基于多车期望效应的道路交通流演化机理和应用研究

Traffic congestion is one of the most serious problems that weaken the development of social economics and lives. Due to the problems on the research of the evolution mechanism of road traffic flow, this project aims to investigate the multi-vehicle anticipation effect based on the data of traffic flow characteristics and vehicle trajectories. The mechanism and dynamical features of multi-vehicle anticipation effect will be intensively explored, after which microscopic road traffic flow models will be proposed, including the cellular automata and car following models. The defects on the models of fundamental diagram approach, the definition flaws of synchronized traffic flow and the Z-shaped density function for passing probability and probability of over-acceleration of three-phase theory will be solved. The evolution and propagation mechanisms of various traffic flow phenomena will be reproduced and illustrated from the perspective of simulation and theoretical analysis. Finally optimization methods for the traffic flow operation will be pursued. The completion of the project can provide the theoretical guidance for the traffic engineering practice, and promote the development and interdisciplinary between the transportation science, management science, system science and other related disciplines.

交通问题已严重影响城市经济发展和居民正常生活。针对道路交通流演化机理研究存在的问题，本项目将从道路交通流微观特性入手，通过调查与分析交通流基本参数数据和车辆行驶轨迹数据，深入研究多车期望效应的作用机理，明确多车期望效应的具体动力学特征，构建基于多车期望效应的道路交通流微观模型，解决基本图方法在模型方面以及三相交通流理论在同步流定义和换道概率Z型特征结构方面存在的问题，从仿真和解析的角度再现并解释道路交通流各种复杂现象的形成机理和传播特性，探寻优化交通流运行状态的管控策略，为交通工程实践提供理论指导，并促进交通科学、管理科学和系统科学等学科的交叉和发展。

针对道路交通流演化机理研究存在的问题，本项目将从道路交通流微观特性入手，通过调查与分析交通流基本参数数据和车辆行驶轨迹数据，从多车期望效应入手，研究同步交通流的产生机理，构建相关的道路交通流微观模型，从仿真和解析的角度再现并解释道路交通流各种复杂现象的形成机理和传播特性。本项目对美国的开源数据-NGSIM项目提供的US101高速公路车辆轨迹数据进行了分析并且开展了车队跟驰实验，展开了司机驾驶行为和拥挤在车辆中的传播过程研究工作，发现：（1）在短时间内，当前后两车的行驶速度接近时，后车期望与前车保持一定的空间距离（期望间距）；（2）即使前后车的行驶速度趋于相同以及后车与前车的空间距离趋于期望间距，后车基本上都处在加速或者减速的状态；（3）在行驶的车队中，车辆的速度标准差沿车辆上游方向呈现凹增长形式；（4）交通拥挤遵循相同的发展规律并且与瓶颈类型以及车辆换道行为无关（5）基本图方法模型预测的拥挤呈现凸增长形式，不符合观测结果；（6）假设在速度-空间间距平面上存在二维区域的随机模型预测结果和观测结果一致。项目对道路交通流理论模型展开了深入研究：（1）通过引入安全速度及随机慢化概率的logistic函数，提出了一种改进的元胞自动机模型。模拟显示改进模型可以再现交通流亚稳态，时空演化特性，以及相变行为。参数辨识和检验表明模型模拟结果可以与实验数据(振荡的凹增长)和实测数据(检测器数据)定量相符，基于此我们发现随机性是造成交通拥堵的重要因素；（2）通过考虑高速和低速驾驶行为的不同，提出了一种改进的2D-IDM模型。模拟显示改进模型可以再现同步流到堵塞的相变，交通流时空演化特性，以及交通振荡的凹增长特性。模拟结果与实际浮动车数据亦十分相符；（3）在刹车灯模型的基础上，考虑期望车头时距大于一秒的情形，提出了一个改进的元胞自动机模型。由于随机慢化因素，车辆状态能够动态遍历一个二维区域。该模型能够模拟(i)自由流、同步流、堵塞及三相之间的相变行为;(ii)速度的时空演化特性以及扰动的增长特性；（iii）NGSIM实测数据的速度演化。模型还能刻画车头时距的分布。基于此，我们指出，如果一个模型能够动态遍历一个二维区域，即有可能刻画交通流的实验和实测特性。项目在TR-B, TS, TR-C, TRF 等国内外重要学术期刊和学术会议上发表和录用发表SCI论文10篇。