交通流穩(wěn)定性影響因素分析

交通流穩(wěn)定性影響因素分析

交通擾動是破壞交通流穩(wěn)定和交通擁堵的重要原因。速度的變化是交通擾動的最常見形式。道路幾何條件和環(huán)境條件的變化會干擾交通流的速度。stryker發(fā)現(xiàn)，當車輛通過隧道時，它們會無意識地加速，因此有必要停止并減速速度。這種剎車是速度擾動的第一個來源，sdie、foye和kosh也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。盡管cile等人發(fā)現(xiàn)，當高速公路密度超過45veh（mileln）時，交通流是不穩(wěn)定的，原因是賬單。elfender對隧道和公路沒有影響。即使它受到駕駛員行為本身的隨機性和交通流量不均的影響，速度也會發(fā)生變化。在這項工作中，我們總結(jié)了交通擾動的各種原因，并分析了發(fā)生條件和事件的原因。1交通擾動的漸進和漸進穩(wěn)定性微觀跟車模型中穩(wěn)定性包含2層意思:局部穩(wěn)定和漸進穩(wěn)定,本文主要討論漸進穩(wěn)定.交通擾動在沿著車隊傳播的過程中,是否使交通流趨向不穩(wěn)定取決于背景交通狀況、駕駛員特性和車隊均一性的共同作用.1.1駕駛員特征1.1.1陣風下模式.在合理同時保持了車距小和反應(yīng)的滯后性,容易引發(fā)交通流不穩(wěn)定交通流不穩(wěn)定。根據(jù)陣風模型設(shè)計了,是造成交通流不穩(wěn)定車駕駛員按其在跟車過程中對前車的緊隨傾向的不同可以分為冒險型和保守型2種.冒險型駕駛員具有快速反應(yīng)能力和強烈的緊隨愿望,但當前車速度發(fā)生較明顯變化時,由于車間距過小和反應(yīng)的滯后性,從而很容易引發(fā)交通流的不穩(wěn)定.保守型駕駛員其反應(yīng)能力相對較弱,而安全意識較強,沒有強烈的緊隨愿望,因此在跟車行為中往往與前車保持較大的車間距,在前車速度發(fā)生變化時能夠從容的調(diào)整自身速度并保證行車安全性,因此,與冒險型駕駛員相比,對減小擾動振幅和抑制不穩(wěn)定交通流的形成起到了積極作用.1.1.2反應(yīng)時間的影響駕駛員的反應(yīng)特性是指在跟車條件下,后隨車對前導車速度波動形成的“刺激”的反應(yīng)能力.駕駛員對刺激的反應(yīng)過程可以分為感覺、認識、判斷、執(zhí)行4個階段,反應(yīng)時間(reactiontime)是4個階段的時間綜合.用T表示反應(yīng)時間,T1,T2,T3,T4分別表示4個階段的時間.有些T值較大的車輛并非真正的反應(yīng)遲鈍,而是“快反”而“遲應(yīng)”,即在判斷階段和執(zhí)行階段中間存在“觀望階段”.1.1.3車輛各時間擾動的傳播—預(yù)測特性即駕駛員在對前方擾動進行感覺、認識(相當于反應(yīng)時間的前2個階段)之后,估計擾動傳播到自身的時間,稱為“預(yù)測時間(anticipationtime)”,見圖1.當前導車出現(xiàn)速度擾動后,后隨車對擾動傳播到達時間的估計過程可用圖1a)表示.設(shè)0表示前導車,1表示后隨車(車輛編號依此類推),車輛的初始運行速度均為v,車間距為b0.設(shè)在t0時刻車輛0發(fā)生了速度擾動,車速變化到v1,擾動向上游傳播的速度為-w.由于反應(yīng)的滯后性,后隨車1在t0+Δ1時刻才意識到前車速度的變化,而在Δ1時段內(nèi),后隨車1仍然以速度v行駛,此時的車間距是b1,1+b1,2,而擾動波的位置在x1.假設(shè)后隨車不變速,擾動波到達車輛1的時刻為t0+Δ1+Δ2,則Δ1=b1,2+b1,3v+|-w|?Δ2=b1,1v+|-w|.其中Δ1相當于反應(yīng)時間中的感覺、認識階段時間之和;Δ2則表示后隨車預(yù)測到的擾動波到達的“預(yù)測時間”,設(shè)擾動在車輛之間的傳播時間為τ,則τ=Δ1+Δ2=b0v+|-w|.實際交通流中由于車型不單一使得后隨車有機會觀測到前面第2輛車或更遠車輛的運行過程.此時,后隨車將會在擾動波尚未到達緊前車時就感覺到擾動波的存在.如圖1b)所示,車輛2可以觀測到前面兩輛車的變化,當頭車0在t0時刻發(fā)生速度擾動時,車輛2在t0+Δ3時即感覺到前方的擾動,相應(yīng)的擾動波的位置在x2,此時擾動傳播到自身的時間為Δ4=b1,1+b0v+|-w|.顯然此時車輛2有充足的時間對即將到來的擾動做出反應(yīng),然而車輛2所采取的措施仍與其緊前車1的反應(yīng)情況有關(guān).1.2均一黨務(wù)車種的理解車輛的均一性(或稱為均質(zhì)性)特征指的是車流中具有不同反應(yīng)特征的車輛駕駛員的分布情況,可以從2個方面來理解:(1)稱期望的安全距離相等、嚴格保持車間距的車輛為理想車輛,完全由這樣的車輛組成的車隊稱為均一車隊,否則稱為非均一車隊;(2)稱能夠在擾動波到達之前很好地預(yù)測并快速做出反應(yīng)的駕駛員為穩(wěn)定型駕駛員.由于這些駕駛員希望自身車輛受擾動的影響盡量小,因此他們是通過穩(wěn)定自身從而間接的穩(wěn)定整個交通流.2穩(wěn)定條件2.1交通流穩(wěn)定性分析Daganzo以三角形基本圖為例,用“意識波”和“激波”相互關(guān)系解釋交通流的穩(wěn)定性標準.如圖2a)所示,設(shè)車輛0在t0時刻速度發(fā)生擾動(速度由v1變化到v2),車輛1,2分別在時刻t0+h,“意識”到擾動,即“意識波”傳播速率為-wa,而擾動在車流中傳播的速度為-w.僅當速度變化的意識波在激波到來之前被每輛車感受到時,車流才是穩(wěn)定的,否則,車輛將不能及時做出反應(yīng),交通流將變得不穩(wěn)定.即圖2b)中OQ位于虛線的下方,也就是1/h>kj·w,或h<τ,其中τ的含義與前文相同.穩(wěn)定性條件1/h>kj·w為交通流穩(wěn)定的必要條件.2.2均衡狀態(tài)下擾動波的估計文獻給出了跟車模型的一般穩(wěn)定性標準.設(shè)τ為擾動波在車輛之間的傳播時間,v為車輛速度,c(負值)為波相對于道路的車速,b為車頭間距,則τ=bv-c.Holland引入預(yù)測點(anticipationpoint)的概念,設(shè)x表示車輛位置,n為車輛編號,當交通流處于均衡狀態(tài)時,認為車輛編號是等價于x/b的變量.對處于跟車狀態(tài)的前車0和后車1的位置進行泰勒展開,兩車的車頭間距為x(0)-x(1)=dxdn(α)+[(1-α)2-α22]d2xdn2(α)+?,使第2項差分項為0,則有α=12,這就意味著如果認為車輛數(shù)和車頭間距是關(guān)于位置的連續(xù)變量,則x(0)-x(1)=dxdn(12)≈x(0)-x(12).如果假設(shè)擾動在恒定的背景中傳播,駛過來的第n+1輛車意識到擾動波時,擾動波的位置可以用虛擬的第n+α輛車位置來估計,稱α為預(yù)測點,如圖3所示.預(yù)測時間=預(yù)測點(α)×車輛間傳播時間(τ).若滿足預(yù)測時間大于反應(yīng)時間,即α·τ>T,交通流將保持穩(wěn)定.如果不能滿足,擾動波在沿車隊傳播時變得不穩(wěn)定.根據(jù)這一標準,“單前視”跟車模型的穩(wěn)定性條件都可表達為λΤ<12.式中:T為反應(yīng)時間;λ為反應(yīng)靈敏度.λΤ<12可稱為交通流穩(wěn)定性的充分條件.2.3交通流穩(wěn)定性的充分條件設(shè)各參數(shù)含義不變,則前文提到的交通流穩(wěn)定性的必要條件為h<τ,即意識到擾動的時間短于擾動波傳到自身的時間.其中h實際上應(yīng)該對應(yīng)駕駛員特性一節(jié)中的反應(yīng)時間的前3個階段,即h=T1+T2+T3,而非真正的反應(yīng)時間T.交通流穩(wěn)定性的充分條件為α·τ>T,即預(yù)測的擾動波傳到自身的時間大于車輛的反應(yīng)時間.其中的T也并非實際的反應(yīng)時間,因為后車預(yù)測到擾動波時已經(jīng)對擾動進行了感覺和認識,嚴格的說此處的T僅為判斷和執(zhí)行階段時間,即T=T3+T4.在發(fā)生擾動的情況下交通流保持穩(wěn)定,則一定是車輛在擾動波到達之前(τ時段內(nèi))意識到擾動,因此h<τ是交通流穩(wěn)定性的必要條件.當駕駛員在意識到擾動波(h時段)后,而此時擾動波尚需α·τ時間才到達,只有(T3+T4)<α·τ時才能保持交通流穩(wěn)定,因此(T3+T4)<α·τ是交通流穩(wěn)定的充分條件.3車輛軌跡線的建立已有研究表明,在密集交通流中,交通擾動容易演變成不穩(wěn)定交通流.擾動在交通流中傳播時的擴散、收斂情況以及擾動振幅的變化情況可用下面的過程來解釋.以三角形基本圖為例,如圖4b)所示,其中:C為通行能力,對應(yīng)的流量為q0;ˉCA段表示反λ基本圖和三角形基本圖的區(qū)別.設(shè)一隊車輛,起初以通行能力狀態(tài)運行,相應(yīng)的速度、車頭時距分別為vf和h0,經(jīng)歷擾動后仍以通行能力狀態(tài)離開,相應(yīng)的車輛軌跡圖對應(yīng)圖4a).假設(shè)前導車0在某時刻受到擾動后以狀態(tài)B行駛,速度變?yōu)関1.在前文所述各種因素影響下,車隊的運行可能呈現(xiàn)下列方式.假設(shè)車輛1的反應(yīng)時間t1等于擾動波在2輛車之間的傳播時間τ,則車輛1在時間t1后復(fù)制車輛0的運動軌跡,擾動并無擴大.由于反應(yīng)遲緩,或緊隨愿望過強,車輛2減速的時間滯后車輛1的時間為t2,且t2>τ,根據(jù)交通流穩(wěn)定的充分條件,和逆否命題與原命題等價這一結(jié)論,則車輛2使交通流變得不穩(wěn)定.如果車輛2,3組成均一車隊,則車輛3將以一定的滯后時間復(fù)制車輛2的軌跡,對緩解車流不穩(wěn)定不起作用.車輛4恢復(fù)了車輛1的特性,在初始擾動波①到達時降速,又將擴大的擾動恢復(fù)到初始水平.車輛5,6將反應(yīng)時間縮短為t5,t5<τ,使車流漸近穩(wěn)定,但擾動區(qū)域卻不能在短時間內(nèi)消失.只有當上游的交通需求變小時,如極端情況,車輛7的車頭時距為h2=1/k2(對應(yīng)于圖4b)的D點),才可以將車輛0引發(fā)的擾動吸收.如果車輛到達情況所處的狀態(tài)對應(yīng)于圖4b)的CAˉ段,而駛出擾動的車輛只能以通行能力狀態(tài)離開,則交通流必將變得不穩(wěn)定.圖5為真實情況中某條高速公路車道上車輛軌跡線圖,初始的速度擾動導致車輛停車的實例,字母表示速度發(fā)生明顯變化的點.4擾動是否引發(fā)交通流不穩(wěn)定影響文章圖解了擾動誘發(fā)交通流不穩(wěn)定的機理.外部的道路條件、環(huán)境因素和密集交通流的隨機波