道路交通系统建模与仿真研究

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1、学校代码10699分类号O235密级学号2011100527题目道路交通系统建模与仿真研究作者崔曼控制科学与工程、系统工程学科、专业薛惠锋教授指导教师2017年9月申请学位日期西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：道路交通系统建模与仿真研究作者：崔曼学科专业：控制科学与工程系统工程指导教师：薛惠锋教授2017年9月Title:ResearchonModelingandSimulationofRoadTrafficSystemByCuiManUndertheSupervisionofProfessorXueHui-fengADissertationSubmittedtoNorthwest

2、ernPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofSystemsEngineeringXi’anP.R.ChinaSeptember2017摘要摘要随着经济的持续增长，道路交通问题已成为困扰我国城市发展的主要瓶颈之一，同时也给人们的生活带来很大的影响。道路交通问题是一个多学科、跨领域、众因素的复杂系统问题，现有研究或者基于实验采集数据的方法，对出现的交通问题进行数据分析；或者基于非线性科学的理论，对复杂的交通现象进行定量描述；再或者基于交通流模型，对典型交通问题进行建模仿真。三

3、种方法解决了道路交通系统中某些因素对交通的影响问题，但对于包含多过程和多因素的复杂系统问题将较难解决。系统工程作为一种组织管理系统的科学方法，具有交叉性、综合性、整体性的优势，可结合交通工程学、流体力学、计算机技术和信息技术对道路交通系统进行综合研究。同时，颗粒流体系统将包含有大量离散物质的系统看成宏观上具有流动特性的拟流体，从而对道路交通系统进行比拟和建模，具有严格的理论基础，既可以考虑多因素影响，又可以摆脱经验参量的束缚。再结合新型无网格数值仿真技术，可以实时动态再现复杂的交通运行状况，对道路交通系统的典型现象进行捕捉分析。因此，本文从系统工程角度出发，分析道路交通系统的复杂性，基于颗粒流

4、体系统的思想建立道路交通系统拟流体模型，采用无网格粒子方法进行求解，进而对各种复杂道路交通问题进行仿真分析，最后对道路交通系统进行风险评估和智能决策，主要内容如下：（1）对道路交通系统的复杂性进行了系统分析。采用复杂系统理论对道路交通系统组成部分之间相互作用涌现出的特征和规律进行了探究，论证了道路交通系统的复杂性特征、关系和原因，系统分析了道路交通系统的要素，建立了道路交通系统的系统框架，阐述了道路交通系统的功能。（2）建立了充分考虑多种复杂因素影响的新型道路交通系统模型。在详细论述和分析传统经典的交通流LWR模型和高阶连续流模型的基础上，引入颗粒动力学，将车辆的跟车比拟为颗粒间的碰撞，已知道

5、路情况对驾驶员操作车辆的影响比拟为流体-颗粒两相系统中的外部流体动力相，不同车道间车辆的影响比拟为颗粒间的粘性作用，建立了道路交通系统基础模型；随后，将行人及其他非机动车辆的加入比拟为不同属性的颗粒相的加入，将红绿灯、路障、禁止变换车道线等比拟为壁面边界条件，将环境因素对道路交通系统的影响比拟为外部阻力作用，建立了考虑系统复杂因素的不同初、边界条件下的多相道路交通复杂巨系统模型。对模型的合理性进行了深入分析，同时对道路交通系统模型中的参数实测方法进行阐述。（3）提出了道路交通系统的新型无网格粒子仿真方法。基于所建立的道路交通I西北工业大学博士学位论文系统模型，引入光滑离散颗粒流体动力学（SDP

6、H）对道路交通系统模型进行离散，通过增加SDPH粒子所表征的交通系统中车流量属性，推导SDPH粒子属性与车辆属性间的关系式，将SDPH改造成适于交通系统车流量求解的新方法，建立“SDPH车辆”与实际车辆间的一一对应关系。从基于颗粒动力学理论的双流体模型出发，采用SDPH方法和FVM方法对道路交通系统模型进行离散，推导SDPH和FVM离散方程组，搭建求解交通系统中外部驱动的欧拉网格法与内部车辆离散系统的拉格朗日粒子法的耦合框架，通过控制方程源项作用及体积分数数值的交换，实现SDPH与FVM两种算法间双向数据传递，建立复杂道路交通系统求解的耦合算法流程，采用等效的车辆平直道路行驶算例进行数值验证。

7、（4）进行了典型的道路交通系统动态仿真分析。采用本文建立的新模型和新方法，对道路交通系统中车辆的汇入过程、行人穿越道路、机非混合、红绿灯控制、局部减缩道路、交通事故干扰以及大雾等恶劣天气对道路交通系统的影响进行深入的仿真分析，捕捉系统中车辆不同时刻在空间道路上的动态分布状况，分析由这些因素造成的车辆数密度、车流量以及车流平均速度变化情况，提出合理改进交通运行的措施，为复杂道路交通问题的解决和道路设