元胞自动机理论在交通流和颗粒流研究中的应用

本项目属于非平衡态复杂体系物理学中的交叉性课题，旨在结合非平衡态统计物理、非线性动力学、交通流动力学、颗粒物质力学方法，通过交通实测、颗粒实验、建模、仿真和理论分析研究交通自由流－同步流－宽幅运动阻塞和颗粒稀疏流－密集流－阻塞的非线性动力学特性，从而达到理解交通相变和颗粒流动状态转变的演化机理的目的。研究内容包括借鉴颗粒流相关研究成果，分析城市典型交通瓶颈致堵因素，建立元胞自动机交通流模型，探讨交通相变特性，分析交通拥堵演化机理及实质。利用实验观测结果，捕捉颗粒流动状态转变的关键条件，建立动力学模型，验证实验工作，并用以预测该转变过程中可能存在的更复杂的动力学行为，尝试将相关研究成果应用到交通流动力学研究中。本课题的研究除了在远离平衡态、复杂动力学领域内的科学意义外，还能为交通管理和控制及多种工业过程的设计提供科学指导和依据。

本项目旨在借助交通流理论、颗粒流实验和相关的数值模拟，深入研究混合交通流动力学行为和特性，以及行人流对混合交通流的干扰机理。目前已经实现了项目的预期目标，已发表学术论文38篇，其中被SCI和EI检索的各11和15篇。主要成果包括：采用自动巡航控制和刹车灯(BL)元胞自动机混合交通流模型，研究不同类型车辆混合对系统能耗的影响及同步流特性；建立考虑不同驾驶方式的双车道元胞自动机模型，该模型提高了系统的流量、速度和临界密度；考虑超车视距和道路瓶颈，提出了新的双向两车道混合交通流模型；利用优化速度模型探讨了公交车站附近诱发车辆频繁换道的微观机理，同时利用元胞自动机模型研究了非港湾式公交车站站点设置对交通流的影响，发现分散式公交车站点与集中式公交车站点相比，影响道路交通通行能力作用显著的减小；计及公路隧道、多限速区和能见度等复杂因素，深入研究这些因素对交通流的影响；采用优化速度模型和元胞自动机模型分别建立道路缩减瓶颈的交通流模型，发现了类似于“密度倒置”的“低密度下正常区域和减速区的快车比例倒置”现象，探讨了不同交通管理措施对道路通行能力的影响；进行不同内部布局和出口宽度的教室人群疏散实验，并数值模拟了障碍物尺寸和位置、行人博弈策略、出口设置等因素对行人疏散效率的影响；考察了无信号交叉口行人过街决策行为；将地铁站内行人流的交织运动简化为连通双通道内两股行人通过瓶颈的情形；建立了考虑行人转向和非对称相互作用的格子流体力学模型；分析了考虑非对称相互作用的行人二维优化速度模型的稳定性；开展了三维颗粒流流量的控制与优化实验。研究成果在国际会议上交流5人次，在国内会议上交流6人次。