考虑车辆之间博弈行为的交通流动力学建模及复杂特性研究

This project combines together the microscopic dynamics model of vehicle traffic flow, mutually exclusive dynamic multi-particle systems theory, statistical mechanics, game theory and nonlinear dynamics theory. We will study the influence of driving behavior on traffic system by establishing traffic dynamics models, in which we will consider the game action between the vehicles. We will also simulate the change law of traffic flux about the city and multi-lane traffic system, analyze the characteristic of time-space plot, the jam pattern, self-organization criticality and phase transition etc. We look forward to revealing the physical nature of kinds of traffic phenomena in a certain extent. We will simultaneously find the individual payoff matrix, that fit the traffic rules, study the influence of strategies on individual payoff (the travel time or travel costsetc.) and social payoff (the average flow or the average travel time of traffic system) and promote the development of traffic flow mechanics and game theory together.

本项目把车辆交通流的微观动力学模型、相互排斥多粒子系统的动力论、统计力学、博弈理论和非线性动力学理论有机结合在一起，通过建立考虑车辆之间博弈行为的交通流动力学模型研究驾驶行为对道路上车流量的影响，模拟城市道路或多车道交通系统中车流量的变化规律，分析交通中出现的时空斑图特征、拥堵模式的形成和演化规律、自组织临界性和相变行为等复杂现象，在一定程度上揭示交通系统运行的规律和各种交通现象的物理本质。同时，找到适合交通规则的个体收益矩阵，研究驾驶者在博弈过程中采取的策略对个体收益（行驶时间或出行费用等）和整体收益（交通系统中车辆的平均流量或平均行驶时间）的影响，促进交通流动力学和博弈理论的融合发展。

研究驾驶者出行决策以及在复杂交通系统中采取的博弈策略对理解车流变化规律、均衡态形成过程以及拥堵模式具有重要的理论意义，对交通规划、交通管理政策的评估等也具有广泛的应用价值。本项目在理论、实验和建模数据分析的基础上，系统深入地调查了驾驶者在不同博弈理论框架下决策行为，从个体行为策略和整体均衡两个方面揭示了交通流复杂特征形成的物理机制。项目组首先采用非合作博弈理论对城市早高峰期间通勤者行为决策的主要特征进行了研究，发现在确定性路况和负的外部效应条件下，信息对整体均衡状态没有影响，对个体的出行决策有一定的影响，提供过多的交通信息会降低个体的平均收益；影响交通系统整体均衡态的主要因素是路况条件和管理措施，若不存在交通管理措施，整体均衡都会收敛到用户均衡解。针对目前我国广泛实施的基于车辆尾号限行的政策长期来看失效的问题，我们提出了柔性限行政策，在此政策下，驾驶者的平均出行成本明显低于目前的限行政策，同时增加了个体驾车出行的自主性，从根本上解决了目前限行政策长期实施的失效问题；我们构建了基于强化学习和基于限行选择概率的模型，两个模型都能很好地模拟柔性限行政策下交通系统呈现的复杂的宏观特征。最后，我们全面综合地总结了目前与交通出行决策相关的实验方法，提出进行实验的一般步骤，展望了今后发展的趋势。我们的研究结果将为城市规划、城市交通管理措施、交通信息的发布等提供一种新的研究和评估手段，即实验、理论和建模为一体的全方位理解交通系统的复杂特性机制和评估交通管理政策的有效性，尤其是在缺乏大规模交通调查数据的情况下或者新的交通政策尚未实施前的评估工作中，该方法更具有实用价值。该项目总体研究工作进展顺利，已经完成项目计划书在研究内容、论文发表、交流合作以及人才培养等各方面的预期成果。