基于微观仿真的城市交通宏观基本图特性研究

Traffic congestion has been an obstacle of urban development. We need to study the mechanisms and methods of maintaining high traffic flux in the case of high vehicle density. The Macroscopic Fundamental Diagram shows that there is a well define relation of traffic flux and vehicle density. This project will carry out microscopic simulation of urban traffic systems based on cellular automaton models, considering the road and intersection characteristics, route-choice and driving behavior, traffic loading features and traffic management strategies. We will study the properties of Macroscopic Fundamental Diagram, together with the congestion formation and spreading, so as to investigate the mechanical reason for traffic capacity drop in urban traffic systems. The results will be verified by some empirical data of urban traffic systems, and will be used to evaluate the efficiency of some traffic management strategies. The project combines the advantages of both microscopic simulation and Macroscopic Fundamental Diagram, and therefore will sharpen the understandings of urban traffic system. The outcomes will benefit the alleviation of traffic congestion, the saving of energy, the protection of environment, and the effective transportation.

交通拥堵已经成为制约城市发展的难点问题，需要研究在高车辆密度下保持较高流量的机理和方法。宏观基本图理论认为城市路网的交通流量-车辆密度之间呈现具有单一峰值的曲线。本项目拟对城市交通进行元胞自动机微观仿真，考虑路段和交叉口设置、驾驶行为和路径选择、交通负载、交通管控策略等因素，对这些因素导致城市交通宏观基本图特性变化的机理进行深入研究，分析交通拥堵形成和扩散的特点，探索城市交通系统通行能力下降的根源。模拟结果将与一些城市交通实测数据进行比对，并用于评价现有交通管控策略的可行性和效果。微观和宏观相结合，抓住城市交通复杂性、动态性的特点，为制定切实可行的城市交通管控策略提供依据。项目研究将加深人们对城市交通这一复杂巨系统的认识，有助于减轻交通拥堵、节能减排、高效出行。

本项目基于微观建模模拟和实验实测修正，对城市交通宏观基本图的基本性质和影响因素进行研究，项目研究结果对提高城市交通系统效率，减少交通拥堵和事故发生有重要意义。课题组按照预定计划，经过四年的深入研究，超额完成了预期目标。主要研究结果有：建立了城市交通系统微观模拟模型，复杂环境下大规模车辆/人群运动仿真模型，以及基于宏观基本图的交通性能描述方法。研究了路径选择、交通管控对路网交通拥堵形成、扩散和消散的影响特征，得到了微观交通行为影响宏观基本图性质的机理和规律。完善了边界交通流量控制策略、基于行人心理行为分析建模的交通拥堵疏散方法，优化的交通反馈信息量，以及改进的含时最短路径策略。研发了高密度车辆/人群疏散模拟技术，完善了路网交通流稳定性分析理论和拥堵疏散方法。这些研究为路网动态环境下交通拥堵机理分析提供了数据支撑，为降低交通拥堵和事故发生提供了重要理论基础。研究结果整理发表SCI检索的标注论文27篇，其中包含JCR 1区刊物Energy Conversion Management，Trans. Res. C，Nat. Sci. Rev.，Chaos Solitons Fractals论文各1篇，Phys Rev E 论文2篇, Physica A论文 5篇, J Stat Mech 论文4篇。课题组联合相关科研院所研发了快速求解算法程序，并在地铁站点行人流疏散模拟、航空网络交通路线优化方面得到应用，荣获了2019年度中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖（排名第2），以及2017年度教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学类一等奖（排名第3）。课题组成员参加国内学术会议交流学术成果14次，参加国际学术会议交流学术进展1次，并作了口头分组报告。项目研究培养了2名硕士研究生和6名博士研究生获得学位，另有7名硕士研究生和3名博士研究生在读。项目研究大大加深了对城市交通这个复杂巨系统的理解，将网络逾渗、耦合网络、宏观基本图等新兴概念、方法和手段交叉融合到城市交通流的研究中，促进了物理学、交通管理学、流体力学等多个学科的交叉发展，并为实际城市中降低交通拥堵和事故发生提供了重要的理论基础和依据。