混入自动驾驶汽车的高速公路交通流微观建模与仿真方法研究

Based on the properties of traffic state perception and automatic control of the autonomous vehicel, this project plans to study the microscopic traffic flow model for the autonomous vehicle which satisfies the requirement of traffic safety and comfortability from the traffic engineering point of view. Models the project focusing on include the steady "speed-spacing" relation model, car-following acceleration optimizing model, non-mandatory lane changing demand model, lane changing condition model and lane changing trajectory control model. Considering the difference of response delay between autonomous vehicles and manual vehicles, the microscopic numerical simulation experiment will be designed for the autonomous-manual mixed traffic flow in besic freeway segments. The studies of microscopic numerical simulaiton experiment designing include data structure optimizaiton, vehicle time-space updating algorithm optimization, traffic generator and bottleneck designing. Finally, on the basis of the microscopic traffic flow modeling for the autonomous vehicle and numerical simulation designing, the characteristics of traffic dymamics and capacity of basic freeway segment will be studied under various autonomous-manual mixed traffic conditions. The project will not only provide theoritical demonstration for the evaluation of the effects of autonomous vehicles on freeway capacity in our country, but promote the common development of traditional traffic flow theory and intelligent transportation system as well.

本项目基于自动驾驶汽车在交通状态感知与自动驾驶控制方面的性能特点，从交通工程学角度，研究面向我国高速公路交通特点且满足交通安全性与舒适性要求的自动驾驶汽车微观交通模型，包括稳态"车速-车间距"关系模型、跟驰加速度优化模型、非强制性换道需求表达模型、换道条件确定模型及换道过程轨迹控制模型。针对自动驾驶汽车与常规人工驾驶汽车在反应延迟方面的差异，研究自动驾驶汽车与常规人工驾驶汽车混合的高速公路基本路段混合交通流微观数值仿真实验设计方法，包括数据结构优化设计方法、车辆时空状态更新优化算法以及混合交通流发生装置和瓶颈装置的设计方法。最后，项目拟在自动驾驶汽车微观交通模型和混合交通流数值仿真研究的基础上，进一步研究混入不同比例自动驾驶汽车的高速公路交通流宏、微观特性及通行能力特性。项目研究为量化评估自动驾驶汽车对我国高速公路通行能力的影响作用提供理论依据，促进传统交通流理论与智能交通系统的共同发展。

本项目基于自动驾驶汽车在交通状态感知与自动驾驶控制方面的性能特点，从交通工程学角度，研究了面向我国高速公路交通特点且满足交通安全性与舒适性要求的自动驾驶汽车微观交通模型。.项目重点研究内容主要体现在以下三个方面：智能网联车辆（Connected and Autonomous Vehicle，CAV）异质交通流基本图模型与通行能力分析方法、CAV异质交通流LWR（Lighthill-Whitham-Richards）模型与元胞传输模型（Cell Transmission Model，CTM）、以及基于微观跟驰模型的CAV异质交通流稳定性解析方法。.（1）基于CAV异质交通流车辆相对空间位置的随机性特点，研究了CAV异质交通流中CACC车辆、ACC车辆以及人工驾驶车辆的数学期望比例解析式，应用平衡态“速度-车间距”函数模型，提出了关于不同CAV市场率下的异质交通流基本图模型，并以此为基础，提出了智能网联背景下交通流通行能力的系统性分析方法，进而从CAV异质交通流通行能力的角度，形成了CACC车辆与ACC车辆模型参数优化设计方法。.（2）研究了CAV异质交通流流量-密度基本图曲线斜率表达式，提出了异质交通流交通波速理论计算方法，从CAV异质交通流基本图模型角度提出了宏观交通流LWR模型的建模方法，分析了CAV异质交通流三角形基本图关键特征量，提出了CAV背景下的异质交通流多车种CTM建模方法，从而形成了大规模CAV背景下异质交通流的宏观交通状态演化分析方法。.（3）基于微观交通流跟驰模型的多种模型结构类型，提出了CAV异质交通流稳定性的一般性解析框架：基于传统跟驰模型结构的CAV异质交通流稳定性解析方法、考虑紧邻前车加速反馈的CAV异质交通流稳定性解析方法、以及考虑多前车加速度反馈的CAV异质交通流稳定性解析方法，并以此为基础，形成了CAV异质交通流稳定性优化设计方法。同时，研究了系统稳定性与交通安全及排放之间的内在关联性，突出CAV异质交通流稳定性理论解析研究的交通工程意义，实现了系统稳定性理论研究与交通工程应用的有效结合。.项目研究为量化评估自动驾驶汽车对我国高速公路通行能力的影响作用提供理论依据，促进传统交通流理论与智能交通系统的共同发展。