到加速度值域关于0 点具有对称性，不同密度下加速度分布具有不同特征等结论。进而利用实测数据对GM 模型和Bando 模型进行参数优化，据此提出一种GM 模型的简化形式和一种改进的Bando 模型，两者拟合本文实测数据的平均误差都在6%以下。另外，基于交通流的实测数据分析了交通流密度的概率密度分布特性，分布图呈现中间大、两头小的钟形形状，车辆密度频数峰值所对应的密度区间随着道路车流情况的不同而有所变化，据此提出了一个交通流模型，能够再现三相交通流。研究结果可以为交通流建模提供参考。其次，建立了考虑司机驾驶行为差异的单车道、双车道混合交通流元胞自动机模型，再现了“高速跟弛现象”；确定了考虑固定瓶颈（道路施工区）和移动瓶颈（慢车）的换道规则，建立了匝道区域的换道模型，模拟结果与实测数据比较，吻合良好。通过对上述模型的数值计算，分析了特定情况下的交通流特性，为交通流理论的发展做了点滴贡献；研究了道路施工路段保持最佳交通状态时的相关道路参数和限速值，为交通规划和交通工程的实施提供了理论依据。最后，对交通流中的车头间距的时间序列开展分形分析，探究了交通现象与交通流动力学特性之间的关系，研究结果可以为进一步研究交通流的非线性特征提供参考。