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道路瓶颈诱发的交通拥堵的机理及其特性和控制的研究

章一才  
【摘要】:随着时代的发展,国民经济水平的提高,汽车的数量迅速增加,致使交通拥堵问题也日趋严重。道路瓶颈是大多数交通拥堵产生的直接原因,交通拥堵带来了诸多社会问题、经济问题与环境问题,为了解决交通拥堵问题,需要对交通拥堵的机理、特性及控制方案进行研究。本文基于交通的微观和宏观模型,研究了交通瓶颈处拥堵产生的机理,并研究了交通拥堵的特性,探讨了解决交通拥堵的控制方法。下面为本文主要研究工作:(1)基于两条道路的格子流体力学模型,提出了道路缩减的格子流体力学模型。对道路缩减交通进行数值模拟,得到道路局域缩减的交通瓶颈所诱发的各种交通拥堵斑图(patterns):均匀拥挤交通(homogenous congested traffic:HCT)、均匀同步流(homogenous synchronized traffic:HST)、固定的局部拥堵(pinned localized cluster:PLC)、运动的局部拥堵(moving localized cluster:MLC)、时走时停交通(stop-and-go waves:SGW)、振荡拥挤交通(oscillatory congested traffic:OCT)等。从数值模拟中得到产生各种交通拥堵斑图的关键参数,模拟的结果反映了该模型对交通拥堵预测的可行性。(2)通过角速度与角位移对转弯道路的交通流描述,提出了全角速度差模型。由角速度形式的微观模型导出了弯道的宏观流体力学模型;通过对该宏观流体力学模型必要的线性稳定性分析与非线性分析,得出了稳定性条件和KdV-Burgers方程描述的交通密度波解。数值模拟呈现出弯道上的交通拥堵行为,同时模拟表明半径与角速度差敏感系数对交通拥堵有重要影响,在模拟中也发现了局域成簇现象。(3)在优化速度模型的基础上,引入延迟速度差,提出考虑时间延迟速度差的跟驰模型。对该模型分别进行线性稳定性分析和分岔分析,发现交通失稳对应于Hopf分岔,得出了Hopf分岔临界点。(4)基于优化速度模型,提出优化加速度反馈控制方法,构建反馈控制模型,通过反馈控制模型的Laplace变换,得到了控制系统的传递函数,根据控制理论,当传递函数的范数H∞小于1时,系统稳定,从而得出了全局稳定性条件。通过数值模拟,验证了理论结果,结果表明交通拥堵也因反馈控制而得到有效抑制。最后对全文进行总结与展望。


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