道路车流簇态势特性解析及其稳态响应机理研究

Traffic flow cluster refers to a traffic flow which has a close interaction with a certain direction in the road. Traffic flow cluster research mainly includes micro car-following behavior of vehicle, macro wave characteristic of traffic flow and the relationship between the running situation of traffic flow and acceleration fluctuations, and the stability of traffic flow is studied and analyzed from the surface to essence. The study analyses the characteristic of traffic flow cluster from the relationship between vehicle molecular dynamics and relaxation mechanics, starting from the nature of traffic flow to analysis the internal mechanism of traffic flow fluctuation, discusses acceleration wave theory, establishes the acceleration fluctuation model of traffic flow operation, elaborating the stability of traffic flow from analysing acceleration fluctuation stability, revealing its internal driving mechanism and the nature of the natural wave state, discussing the steady state response mechanism which is more accord with the inherent law of the traffic flow, studying the quantitative relationship between the acceleration model and traffic situation, establishing the exponential model to reflect the running situation of traffic flow. The research results can provide theoretical principle and the method basis for orderly organizing the operation of the fleet, improving the efficiency of traffic flow, preventing the diffusion of traffic congestion, as well as optimizing and evaluating road traffic system.

道路“车流簇”指的是道路上向某一方向运动的具有紧密交互影响关系的一股车流；车流簇的态势特性研究主要包括车辆的微观跟驰行为，车流的宏观波动特性及车流运行态势与加速度波动的关系，并由表象到实质地研究分析车流簇运行的稳定性。本研究从车辆间的分子跟驰力学关系解析车流簇的态势特性，从车流簇运动的本质出发，剖析车流波动的内在机理，论述加速度波动理论，建立车流运行的加速度波动模型；从分析加速度波动稳定性的角度阐述车流波动的稳定性，揭示其内因驱动机理和自然波动状态的实质，探讨更符合车流运行内在规律的稳态响应机理；研究加速度波动模型与车流簇态势的定量关系，建立反映车流运行态势的指数模型。研究成果可为有效组织车队有序运行，提高车流运行效率，阻止交通拥挤的扩散，并为道路交通系统优化和评价提供科学的理论基础和方法依据。

遵循“力是改变物体运动状态的原因”这一物理规律，创建并运用分子跟驰理论解析车辆间的动态耦合关系、影响因素和协同机理。运用分子力场的相互作用势理论建立车流加速度波动模型，探讨宏观车流运行规律，揭示车流的波动内因及稳定性机理。研究加速度波动模型与车流态势指数的定量关系，建立反映车流运行态势的指数模型。解析宏观车流二维空间运动稳定性机理，建立二元稳态响应优化方法。.研究表明：1）基于分子动力学构建相互作用势函数，建立基于相互作用势函数的分子跟驰模型；与经典GM模型相比，分子跟驰模型在常态行驶，起动加速和减速停车3种不同运行状态下的稳定性更好，对实际交通加减速不对称现象的拟合程度更高。2）车流波动是车流在交通事件驱动或刺激下恢复动态平衡的自发行为；结果表明，车流的稳定性与车辆受到的扰动波能量δ大小和驾驶员反应强度系数的取值大小有关。3）车流的波动是加速度波动（包括正加速度和负加速度）的表现形式，车流波动的实质是加速度的波动，运用相互作用势理论对自由流状态、同步流状态及阻塞流状态之间的演化规律进行研究，建立的加速度波动模型更符合车流波动的本质。4）车流的稳定域是车流波动消失的决定因素，是车流波动稳定性分析的基础条件；结果表明，稳定域与车速、车流密度、道路交通状况及驾驶员驾驶特性等因素有关。5）随机交通干扰事件驱动或刺激下不断引起车流波动的叠加，加速度波动模型可作为分析微观车辆分子跟驰行为到宏观车流运行规律的桥梁；结果表明，加速度波动的频率和幅度与车流态势指数呈正相关。6）车道跟驰需求差减小产生的斥力和侧向需求安全距离的引力产生的二元合力是车流横向分布稳定的原因，从动态的需求安全距离角度建立的模拟分子动力学的期望安全间距模型能够较为准确地反映车辆在复杂交通场景中决策变化过程。.研究成果为提升车流运行效率、阻止交通拥挤扩散、交通系统分析及优化提供理论基础和方法依据。