高速公路車速離散機(jī)理及特征研究.pdf

1、近幾十年來，隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，高速公路、城市快速道路以其快速、高效、安全等特點(diǎn)在世界范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展，并在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，車速離散現(xiàn)象引發(fā)高速公路交通流偏離穩(wěn)定、均衡狀態(tài)，并導(dǎo)致實(shí)際通行能力降低、事故率上升、污染加重等一系列問題，嚴(yán)重制約了高速公路交通的運(yùn)行質(zhì)量和效率。由于缺乏對(duì)車速離散現(xiàn)象系統(tǒng)性的研究，高速公路交通流的車速離散問題至今未能得到解決。另一方面，車速離散現(xiàn)象作為交通流的基本現(xiàn)象之

2、一，一直以來卻很少受到研究者的關(guān)注。車速離散現(xiàn)象能夠反映交通流的非穩(wěn)態(tài)特征，研究車速離散現(xiàn)象能夠幫助我們加深對(duì)交通流非穩(wěn)態(tài)特征和復(fù)雜微觀動(dòng)態(tài)特性的理解和認(rèn)識(shí)，促進(jìn)交通工程學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科交叉和發(fā)展。因此，開展交通流車速離散性研究，不僅具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，還有其深遠(yuǎn)的理論意義。 本文的研究目標(biāo)是要探求車速離散現(xiàn)象的特征和機(jī)理，以揭示車速離散性與交通流動(dòng)態(tài)特性之間的關(guān)系，為降低交通流車速離散性，改善

3、交通流運(yùn)行質(zhì)量提供理論依據(jù)。本文在對(duì)中國(guó)和荷蘭高速公路和城市快速道路交通流數(shù)據(jù)調(diào)查、分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了車速離散現(xiàn)象的一般性規(guī)律，研究了車速離散性與交通流基本參數(shù)以及實(shí)際通行能力的關(guān)系，并提出了降低車速離散性的方法，主要工作如下。 提出了一種有別于傳統(tǒng)車速離散度描述方式“速度標(biāo)準(zhǔn)差(SD)”的新的車速離散性描述方式：平均鄰車速度差(ASD)。并分別通過理論推導(dǎo)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，給出了新定義的車速離散度ASD與傳統(tǒng)車速離散度SD之間

4、的關(guān)系。在純自由流狀態(tài)下，車速離散度ASD的均值約為車速離散度SD的均值的2/平方根π倍。在自由流-車隊(duì)狀態(tài)以及擁擠狀態(tài)下，由于交通流中加速波和減速波的效應(yīng)，車速離散度ASD值往往小于SD值。 基于車速離散度ASD和SD定義，提出了相應(yīng)的相對(duì)值描述方式ASDR以及SDR。通過對(duì)中國(guó)和荷蘭的典型高速公路、城市快速路交通流數(shù)據(jù)的分析，歸納了交通流車速離散現(xiàn)象的一般性特征。交通流的車速離散度在擁擠-車隊(duì)狀態(tài)下最小，其次是自由流.車隊(duì)狀

5、態(tài)，擁擠-堵塞狀態(tài)和純自由流狀態(tài)的車速離散度最大。車速離散度ASD的均值隨著交通流速度的增大而增大，相對(duì)值車速離散度SDR隨著交通流速度的增大而減小。對(duì)于多車道交通流情況，在同步流狀態(tài)下，車速離散度在各個(gè)不同車道上的變化特征具有同步性。車速離散度的分布特征(如均值、方差)在交通流中具有類似波的傳播現(xiàn)象，擁擠狀態(tài)下局部交通流的車速離散性特征具有向上游傳播的特性。 改進(jìn)了全速度差(FVD)模型，并在此基礎(chǔ)上提出了一種能夠體現(xiàn)車輛性能

6、差異和駕駛者行為差異的新的跟馳模型——IB模型，并給出了IB模型的參數(shù)標(biāo)定方法以及合理參數(shù)取值范圍。基于IB模型，應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，討論了單車道交通流車速離散現(xiàn)象的形成機(jī)理及影響因素。發(fā)現(xiàn)自由流狀態(tài)下，交通流中駕駛者個(gè)體期望車速的差異是導(dǎo)致車速離散的直接原因，且車速的離散程度隨著個(gè)體期望車速離散程度的增大而增大。擁擠狀態(tài)下，交通擾動(dòng)是產(chǎn)生車速離散現(xiàn)象的主要原因，且車速離散程度隨著擾動(dòng)強(qiáng)度的增大而增大。當(dāng)交通擾動(dòng)為周期性擾動(dòng)時(shí)，理論上存

7、在一個(gè)與擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間、交通波速以及擾動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)的最不利擾動(dòng)周期，在該周期擾動(dòng)影響下，擾動(dòng)上游交通流的車速離散程度達(dá)到最大。 改進(jìn)了廣義變道跟馳模型，丟棄了原模型中對(duì)變道行為的不合理的激勵(lì)作用，并基于改進(jìn)的模型數(shù)值模擬了多車道變道行為對(duì)車速離散現(xiàn)象的影響作用，發(fā)現(xiàn)變道率越高，車速離散性越大。 基于中國(guó)和荷蘭高速公路、城市快速路交通流數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)了車速離散性在Wu提出的基本圖上四個(gè)不同狀態(tài)下具有不同的分布特征。在自由流非

8、車隊(duì)狀態(tài)，車速離散性分布范圍很寬且與交通流量、密度之間無相關(guān)性；在自由流車隊(duì)狀態(tài)下，交通流的車速離散度都很低(ASD<5km/h)；在擁擠車隊(duì)狀態(tài)下車速離散度與交通密度之間存在這樣一個(gè)趨勢(shì)，即相同平均速度水平下車速離散度越低交通流密度越高；在擁擠堵塞狀態(tài)下，車速離散度的變化特征具有較大的隨機(jī)性，且與交通流量、密度之間無明顯的相關(guān)性。 基于Kemer的三相交通流理論，引入了車速離散度一項(xiàng)，建立了相同平均速度下非穩(wěn)態(tài)交通流密度與穩(wěn)態(tài)