第四章--现代交通流理论优秀PPT.ppt

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1、4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 交通流特性的统计分布交通流特性的统计分布4.3 4.3 排队论及其应用排队论及其应用4.4 4.4 跟车理论跟车理论4.1 4.1 概述概述何为交通流理论？何为交通流理论？运运用用物物理理学学和和数数学学的的定定律律来来描描述述交交通通特特性性的的一一门门边边缘缘学学科科，是交通工程学的基础理论。是交通工程学的基础理论。何为现代交通流理论何为现代交通流理论 以以先先进进的的车车辆辆系系统统和和智智能能高高速速道道路路概概念念为为背背景景，形形成成的的交交通通流新相识与理论。流新相识与理论。探讨交通流理论的意义探讨交通流理论的意义 把把握握交交通通流流运运

2、动动机机理理与与规规律律，科科学学分分析析交交通通设设施施设设计计效效果果与与运营管理系统运营管理系统4.1 4.1 概述（续）概述（续）交通流理论的主要探讨内容交通流理论的主要探讨内容1 1）人人、自自行行车车、机机动动车车交交通通流流的的流流量量、速速度度和和密密度度的的相相互互关关系系与与量量测方法；测方法；2)2)交通特性的统计分布交通特性的统计分布3 3）交通流排队理论；）交通流排队理论；4 4）交交通通行行为为作作用用下下的的交交通通流流特特性性分分析等析等5 5）交通流的流体模拟方法；）交通流的流体模拟方法；6 6）交通流的跟驶与超驶理论；）交通流的跟驶与超驶理论；基本概念基本概

3、念离散型分布离散型分布 泊松分布泊松分布泊松分布泊松分布 二项分布二项分布二项分布二项分布 负二项分布负二项分布负二项分布负二项分布 拟合优度检验拟合优度检验拟合优度检验拟合优度检验2 2 2 2检验检验检验检验连续型分布连续型分布 负指数分布负指数分布负指数分布负指数分布 移位负指数分布移位负指数分布移位负指数分布移位负指数分布 韦布尔分布韦布尔分布韦布尔分布韦布尔分布4.2 4.2 交通流特性的统计分布交通流特性的统计分布基本概念基本概念1 1）交交通通流流分分布布：交交通通流流的的到到达达特特性性或或在物理空间上的存在特性；在物理空间上的存在特性；2 2）离离散散型型分分布布（也也称称计

4、计数数分分布布）：在在一一段段固固定定长长度度的的时时间间内内到到达达某某场场所所的的交通数量的波动性；交通数量的波动性；3 3）连连续续型型分分布布（时时间间间间隔隔分分布布、速速度度分分布布等等）：在在一一段段固固定定长长度度的的时时间间内内到到达达某某场场所所交交通通的的间间隔隔时时间间的的统统计计分分布；布；4 4）探探讨讨交交通通分分布布的的意意义义：预预料料交交通通流流的的到到达达规规律律（到到达达数数及及到到达达时时间间间间隔隔），为为确确定定设设施施规规模模、信信号号配配时时、平平安安对策供应依据对策供应依据 4.2 4.2 交通流特性的统计分布交通流特性的统计分布离散型分布离

5、散型分布 在在确确定定的的时时间间间间隔隔内内到到达达的的车车辆辆数数，或或在在确确定定的的路路段段上上分分布布的的车车辆辆数数，是是所所谓谓的的随随机机变变数数，用用离离散散型型分分布描述这类随机变数的统计规律。布描述这类随机变数的统计规律。1 1）泊松分布：）泊松分布：基基本本假假定定：车车辆辆（或或人人）的的到到达达是是随随机机的的，相相互互间间的的影影响响微微弱弱，也也不不受受外外界界因因素素干干扰扰，具具体体表表现现在在交交通通流流密密度不大；度不大；基基本本模模型型：计计数数间间隔隔t t内内到到达达k k辆辆车车的概率的概率 Pk=(Pk=(t)ke-t)ke-t/k!=(m)k

6、e-m/k!t/k!=(m)ke-m/k!：平均到达率（辆或人：平均到达率（辆或人/秒）秒）m m：在在计计数数间间隔隔t t内内平平均均到到达达的的车车辆辆或人数，也称为泊松分布参数或人数，也称为泊松分布参数4.2 4.2 交通流特性的统计分布交通流特性的统计分布离散型分布离散型分布1 1）泊松分布：）泊松分布：递递推推公公式式：由由参参数数m m及及数数量量k k可可递递推出推出Pk+1 Pk+1；P0=e-m,Pk+1=mPk/k+1 P0=e-m,Pk+1=mPk/k+1分分布布的的均均值值与与方方差差皆皆等等于于t t，这这是是推推断断交交通通流流到到达达规规律律是是否否听听从从泊松

7、分布的依据。试证明之。泊松分布的依据。试证明之。运运用用模模型型时时的的留留意意点点：关关于于参参数数 m m 可可理理解解为为时时间间间间隔隔 t t 内内的的平平均均到到达达车车辆辆数数，也也可可以以理理解解为为距距离离 l l 内内的平均车辆数；的平均车辆数；几种不同状况的概率到达数小于k辆车的概率：到达数小于等于k的概率：到达数大于k辆车的概率：到达数大于等于k辆车的概率：例例例例1 1 1 1：设：设：设：设60606060辆车随即分布在辆车随即分布在辆车随即分布在辆车随即分布在4km4km4km4km长的道路上，长的道路上，长的道路上，长的道路上，求随意求随意求随意求随意400m4

8、00m400m400m路段上有路段上有路段上有路段上有4 4 4 4辆及辆及辆及辆及4 4 4 4辆车以上的概率。辆车以上的概率。辆车以上的概率。辆车以上的概率。解：把公式中的解：把公式中的t t理解为计算车辆数的空间间隔，则本例在空间上的理解为计算车辆数的空间间隔，则本例在空间上的分布听从泊松分布分布听从泊松分布 Pk=(Pk=(t)ke-t)ke-t/k!=(m)ke-m/k!t/k!=(m)ke-m/k!P0=e-m,Pk+1=mPk/k+1 P0=e-m,Pk+1=mPk/k+1 t=400m t=400m，=60/4000(=60/4000(辆辆/米米)，m=m=t=6t=6辆，辆，

9、P0=60e-60!=0.0025 P1=61p0=0.0149 P0=60e-60!=0.0025 P1=61p0=0.0149 P2=62p1 =0.0446 P2=62p1 =0.0446 P3=63p2=0.0892P3=63p2=0.0892不足辆车的概率为：（）不足辆车的概率为：（）辆及辆及4 4辆以上的概率为：辆以上的概率为：P P（44）=1-1-（）（）0.84880.8488 例例例例2 2 2 2：某信号灯交叉口的周期：某信号灯交叉口的周期：某信号灯交叉口的周期：某信号灯交叉口的周期T T T T97s97s97s97s，有效绿灯时间，有效绿灯时间，有效绿灯时间，有效绿灯

10、时间g=44sg=44sg=44sg=44s，在有效绿，在有效绿，在有效绿，在有效绿灯时间内排队的车流以灯时间内排队的车流以灯时间内排队的车流以灯时间内排队的车流以s s s s900900900900辆辆辆辆/h/h/h/h的流率通过交叉口，在有效绿灯时的流率通过交叉口，在有效绿灯时的流率通过交叉口，在有效绿灯时的流率通过交叉口，在有效绿灯时间外到达的车辆要停车排队。设信号灯交叉口上游车辆的到达率间外到达的车辆要停车排队。设信号灯交叉口上游车辆的到达率间外到达的车辆要停车排队。设信号灯交叉口上游车辆的到达率间外到达的车辆要停车排队。设信号灯交叉口上游车辆的到达率q=369q=369q=369

11、q=369辆辆辆辆/h/h/h/h，听从泊松分布，求使到达车辆不致两次排队的周期占周，听从泊松分布，求使到达车辆不致两次排队的周期占周，听从泊松分布，求使到达车辆不致两次排队的周期占周，听从泊松分布，求使到达车辆不致两次排队的周期占周期总数的最大百分率。期总数的最大百分率。期总数的最大百分率。期总数的最大百分率。解：由于车流只能在有效绿灯事务内通过，所以一个周期能通过的解：由于车流只能在有效绿灯事务内通过，所以一个周期能通过的解：由于车流只能在有效绿灯事务内通过，所以一个周期能通过的解：由于车流只能在有效绿灯事务内通过，所以一个周期能通过的最大车辆数最大车辆数最大车辆数最大车辆数A=gs=44

12、900/3600=11A=gs=44900/3600=11A=gs=44900/3600=11A=gs=44900/3600=11辆，假如某周期到达的车辆数辆，假如某周期到达的车辆数辆，假如某周期到达的车辆数辆，假如某周期到达的车辆数N N N N大大大大于于于于11111111辆，则最终到达的（辆，则最终到达的（辆，则最终到达的（辆，则最终到达的（N-11N-11N-11N-11）辆车就不能在本周期内通过而发生两）辆车就不能在本周期内通过而发生两）辆车就不能在本周期内通过而发生两）辆车就不能在本周期内通过而发生两次排队。在泊松分布公式中，次排队。在泊松分布公式中，次排队。在泊松分布公式中，次

13、排队。在泊松分布公式中，查累积的泊松分布表可得到达车辆大于查累积的泊松分布表可得到达车辆大于1111辆的周期出现的概率为：辆的周期出现的概率为：P(11)=0.29 P(11)=0.29 即不发生两次排队的周期最多占即不发生两次排队的周期最多占71%71%。4.2 4.2 交通流特性的统计分布交通流特性的统计分布n离散型分布离散型分布2 2）二项分布：二项分布：基基本本假假定定：车车辆辆比比较较拥拥挤挤、自自由由行行驶驶机机会会不不多多的的 车流车流；基本模型：基本模型：计数间隔计数间隔t t内到达内到达k k辆车的概率辆车的概率或或n n为正整数；可记为正整数；可记p=p=t/n,0 p 1

14、,t/n,0 p 1,n,p n,p 为分布参数为分布参数离散型分布离散型分布2）二项分布：）二项分布：递递推推公公式式：由由参参数数n及及数数量量k和和p可递推出可递推出 Pk+1；分分布布的的均均值值与与方方差差分分别别为为：M=np,D=np(1-p)。运用模型时的留意点：运用模型时的留意点：1、DM 区区分分于于柏柏松松分分布布的的显显著著特特征征2、基基于于观观测测数数据据可可估估计计出出M,D,由由此反求出分布参数此反求出分布参数 p 和和 n；例：在某条马路上，上午高峰期间，以例：在某条马路上，上午高峰期间，以例：在某条马路上，上午高峰期间，以例：在某条马路上，上午高峰期间，以1

15、5151515秒间隔观测到秒间隔观测到秒间隔观测到秒间隔观测到达车辆数，得到的结果列入下表，试用二项分布拟合之。达车辆数，得到的结果列入下表，试用二项分布拟合之。达车辆数，得到的结果列入下表，试用二项分布拟合之。达车辆数，得到的结果列入下表，试用二项分布拟合之。车辆车辆到达数到达数n ni i31212包含包含n ni i的的间间隔出隔出现现的次数的次数0 03 30 08 810101111101011119 91 11 10 03 3）负二项分布）负二项分布基本假定：到达量波动大的车流。基本假定：到达量波动大的车流。基本公式基本公式递推公式递推公式令：令：，则递推公式为：，则递推公式为：均

16、值和方差均值和方差用均值用均值m m和方差和方差s s2 2估计分布参数估计分布参数在应用在应用 检验法时应留意：检验法时应留意：样本容量样本容量N N应较大；应较大；分组应连续，各组的分组应连续，各组的 值应较小，意味着分组数值应较小，意味着分组数g g应较大；应较大；各组内的理论频数各组内的理论频数 统计量的自由度统计量的自由度DFDF置信水平置信水平 的取值：通常取的取值：通常取0.050.05分布分布q qDFDF泊松分布泊松分布二项分布二项分布负二项分布负二项分布1 12 22 2g-2g-2g-3g-3g-3g-3常用离散型分布的约束数常用离散型分布的约束数q q及及DFDF例：在

17、某大桥引桥上以例：在某大桥引桥上以3030秒为间隔对一个方向的车流到秒为间隔对一个方向的车流到达数作连续观测，得到达数作连续观测，得到232232个观测之，列于个观测之，列于P67P67表表（4.2.34.2.3）（以表上角按行从左到右为时序）。试求其统）（以表上角按行从左到右为时序）。试求其统计分布并检验之。计分布并检验之。解：按各到达数出现的频数，把表（解：按各到达数出现的频数，把表（4.2.34.2.3）整理成表）整理成表（4.2.44.2.4）的第一、其次列。算出样本均值）的第一、其次列。算出样本均值m m和方差和方差s2s2为为 m=5.254,s2=6.753 m=5.254,s2

18、=6.753 从从s2s2与与m m的比值看，用负二项分布或泊松分布做拟合的比值看，用负二项分布或泊松分布做拟合可能是合适的。可能是合适的。若用泊松分布做拟合，分布参数若用泊松分布做拟合，分布参数t=m=5.254t=m=5.254。若用负二项分布做拟合，可算出它的两个参数为：若用负二项分布做拟合，可算出它的两个参数为：p=m/s2=0.78,p=m/s2=0.78,=m2/(s2-m)=37.83.=m2/(s2-m)=37.83.用递推公式可分别算出这两种分布各到达数出现的频数，用递推公式可分别算出这两种分布各到达数出现的频数，列于表（列于表（4.2.4)4.2.4)的第三、四列。的第三、

19、四列。用用用用 检验判别这两种分布拟和的优劣。检验判别这两种分布拟和的优劣。检验判别这两种分布拟和的优劣。检验判别这两种分布拟和的优劣。对于泊松分布，把理论频数小于对于泊松分布，把理论频数小于对于泊松分布，把理论频数小于对于泊松分布，把理论频数小于5 5 5 5的到达数合并后，并成的到达数合并后，并成的到达数合并后，并成的到达数合并后，并成10101010组，可算得：组，可算得：组，可算得：组，可算得：=172/12.1+202/20.7+=172/12.1+202/20.7+=172/12.1+202/20.7+=172/12.1+202/20.7+。142/9.8-232=20.04142

20、/9.8-232=20.04142/9.8-232=20.04142/9.8-232=20.04，DF=10-1-1=8 DF=10-1-1=8 DF=10-1-1=8 DF=10-1-1=8 查表得：查表得：查表得：查表得：=15.51 =15.51 =15.51 =15.51t)(ht)=(=(t)0e-t)0e-t/0!=t/0!=e-e-t t=exp(-exp(-Qt/3600)Qt/3600)4.2 4.2 交通流特性的统计分布交通流特性的统计分布n连续型分布连续型分布负指数分布负指数分布(续续)(3)(3)负指数分布在应用中的局限性：负指数分布在应用中的局限性：P(t)0.51.

21、01.52.0t负指数分布概率密度负指数分布概率密度p(t)=d 1-P(ht)/dt=e-t 车头时距越小出现的概率越大？车头时距越小出现的概率越大？4.2 4.2 交通流特性的统计分布交通流特性的统计分布n连续型分布负指数分布(续)(4)负指数分布的应用 主干道主干道优先优先次干道次干道优先优先停让停让计算次干道计算次干道通行实力通行实力4.2 交通流特性的统计分布n n连续型分布连续型分布2 2）移位负指数分布）移位负指数分布 (1)(1)基基本本假假定定：不不能能超超车车的的单单列列交交通通流流和和车车流量低的车头时距分布流量低的车头时距分布 (2)(2)基基本本模模型型：车车流流平平

22、均均到到达达率率为为（辆辆/秒秒），最最小小车车头头时时距距为为 时时，到到达达的的车车头头时时距距 h h 大于大于 t t 秒的概率为秒的概率为 P(P(ht)ht)=e e-（t-t-）(3)(3)分布的均值与方差：分布的均值与方差：M=1/M=1/+m m(样样样样本本本本均均均均值值值值)；D=1/D=1/2 2 s s 2 2(样本方差样本方差样本方差样本方差)4.24.2 交通流特性的统计分布交通流特性的统计分布n连续型分布连续型分布移位负指数分布移位负指数分布(续续)(4)(4)移位负指数分布的局限性：移位负指数分布的局限性：P(t)0.51.01.52.0t 车头时距越接近于

23、车头时距越接近于 出现出现的可能性越大的可能性越大？n 连续型分布连续型分布n3）韦布尔分布）韦布尔分布n (1)基基本本假假定定：一一般般场场合合的的车车头头时时距距与与速速度度分分布；布；n (2)基基本本模模型型：到到达达的的车车头头时时距距 h 大大于于 t 秒秒的的概率为概率为n式中式中，为分布参数，取正值且为分布参数，取正值且。n 为为 起起 点点 参参 数数，为为 形形 态态 参参 数数，=1,=0n 为尺度参数。自不待言，负指数为尺度参数。自不待言，负指数n分布和移位负指数分布是韦布尔分分布和移位负指数分布是韦布尔分n布的特例。（试证明）布的特例。（试证明）n连续型分布连续型分

24、布 3）韦布尔分布）韦布尔分布 (3)拟拟合合方方法法，设设定定样样本本t1,t2,t3,tn，则则拟拟合合步步骤为骤为;计算样本均值计算样本均值m和方差和方差s2及样本的偏倚系数及样本的偏倚系数Cs Cs=(ti-m)3/(n-3)s3由由韦韦布布尔尔分分布布拟拟合合用用表表(P73)中中，查查出出与与Cs相相对对应的应的 1/，B()和和A(),计算出参数计算出参数。计算参数计算参数，的估计值：的估计值：=m+sA()=-sB()韦布尔分布的优越性：简洁、韦布尔分布的优越性：简洁、便利、通用性好便利、通用性好例：书例：书例：书例：书73737373例（）在某坡道上测得重型车辆爬坡速度的例（

25、）在某坡道上测得重型车辆爬坡速度的例（）在某坡道上测得重型车辆爬坡速度的例（）在某坡道上测得重型车辆爬坡速度的156156156156个个个个值，经整理后列于表（值，经整理后列于表（值，经整理后列于表（值，经整理后列于表（P74P74P74P74）的第一、第三列，试用韦布的第一、第三列，试用韦布的第一、第三列，试用韦布的第一、第三列，试用韦布尔分布拟合之。尔分布拟合之。尔分布拟合之。尔分布拟合之。解：解：解：解：4.3 4.3 排队论及其应用排队论及其应用1 1）简述）简述是是探探讨讨“服服务务”系系统统因因“需需求求”拥拥挤挤而而产产生生等等待待行行列列的的现现象象，以以及及合合理理协协调调

26、“需需求求”与与“服务服务”关系的一种数学理论；关系的一种数学理论；应应用用于于交交通通延延误误、通通行行实实力力、交交通通信信号号配配时时、停停车车场场、收收费费站站、加加油油站站等等交交通通设设施施的的设设计与管理分析，方案制定等。计与管理分析，方案制定等。2 2 2 2）排队论的基本原理及应用）排队论的基本原理及应用）排队论的基本原理及应用）排队论的基本原理及应用(1)(1)基本概念基本概念 排排队队：单单指指等等待待服服务务的的，不不包包括括正正在在服服务务的的,排排队系统，则包括两者队系统，则包括两者 排队系统的三个组成部分排队系统的三个组成部分排排队队系系统统输输 入入 过过 程程

27、排排 队队 规规 则则服服 务务 方方 式式定定 长长 输输 入入(D)泊松泊松 输输 入入(M)爱尔朗输入爱尔朗输入(Ek)损损 失失 制制等等 待待 制制混混 合合 制制定定 长长 分分 布布(D)负指数分布负指数分布(M)爱尔朗分布爱尔朗分布(Ek)“顾客顾客”的到达规律的到达规律遇排队自动消逝遇排队自动消逝按序及优先制按序及优先制两种的结合两种的结合服务台数及每顾客服务时间服务台数及每顾客服务时间顾客按怎样顾客按怎样的次序接受的次序接受服务服务 4.3 排队论及其应用2 2）排队论的基本原理及应用）排队论的基本原理及应用(1)(1)基本概念基本概念 排队系统的主要数量指标排队系统的主要

28、数量指标等等待待时时间间：到到达达时时起起至至起起先先接接受受服服务务的的期期间；间；忙期：服务台连续繁忙的时期；忙期：服务台连续繁忙的时期；队队长长：有有排排队队顾顾客客数数与与排排队队系系统统中中顾顾客客数数之分，用来衡量排队系统的服务水平。之分，用来衡量排队系统的服务水平。4.3 排队论及其应用2 2）排队论的基本原理及应用）排队论的基本原理及应用 (2)(2)基本模型基本模型 排队系统的表现：排队系统的表现：M M代表泊松分布或负指数分布；代表泊松分布或负指数分布；D D代表定长输入或定长分布；代表定长输入或定长分布；E Ek k代表爱尔朗分布的输入或服务代表爱尔朗分布的输入或服务排队

29、系统一般表现为：输入排队系统一般表现为：输入/服务服务/服务台服务台 M/M/N,M/D/1,D/M/N,EM/M/N,M/D/1,D/M/N,Ek k/D/N /D/N 4.3 排队论及其应用2 2）排队论的基本原理及应用）排队论的基本原理及应用 M/M/1 M/M/1（单通道服务）系统的计算公式（单通道服务）系统的计算公式基基本本参参数数：平平均均到到达达率率（辆辆/秒秒）；到到达达的的平平均均时时距距1/1/（秒秒）；平平均均服服务务率率（辆辆/秒秒）；平平均均服服务务时时间间 1/1/；交交通通强强度度(利利用用系系数数)=/状状态态推推断断：1 1，排排队队系系统统的的顾顾客客数数不

30、不出出现现排排队队，排排队队消消散散的的条条件件为为 6)=1-P(6)=1=0.97=O.O3;P(6)=1-P(6)=1=0.97=O.O3;概率很小概率很小,所以数量合适所以数量合适.3 3、M/M/NM/M/N系统的计算公式系统的计算公式 车辆平均到达率车辆平均到达率 到达的平均时距到达的平均时距 排队从每个服务台接受服务后的平均输出率排队从每个服务台接受服务后的平均输出率 平均服务时间平均服务时间 交通强度或利用系数交通强度或利用系数 系统稳定系统稳定 系统不稳定系统不稳定系统中没有车辆的概率：系统中没有车辆的概率：系统中有系统中有k k辆车的概率：辆车的概率：系统中的平均车辆数：系

31、统中的平均车辆数：平均排队长度：平均排队长度：平均消耗时间：平均消耗时间：平均等待时间：平均等待时间：例例例例3 3 3 3：一加油站，今有：一加油站，今有：一加油站，今有：一加油站，今有2400240024002400辆辆辆辆/小时的车流量通过小时的车流量通过小时的车流量通过小时的车流量通过4 4 4 4个通道引向四个加油泵，平均每辆车加油时间个通道引向四个加油泵，平均每辆车加油时间个通道引向四个加油泵，平均每辆车加油时间个通道引向四个加油泵，平均每辆车加油时间为为为为5 5 5 5秒，听从负指数分布，试分别按秒，听从负指数分布，试分别按秒，听从负指数分布，试分别按秒，听从负指数分布，试分别

32、按M/M/4M/M/4M/M/4M/M/4系统和系统和系统和系统和四个相同的四个相同的四个相同的四个相同的M/M/1M/M/1M/M/1M/M/1系统计算各相应指标并比较之。系统计算各相应指标并比较之。系统计算各相应指标并比较之。系统计算各相应指标并比较之。(书书书书78)78)78)78)解解解解 1 1 1 1）按四个平行的）按四个平行的）按四个平行的）按四个平行的M/M/1M/M/1M/M/1M/M/1系统计算系统计算系统计算系统计算依据题意，每个油泵有它各自的排队车道，排依据题意，每个油泵有它各自的排队车道，排依据题意，每个油泵有它各自的排队车道，排依据题意，每个油泵有它各自的排队车道

33、，排队车辆不能从一个车辆换到另一个车道上去。把队车辆不能从一个车辆换到另一个车道上去。把队车辆不能从一个车辆换到另一个车道上去。把队车辆不能从一个车辆换到另一个车道上去。把总车流辆四等分，就是引向每个油泵的车流量，总车流辆四等分，就是引向每个油泵的车流量，总车流辆四等分，就是引向每个油泵的车流量，总车流辆四等分，就是引向每个油泵的车流量，于是对每个油泵：于是对每个油泵：于是对每个油泵：于是对每个油泵：而对于四个油泵构成的系统：而对于四个油泵构成的系统：按按M/M/4M/M/4系统计算系统计算4.4 跟车理论4.4.14.4.1引言引言 何何为为跟跟车车理理论论：运运用用动动力力学学方方法法，探

34、探究究在在无无法法超超车车的的单单一一车车道道上上车车队队列列队队行行驶驶时时，后后车车跟跟随随前前车车的的行行驶驶状状态态，并并用用数数学学模模式式表达加以分析阐明的一种理论。表达加以分析阐明的一种理论。探探讨讨的的目目的的：试试图图通通过过视视察察各各个个车车辆辆逐逐一一跟驶的方式来了解单车道交通流的特性。跟驶的方式来了解单车道交通流的特性。用用途途：用用来来检检验验管管理理技技术术和和通通讯讯技技术术，以以便使尾撞事故减到最低限度。便使尾撞事故减到最低限度。4.4 4.4 跟车理论（续）跟车理论（续）4.4.2 4.4.2 车辆跟驶特性分析车辆跟驶特性分析 非非自自由由流流行行驶驶状状态

35、态：高高密密度度状状态态的的车车流流，车车间间距距不不大大，车车队队中中任任一一车车辆辆都都受受到到前前车车速速度度的的制制约约，司司机机只只能能按按前前车车所所供供应应的的信信息息接接受受相相应应的的车车速速。智能车辆的交通流前后车辆可以实现通信。智能车辆的交通流前后车辆可以实现通信。非自由行驶状态的车队特性：非自由行驶状态的车队特性：制约性：制约性：（1 1）紧随要求：司机不愿落后很多；）紧随要求：司机不愿落后很多；（2 2）车速条件：后车在前车车速旁边摇摆；）车速条件：后车在前车车速旁边摇摆；（3 3）间间距距条条件件：前前后后车车之之间间必必需需保保持持一一个个平平安安距距离离4.4

36、4.4 跟车理论（续）跟车理论（续）4.4.2 4.4.2 车辆跟驶特性分析（续）车辆跟驶特性分析（续）延延迟迟性性：后后车车对对前前车车运运行行状状态态的的变变更更有有一一个个反反应应过过程程：感感觉觉-相相识识-推推断断-执执行行（四四个个阶阶段段所所须须要要的的时时间间称称为为反反应应时时间间），若若反反应应时时间间为为T T，前前车车在在t t时时刻刻的的动动作作，后后车车要要经经过过（t+Tt+T）时刻才能做出动作。）时刻才能做出动作。传传递递性性：第第n n辆辆车车制制约约着着第第（n+1n+1）辆辆车车的的运运行行状状态态的的特特性性。由由于于传传递递性性具具有有延延迟迟性性，所

37、所以以，信息沿车队向后传递是间断连续的。信息沿车队向后传递是间断连续的。4.4 4.4 跟车理论（续）跟车理论（续）4.4.3 4.4.3 线性跟车模型线性跟车模型 模型的建立：描述跟车的刺激反应现象。模型的建立：描述跟车的刺激反应现象。（1 1）关关于于刺刺激激与与反反应应：前前导导车车的的加加速速或或减减速速，以以及及随随之之发发生生的的两两车车之之间间的的速速度度差差和和车车间间距距离离的的变变更更；反反应应为为后后车车所所做做的的加加速速或或减减速速动动作及其实际效果。作及其实际效果。（2 2）建建模模条条件件：两两车车间间距距s(t)s(t)（行行驶驶中中前前导导车车刹刹车车时时，后

38、后车车可可不不撞撞车车停停下下的的间间距距）；反反应应时时间间T T内内后后车车车车速速不不变变；后后车车及及前前导导车车在在减减速速期间行驶的距离相等。期间行驶的距离相等。（3 3）基本模型：）基本模型：S(t)=d1+L=T xn+1(t+T)+LS(t)=d1+L=T xn+1(t+T)+L.n+1nn+1n+1ns(t)xn+1(t)xn(t)d1d2Ld3前车起先减速的位置时刻t两车的位置后车起先减速的位置完全刹车后两车的位置4.4.3 4.4.3 线性跟车模型线性跟车模型 模型的建立：模型的建立：（4 4）反反应应与与敏敏感感度度及及刺刺激激的的关关系系，对对(3)(3)式式微微分

39、分得得 xn(t)-xn+1(t+T)=Txn+1(t+T)xn(t)-xn+1(t+T)=Txn+1(t+T)xn+1(t+T)=1/Txn(t)-xn+1(t+T)xn+1(t+T)=1/Txn(t)-xn+1(t+T)反应反应=敏感度敏感度*刺激刺激 考考虑虑变变速速过过程程中中两两车车行行驶驶距距离离可可能能不不相相等等等等 一一 般般 场场 合合 xn+1(t+T)=xn+1(t+T)=xn xn(t)(t)-xn+1(t+T)xn+1(t+T)为为反反应应强强度度系系数数，量量纲纲为为秒秒-1-1，不不应应理理解解为为敏敏感感度度，而而应应看看成成与与驾驾驶驶员员动动作作的的强强弱

40、弱程程度度干干脆相关脆相关.4.4 4.4 跟车理论（续）跟车理论（续）4.4.3 4.4.3 线性跟车模型线性跟车模型 模型的的稳定性模型的的稳定性解二阶微分方程，可用公式解二阶微分方程，可用公式C=C=T T表征稳定性。表征稳定性。（1 1）局局部部稳稳定定：前前后后两两车车速速度度近近似似相相等等，车车间间距距离大体保持一常数；离大体保持一常数；随随着着c c值值的的增增加加，车车间间距距渐渐渐渐成成为为不不稳稳定定。说说明明，假假如如对对早早就就出出现现的的刺刺激激（反反应应时时间间T T长长）,或反应太猛烈，使状况可能会偏向错误的方向。或反应太猛烈，使状况可能会偏向错误的方向。4.4

41、 4.4 跟车理论（续）跟车理论（续）4.4.3 4.4.3 线性跟车模型线性跟车模型 模型的的稳定性模型的的稳定性（2 2）渐渐进进稳稳定定：前前车车速速度度向向其其后后各各车车传传播播的的特特性性，如如速速度度变变更更的的振振幅幅在在传传播播中中扩扩大大了，叫不稳定；若渐渐衰减，则叫稳定。了，叫不稳定；若渐渐衰减，则叫稳定。探探讨讨表表明明：当当一一列列行行驶驶车车辆辆仅仅当当c0.5c0.5c0.5时时，将将以以大大波波动动幅幅度度传传播播，增增加加了了车车辆辆间间的的干干扰扰；当当干干扰扰的的幅幅度度增增加加到到小小于于一一个个车车长长时时，尾尾撞撞事故即将发生。事故即将发生。.4.4

42、 4.4 跟车理论（续）跟车理论（续）4.4.4 4.4.4 跟车模型与车流模型跟车模型与车流模型 车流模型的再相识车流模型的再相识（1 1）车车流流模模型型是是指指在在稳稳定定的的车车流流中中，流流、密、速之间的相依关系；密、速之间的相依关系；（2 2）依依据据跟跟车车模模型型可可以以推推导导出出各各种种速速-密密模模型。型。对对 方方 程程：xn+1(t+T)=xn+1(t+T)=xn xn(t)(t)-xn+1(t+T)xn+1(t+T)积分得积分得 xn+1(t+T)=xn+1(t+T)=xn xn(t)(t)-xn+1(t+T)+cxn+1(t+T)+c车车 队队 处处 于于 稳稳

43、定定 状状 态态 时时：xn+1(t+T)=xn+1(t+T)=xn+1(t)xn+1(t).4.4 4.4 跟车理论（续）跟车理论（续）4.4.4 4.4.4 跟车模型与车流模型跟车模型与车流模型 因此，前式可化为：u=s+c,令k=1/s，则k就是车流密度，利用边界条件可求得 和 c.推导:当u=0时，车队的密度为拥塞密度kj，于是 0=a/kj+c,c=-a/kj 式变成 u=a(1/k-1/kj)且 q=uk=a(1-k/kj).又因k=0时，由上式知q达到最大值qm,即a=qm得到车流模型为：u=qm(1/k-1/kj)q=qm(1-k/kj)留意线性跟车模型的缺陷（可由对应的车流模

44、型中推出），其缘由是该模型的假定。根源在于它假定后随车的跟驶反映只依靠于它与前导车的速度差，而与两车的间距及后车本身的速度无关。跟车模型的推广跟车模型的推广跟车模型的推广跟车模型的推广 .4.4 流体动力学模拟理论流体动力学模拟理论4.4.1 引言引言n运用流体动力学的原理，又称车流波动理论；n模拟对比表4.4 流体动力学模拟理论流体动力学模拟理论4.4.2 车流连续方程守恒定律：流入量-流出量=某路段车辆数的变更；k/t +q/x =0表明：当车流辆随距离而降低时，车流密度则随时间而增大。4.4 流体动力学模拟理论流体动力学模拟理论4.4.3车流中的集散波定义及波速：车流集结：遇红灯或瓶颈时

45、车流接连停车排队而集结成密度高的队列的现象；车流疏散：排队车辆接连启动而疏散成一列具有适当密度的车队的现象；车流波动：车流中两种不同密度部分分界面经过一辆辆车向车队后部传播的现象；车流波及波速：车流中密度不同的两部分的分界面，该波沿道路移动速度称为波速4.4 流体动力学模拟理论流体动力学模拟理论4.4.3车流中的集散波(续)探讨集散波的意义 描述与解析车流集结与疏散现象，计算车流排队长度的变更；波速公式：W=(Q1-Q2)/(K1-K2)当车流前后两行驶状态的流量和密度特别接近时，则可演化为：W=dQ/dK4.4 流体动力学模拟理论流体动力学模拟理论4.4.3车流中的集散波(续)波速的演化qA

46、BCA点（低密度、低流量）点（低密度、低流量）B点（高密度、高流量）点（高密度、高流量）C点（高密度、低流量）点（高密度、低流量）kAB：集散波的波速为正，波：集散波的波速为正，波沿道路向前进，沿道路向前进，集结波集结波；C B：集散波的波速为负，波：集散波的波速为负，波沿道路后退，沿道路后退，消散波消散波；4.4 流体动力学模拟理论流体动力学模拟理论4.4.3车流中的集散波(续)停车波和起动波及其理论的应用红灯结束时交叉口进口道上排队的车辆数；车辆到达率：固定断面记数的概念排队延长率：变动断面记数的概念停车波：集结波，停车队列的尾部沿上游延长的速度就是停车波的波速 W停=(0-Q)/(Kj-K)4.4 流体动力学模拟理论流体动力学模拟理论车流中的集散波(续)n n停车波和起动波及其理论的应用停车波向上游移动的距离 W停r=Qr/(Kj-K)停下的车辆数：Nr=Qr Kj/(Kj-K)=Qr/(1-K/Kj)Qr 当K接近于Kj时，Nr远大于Qr，否则。应用与练习：