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交通震荡演化机理的元胞自动机建模与仿真研究

李帅  
【摘要】:交通震荡是城市高、快速路上一种常见的交通流现象,往往引发交通拥堵。交通震荡增加了车辆行驶过程中的行程延误和燃油消耗,降低了驾驶员的驾驶舒适度,也增加了交通事故发生的概率。目前交通震荡的形成传播机理还有待进一步完善,交通震荡的研究,是交通流理论研究的进一步拓展,也能为缓解交通拥堵提供决策支持。本文提取了交通震荡的相关轨迹数据,分析交通震荡的增长和传播等宏观演化特性,从跟驰行为角度解析了交通震荡的增长传播机理。通过构建考虑交通迟滞和波速差异的元胞自动机跟驰模型,模拟了交通震荡的增长特性和传播特性,验证了本文对于交通震荡演化机理分析的正确性。论文首先以NGSIM数据为数据源,采用小波能量分析方法提取了交通震荡相关的轨迹数据,统计分析车队中车辆速度的标准差,验证了车辆速度的标准差沿车队的凹增长模式。另外发现在交通震荡衰退阶段,车辆速度的标准差可能会减小。进一步分析交通震荡加、减速波的波速差异,验证了在前驱阶段,减速波和加速波波速几乎为0;发展阶段,减速波以略小于加速波的速度向上游传播。另外发现:交通震荡出现衰退迹象时,减速波以大于加速波的速度向上游传播。根据增长特性和传播特性将交通震荡划分为前驱阶段、发展阶段、稳定阶段和衰退阶段。然后,依据理论和实测数据分析,检验了交通迟滞的迟滞幅度和交通震荡的振幅增长的正相关性,并根据迟滞幅度将交通迟滞分为正迟滞、一般迟滞和反迟滞。将驾驶员分为激进型、一般型和保守型,统计分析交通震荡各个阶段各类驾驶员的迟滞类型,发现:激进型驾驶员更倾向采取正迟滞,且该倾向在各个阶段未出现明显变化;正常型和保守型在交通震荡稳定阶段后更容易产生反迟滞。通过计算各个阶段的简化波速,发现减速波大于加速波时,交通震荡增强,反之减弱。对比减速波与减速阶段起点波速,发现了早反应现象和晚反应现象,揭示了驾驶员的早反应可能是衰退阶段减速波大于加速波的原因。最后,通过模拟驾驶员的加减速决策过程,构建了正迟滞和反迟滞更新规则,其中正迟滞更新规则适用于激进型驾驶员,而反迟滞更新规则适用于保守型和正常型驾驶员。并依据交通震荡不同阶段的加、减速波速度差异修正了驾驶员的反应时间。通过对所构建的元胞自动机模型进行仿真,模拟交通震荡的增长特性和传播特性,并与Na Sch模型和TSM模型的仿真结果对比,解析交通迟滞和波速在模拟交通震荡特性中所起的作用。结果表明,不考虑交通迟滞的模型不能模拟交通震荡现象;而模型中通过代入衰退阶段的波速计算并修正驾驶员的反应时间引发交通震荡进入衰退阶段。


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