考虑横向偏移和超车可能性的跟驰模型研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.83MB 61 页 15积分

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摘要

伴随着经济发展、社会进步，人类社会城市化的进程在加快，但是城市道路

和公路交通拥堵的现象也跟着越来越严重，这是因为汽车拥有量一直在增加，但

是相应的道路数量、交通设施等并没有随着大量增长。因此，探究在道路上的车

辆的微观跟驰行为，找出可能存在的客观规律，分析车辆队列中的微小扰动对车

流运行过程的作用机理，用于合理解释客观实际的交通问题，寻求消除这些问题

的合理方法是非常必要的，也具有理论价值和实践指导意义。

综合车辆跟驰相关理论，本文以双车道公路中一条车道上的车辆跟驰行为进

行研究。首先，从公路上车辆行驶方向将双车道公路分为双向行驶双车道和单向

行驶双车道。其次，分类分析双车道公路上车辆跟车行驶需要超车时，需要满足

哪些条件。然后，本文分别在考虑这些因素的基础上，定义超车可能性，并将这

些制约驾驶员超车的因素以数值大小或参数来表示超车可能性。

本文借鉴了有关学者的研究的车辆跟驰模型，在该模型考虑的因素的基础之

上，对该模型中前导车的横向偏移的影响进行了延伸研究，将横向偏移和超车可

能性结合起来，扩充了相关模型。

在提出模型的基础之上，对该模型进行了稳定性分析，讨论了不同横向偏移

程度、不同超车可能性以及不同车头间距时的模型的临界车头间距和驾驶员临界

敏感系数的变化趋势，并尝试从实际的交通现象角度对该变化趋势进行解释。

接着，本文利用仿真软件对模型进行了模拟：在开放性边界下，取一定数量的

车辆，给定初始的速度和车头间距，然后对车流施加一个小扰动，模拟一定时长

内，车流整体在小扰动刺激下的变化趋势。通过模拟分析知道：在跟驰车流密度

较小，车流速度较大时，前导车的横向分离程度越大，超车可能性程度越大，能

够促进交通流从扰动状态演化为稳定状态，从而一定程度上抑制交通堵塞发生；

但当跟驰车流密度较大，车流速度较小时，前导车的横向分离程度越大，超车可

能性程度越大，却会加剧交通流的扰动，车流出现明显的波动现象，提高了堵塞

现象发生可能性。研究发现，模型仿真结果与某些实际交通现象相吻合，证实了

模型的有效性。

这些研究对于车辆跟驰行为的研究具有一定的理论价值，对于实际的交通驾驶

管理和研究等具有一定的指导意义。

关键词：车辆跟驰双车道超车可能性横向偏移虚拟前车

ABSTRACT

Along with the development of economic and social progress, the process of

human society urbanization is speeding up , but the traffic congestion phenomenon on

city road and highway is more and more serious, It is because although the car

ownership has been increasing, the number of corresponding road, transportation

facilities has not been grown a lot at all. Therefore, exploring the microscopic following

behavior of vehicles on the road, finding out the possible existence of objective laws,

analyzing the operation mechanism of small disturbance on vehicle queue are very

necessary for explaining the objective actual traffic problems reasonably and seeking a

reasonable way to eliminate these problems. Also the study has theoretical value and

practical significance.

In combination with related vehicle following theory, the paper studies the

following behaviors on one lane of a two-lane highway .Firstly, two-lane highways

were divided into two-direction two-lane highway and one-direction two-lane highway.

Secondly, what conditions are needed for a car to overtake on a two-lane highway was

studied. Then, based on all these factors, the paper defined overtaking possibilities, and

expressed the possible size of overtaking possibilities considering all these factors.

The paper took advantage of a car –following model created by some scholars,

based on this model, the paper took a wide research on the influence of lateral

displacement. The paper extended this model by considering lateral displacement and

overtaking possibilities together.

On the basis of the proposed model, the paper analyzed the stability of this model,

discussed the change trend of critical space and critical sensitive coefficient under

different degree of lateral migration, different overtaking possibilities, different space, it

tried to explain the change trends from the perspective of the actual traffic phenomena.

Then, the paper simulated this model by using simulation software: under open

boundary, taking a certain number of vehicles, the initial speed and space were given, a

small perturbation was placed, then simulated within a certain time, and observed

traffic flow trend in small disturbance.

Through the analysis some conclusions were got : under the condition of minor

density and faster speed ,when the lateral separation of leading vehicle is larger ,the

number of overtaking possibilities is bigger ,they have a negative influence on making

traffic flow turn to stable from disturbance, they inhibit the occurrence of traffic jams

indirectly. On the contrary, under the condition of larger density and slower speed ,

when the lateral separation of leading vehicle is larger ,the number of overtaking

possibilities is bigger ,they have a positive influence on making traffic flow turn to

stable from disturbance, they promote the occurrence of traffic jams. Studies have found

that the results of model simulation are consistent with some actual traffic phenomenon,

so the validity of the model was confirmed.

Key Words: Car-following, Two-lane Highway, Overtaking

Possibilities, Lateral Migration, Virtual Ahead Vehicle

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................................................................ 1

1.1 研究背景及意义 .................................................................................. 1

1.1.1 研究背景 ........................................................................................ 1

1.1.2 研究意义 ........................................................................................ 2

1.2 车辆跟驰国内外研究现状 .................................................................. 2

1.2.1 车辆跟驰国外研究现状 ................................................................ 2

1.2.2 车辆跟驰国内研究现状 ................................................................ 3

1.3 论文基本思路及研究内容 .................................................................. 4

1.3.1 基本思路 ........................................................................................ 4

1.3.2 研究内容 ........................................................................................ 4

第二章跟驰模型研究的分类 .............................................................................. 6

2.1 交通工程角度的跟驰模型研究 .............................................................. 6

2.1.1 刺激反应类模型 ............................................................................ 6

2.1.2 安全距离类模型 ............................................................................ 7

2.1.3 心理-生理类模型 ........................................................................... 7

2.1.4 人工智能类模型 ............................................................................ 9

2.2 统计物理角度的跟驰模型研究 ............................................................ 10

2.2.1 优化速度类模型 .......................................................................... 10

2.2.3 元胞自动机模型 .......................................................................... 11

第三章双车道超车可能性定义和研究 ............................................................ 13

3.1 双车道公路超车模型研究 ..................................................................... 13

3.1.1 NLBFVD 模型 ............................................................................. 13

3.1.2 双车道公路分类和超车的定义 .................................................. 13

3.2 双向行驶双车道超车可能性研究 ........................................................ 14

3.2.1 超车的产生及形式 ....................................................................... 14

3.3 单向行驶双车道超车可能性研究 ......................................................... 20

3.4 本章小结 ................................................................................................. 26

第四章模型仿真和验证 .................................................................................... 27

4.1 基于横向偏移和超车可能性的跟驰模型 ............................................ 27

4.2 线性稳定性分析 ..................................................................................... 28

4.3 数值模拟 ................................................................................................ 33

4.4 本章小结 ................................................................................................ 48

第五章结论与展望 ............................................................................................ 49

5.1 研究的主要结论 .................................................................................... 49

5.2 研究的主要贡献 .................................................................................... 50

5.2.1 超车可能性的定义和参数取值确定 ........................................... 50

5.2.2 基于超车可能性和横向偏移模型的提出 ................................... 50

5.2.3 模型具有实际意义 ...................................................................... 50

5.3 展望 ........................................................................................................ 51

参考文献 ................................................................................................................ 52

在读期间公开发表的论文和承担科研项目取得成果 ........................................ 57

致谢 ........................................................................................................................ 58

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

车辆跟驰（car following）行为是交通工程领域里最基本的微观驾驶行为。车

辆跟弛理论的研究对象是限制超车的单车道上的行驶车队，研究内容是描述行驶

车辆队列中前后相邻车辆（两辆或多辆）之间的相互作用[1]

跟驰模型是运用动力学的方法来研究前导车（leading vehicle）运动状态变化

所引起跟驰车(following vehicle)的对应的驾驶行为，通过分析每个车辆逐一跟驰的

方法来了解单车道交通流跟车的特性，从而将驾驶员的心理、刺激反应行为等微

观的驾驶行为和宏观的交通流现象之间有效衔接并进行合理解释[1]。

车辆跟驰理论研究具有十分广泛的应用价值：它可以用于微观的交通仿真、

可以用于道路通行能力分析、可以用于道路车辆自巡航控制、还可以用于道路交

通安全评价等领域。所以，60 多年来该研究领域吸引了交通工程之外其它众多领

域的学者进行深入的研究：心理学、物理学、系统工程、自动控制、车辆工程等，

并且也取得了很多具有实际价值的研究成果[2-7]。

也因此，跟驰理论经历这么多年发展之后，已经成为交通工程学、交通流理

论的核心内容和重要课题之一。

正是因为跟弛模型在各个领域的重要性，所以引起了作者对车流的这一微观

现象研究的兴趣和热情。

分析跟弛理论 60 多年来的研究成果，发现这是一个逐渐完善的过程：由简单

到复杂的道路条件、由落后到发达的研究方法、由单一到丰富的研究视野。同时

也能发现这些研究在更深层次的不足，经过对比作者发现了一个目前来说最明显

的限制条件是之前 50 年的很多研究的道路假设前提是理想车道：道路条件良好，

驾驶员没有超车愿望、车辆都安安稳稳沿着道路中心线行驶。而这是不符合现实

中车辆沿着车道中心线发生横向的偏移，同时，前车的边界空隙足够大时，后车

司机是有超越前车的冲动的。

所以，作者的研究方向就是从车辆存在横向偏移现象和驾驶员对超车刺激的

反应角度出发进行研究。

上海理工大学硕士学位论文

1.1.2 研究意义

在接下来的研究中，作者希望能够对车辆跟弛模型进行补充和完善。从理论

方面更贴近实际道路上的车辆行驶状态，在跟弛理论在实际的应用中起到一定的

支持作用。

1.2 国内外的车辆跟驰理论研究现状

1.2.1 车辆跟驰国外研究现状

车辆跟弛的概念最先出现于 1950 年的 Reuschel[8]和1953 年的 Pipes[9]研究文献

中。他们从运动学的角度分析了行驶队列中的车辆。在相应研究文献中 Pipes 设想

车辆驾驶员希望与前车在行驶时保持一个安全的跟车间距[9]。

在之后的数年间，通用汽车（General Motors）实验室在研究跟驰理论方面做

了大量的工作，这些研究工作为跟驰模型的基础性研究做了许多贡献，并且这些

研究成果的影响一直持续到现在[10-11]。Chandler 等[12]于1958 年提出 GM 模型的原

型，该模型基于刺激-反应的模式，该模型考虑了跟驰车加速度与前后车相对速度

之间的关系。接着，在 1959 年Herman 等[13]基于 GM 模型研究了车流中局部稳定

性和渐进稳定性的问题。同年 Gazis 等[14]对GM 模型积分，由跟驰模型推导得到

Greenberg 宏观的流量-速度关系模型，该研究成果把交通流微观模型和宏观理论联

系了起来。同一时期其他学者也都相继提出了相似的理论模型，所有这些研究工

作促进 GM 模型成为最重要和最经典的车辆跟弛模型。GM 模型的这些研究在跟

弛模型发展为微观交通流理论中的核心内容进程中起到了举足轻重的作用。

20 世纪 60 年代之后，许多学者尝试着从心理学，视觉和知觉角度来分析和研

究车辆跟弛现象[15]。在 1963 年Michaels[16]第一次将心理学相关理论引入到跟驰建

模中来；其他学者通过心理学试验，验证了 Michaels 的观点并建立了具体的模型。

从1995 年起 Bando 等[17]提出优化速度（OV）模型之后，许多物理学方面的专家

学者开始把研究的目光转移到车辆跟弛上来，接着出现了广义力模型、出现了全

速度差模型和智能驾驶模型等。这些学者试图通过建模来描绘出宏观交通流中的

非线性特性：交通失稳、时走时停、激波相变等，以此来解释实际的道路上交通

阻塞的形成与消散的原理[18-22]。

进入 21 世纪以来，智能交通系统（ITS）的快速发展和现代交通检测技术的

明显进步，使得研究 ITS 环境下的跟弛行为变得十分重要。这些模型着重点在“车

路协同”环境下研究车辆与车队之间的互动与协同建模。通过对信息化环境下车

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摘要：

摘要伴随着经济发展、社会进步，人类社会城市化的进程在加快，但是城市道路和公路交通拥堵的现象也跟着越来越严重，这是因为汽车拥有量一直在增加，但是相应的道路数量、交通设施等并没有随着大量增长。因此，探究在道路上的车辆的微观跟驰行为，找出可能存在的客观规律，分析车辆队列中的微小扰动对车流运行过程的作用机理，用于合理解释客观实际的交通问题，寻求消除这些问题的合理方法是非常必要的，也具有理论价值和实践指导意义。综合车辆跟驰相关理论，本文以双车道公路中一条车道上的车辆跟驰行为进行研究。首先，从公路上车辆行驶方向将双车道公路分为双向行驶双车道和单向行驶双车道。其次，分类分析双车道公路上车辆跟车行驶需要超车时...

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