基于灰理论短时交通流动力学建模预测与优化研究

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1、ADissertationSubmittedtoAcademicDegreesEvaluationCommitteeofWuhanUniversityofTechnologyfortheDoctor’SDegreeinEngineeringStudyonTheForecastingandOptimizationofShort--TermTrafficFlowDynamicsModelingBasedonGreyTheoryDoctoralCandidate：GuoHuanMajor：GeneralMechanicsandMechanicsFundament

2、Supervisor：Prof．XiaoXinpingWuhanUniversityofTechnologyWuhan，430070，ER．China0ct．2013独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：仁日学位论文使用授权书期．凇f；．Ip本人完全了解武汉理工大学有关

3、保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生c签名，：亨严欢导师c签名，≯’期加，3．／2-·2徊谚1／，，乎武汉理工大学博士学位论文摘要随着世界经济的快速发展，城市化进程不断加快，交通问题已成为困扰世界各国人民的重大难题。智能交

4、通系统ITS被认为是缓解道路交通问题的有效方法之一，而道路短时交通流分析又是智能交通系统的核心内容。因此，研究有效的短时交通流建模理论与方法具有重要理论意义和实用价值。所谓交通流理论就是运用数学和力学定律研究道路交通流运行规律的理论。短时交通流系统与流体系统有很大程度的相似性且具有基本动力学特性，同时又具有高度不确定性，人们很难准确把握系统中影响因素的作用范围和机制，属于贫信息；如果采集交通流的时间间隔取为5分钟，则一小时内获取的数据仅12组，属于小样本数据。因此，用处理少数据、贫信息系统的灰理论来研究具有动力学特性的短时交通流系统是合理可行的。本文主要基

5、于灰理论对短时交通流动力学系统进行建模预测和优化。为了解交通流动力学的运行机理，首先分析交通流系统的三个基本动力学特性：连续性、黏性和可压缩性。研究发现：车辆行驶行为会对邻近车辆产生影响且会传递到整个交通流系统，由于交通流系统受粘滞力的作用使得这种影响需要一定的传递时间，这就表现为交通流系统的延迟效应；由于交通流系统受压力的作用使得整个系统复杂多变且呈现出非线性现象。基于交通流系统灰色特征和经典灰理论建立灰色交通流动力学模型，并对灰色交通流动力学模型的建模机理展开研究。首先用矩阵分析的思想将模型参数估计式中的系数矩阵B分离为与累加生成、背景值、初等变化有关

6、的三个矩阵，在此基础上对经典灰色模型进行推广得到拓广模型；再具体研究拓广模型中三个矩阵变化对模型参数求解及模型精度的影响，最后对拓广模型进行优化。根据实际交通流序列的三类不同特征，利用灰理论建立相应的交通流动力学模型。对具有非线性特性的交通流序列，建立灰色非线性交通流动力学模型GM(1，1，r)，对模型解的曲线特征进行分析，并讨论解的趋势变化；对具有延迟效应的交通流序列，建立灰色延迟交通流动力学模型GM(1，1，r)，利用交通流系统中三参数关系确定系统延迟时间，并分析模型的相关性质；对具有非线性和延迟效应的多断面交通流序列，建立灰色多变量延迟非线性交通流动

7、力学模型MGM(1，Nk，．)，利用灰关联分析选取影响作用较大的几个变量，通过在武汉理工大学博士学位论文MGM(I，N)模型中引入非线性因子和延迟因子建立模型，并用粒子群搜索最优的非线性因子和延迟因子。为更好地了解交通流动力学系统，对该系统相关决策、优化和控制问题展开研究。针对交通流系统中道路使用者的决策问题，提出基于二元语义一致性的混合多属性灰关联决策方法，给出二元语义一致性转化方法；针对交通系统中参与者之间的相互相影响，研究灰色二层多目标线性规划问题，详细分析漂移型灰色二层多目标线性规划的求解方法；针对交通系统中信号灯的控制问题，基于交通流的趋势性和趋

8、势变动性，提出智能交通信号灯的动态优化控制方法。本文受国家自然科学