第4章 交通流理论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,交通工程学,（第,4,章 交通流理论）,4.1,概述（了解）,4.2,交通流的统计分布特性,（,熟练掌握,）,4.3,排队论模型,（,熟练掌握,）,4.4,跟驰模型,（,熟练掌握,）,4.5,流体模型,（熟练掌握）,第,4,章 交通流理论,交通流理论是交通工程学的基本理论，是借助于物理、数学的定律与方法来阐明交通流基本特性的一种理论。,4.1,概述,历史沿革,:,诞生于,20,世纪,30,年代的概率论的方法,.50,年代以后成为交通工程的专题研究,研究内容,宏观稳态的交通流基本参数模型,交通流统计分布特性,交通流理论的模拟与仿真,交通流模型的理论与方法,:,排队论、跟驰理论、流体力学理论、细胞源动机理论,交通模型：描述交通流状态变量随时间与空间而变化的分布规律及其与交通控制变量之间关系的方程。,参数模型：交通流参数之间的关系,宏观模型：描述车队的运动规律,微观模型：描述单个车辆的运动规律,静态模型：不随时间改变的稳恒交通流随空间分布的规律,动态模型：时间改变的稳恒交通流随空间分布的规律,4.2.1,交通流统计分布的含义,4.2.2,离散型分布,4.2.3,连续性分布,4.2,交通流的统计分布特性,车辆的到达在某种程度上具有随机性，描述这种随机性的统计规律的方法称为交通流的统计分布。,离散型分布：考察在一段固定长度的时间内,到达某场所的交通数量,或一定距离内,分布的交通数量,的波动性。,信号周期内到达的车辆数。,连续型分布：描述事件之间时间间隔的连续型分布为工具，研究事件发生的,间隔时间或距离,的统计分布特性。,车头时距分布、速度分布和可穿越空档分布。,4.2.1,交通流统计分布的含义,4.2.2,离散型分布,4.2.2.1,泊松分布,4.2.2.2,二项分布,4.2.2.1,泊松分布,（,1,）,基本公式,，,k,0,，,1,，,2,，,P,k,在,计数间隔,t,内到达,k,辆车或,k,个人的概率；,单位时间间隔,的平均到达率（辆,/s,或人,/s,）；,t,每个计数间隔,持续的时间（,s,）。,若令,m=,t,为,计数间隔,t,内平均,到达的车辆（人）数，,则 ，当,m,为已知时，可求出在计数间隔,t,内恰好有,k,辆车（人）到达的概率。,4.2.2.1,泊松分布（续）,（,2,）递推公式：,，,（,3,）,适用条件：,车流密度不大，车辆间相互影响较弱，其他外界干扰因素基本上不存在，即车流是随机的。,（,4,）泊松分布的均值,M,和方差,D,都等于,t,，,而观测数据的均值,m,和方差,S,2,均为无偏估计，因此，当观测数据表明,S,2,/m,显著地不等于,1.0,时，就是泊松分布不合适的表示。,m,在,某一给定时间间隔周期内到达车辆的平均数；,S,2,各车辆到达数与均值之差的平方和的平均数。,4.2.2.1,泊松分布（续）,例,4-1,某路段每小时有,120,辆车通过，假设车辆到达服从泊松分布，问在指定的某一分钟内有,3,辆车通过的概率是多大，而一分钟内不超过,3,辆车的概率又是多大。,（,5,）应用举例,例,4-2,某信号灯交叉口的周期,C=97s,有效绿灯时间,g=44s,在有效绿灯时间内排队的车流以,S=900,（辆,/h,）,的交通量通过交叉口，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,q=369,（辆,/h,），,服从泊松分布公式中，求到达车辆不致二次排队的周期数占周期总数的最大百分率。,4.2.2.1,泊松分布（续）,例,4,2,解：一个周期内能通过的最大车辆数,A,gS,90044/3600,11,辆，当某周期到达的车辆数,N11,辆时，则最后到达的（,N-11,）,辆车就不能在本周期内通过而发生二次排队。,在泊松分布中，一个周期内平均到达的车辆数,m=t,36997/3600,9.9,辆。,则可能到达车辆数大于,11,辆的周期出现的概率为,即到达车辆不致两次排队的周期数最多占,71,。,4.2.2.2,二项分布,（,1,）,基本公式,：,，,k,0,，,1,，,2,，,P,k,在计数间隔,t,内到达,k,辆车或,k,个人的概率；,单位时间间隔的平均到达率（辆,/s,或人,/s,）；,t,每个计数间隔持续的时间（,s,）,或距离（,m,）；,n,观测次数，正整数。,通常记 ，则二项分布为：,4.1.2.2,二项分布（续）,（,2,）递推公式：,（,3,）,适用条件,：,车辆比较拥挤、自由行驶机会不多的车流。,（,4,）分布的均值,M,和方差,D,分别为,M,=,np,，,D,=,np(1-p),，,显然有,M,D,。,用观测数据计算出来的样本均值,m,和方差,S,2,代替,M,和,D,，因此，,S,2,/m,应当小于,1,。当,S,2,/m,显著大于,1.0,时，就是二项分布不适的表示。,4.2.2.3,负二项分布,基本公式：,适用条件：车流受到干扰。车辆到达起伏幅度比较大的车流，而计数周期比较短的高方差分布,分布的均值,M,和方差,D,分别为,M,=,kp/p,，,D,=,kp/p,2,，,显然有,M,D,。,用观测数据计算出来的样本均值,m,和方差,S,2,代替,M,和,D,，所以负二项分布的,S,2,/m,应当大于,1,，当,S,2,/m,显著 小于,1.0,时，就是负二项分布不适的表示。,4.2.3,连续型分布,4.2.3.1,负指数分布,4.2.3.2,移位负指数分布,4.2.3.1,负指数分布,（,1,）,基本公式：,P(ht),到达的车头时距,h,大于,t,秒的概率；,车流的平均到达率,(,辆,/s),。,推导：,由 可知，在计数间隔,t,内没有车辆（,k,0,）,到达的概率 ，这表明，在具体的时间间隔,t,内，无车辆到达，则上次车到达和下次车到达之间，车头时距至少有,t,，,即,。,4.2.3.1,负指数分布（续）,（,2,）,负指数分布的均值,M,和方差,D,分别为,M,=1,/,，,D,=1/,2,，,用样本均值,m,代替,M,、样本的方差,S,2,代替,D,，既可算出负指数分布的参数,。,（,3,）适用条件：用于描述有充分超车机会的单列车流和密度不大的多列车流的车头时距分布，,它常与计数的泊松分布相对应。,（,4,）负指数分布的概率密度函数 是单降的，车头时距越短，其出现的概率越大，但车头时距至少有一个车长，所以车头时距必有一个大于零的最小值,。,负指数分布,4.2.3.1,负指数分布（续）,（,5,）,应用举例,例,4,3,某交通流属泊松分布，已知交通量为,1200,辆,/h,，求：,a),车头时距,t,5s,的概率；,b,）在,1,小时内，车头时距,t,5s,所出现的次数；,在次要车流通行能力研究中的应用,4.2.3.2,移位负指数分布,（,1,）基本公式,为克服负指数分布的车头时距趋近于零其频率出现愈大这一缺点，可将负指数分布曲线从原点,O,沿,t,向右移一个最小间隔长度,，得到移位负指数分布曲线：,大于零的一个最小车头时距，一般在,1.0,1.5s,之间。,（,2,）移位,负指数分布的均值,M,和方差,D,分别为,M,=1,/,+,，,D,=1/,2,，,用样本均值,m,代替,M,、样本的方差,S,2,代替,D,，则可算出移位负指数分布的参数,和,。,4.2.3.2,移位负指数分布（续）,（,3,）适用条件,用于描述不能超车的单列车流的车头时距分布和车流量低的车流的车头时距分布。,（,4,）移位负指数分布的局限,移位负指数分布的概率密度函数曲线是随,t-,单调递降的，车头时距愈接近,，,其出现的可能性愈大。这在一般情况下是不符合驾驶员的心理习惯和行车特点的。从统计角度看，车头时距分布的概率密度曲线一般总是先升后降的。,其他常用分布形式,爱尔兰分布：,T:,观测时间间隔的平均值,T:,车头时距（,s,）,H:,车头时距的观测值,当,k,1,时，为负指数分布,当,k,1,时，为爱尔兰分布,K,：确定分布曲线形状的参数,K,值,4,舍,5,入，取整数,对数正态分布：,分布检验,在实际观测中，不可能对观测值的全部取值的概率进行反复观测，往往是以局部观测数列的分析和观测值的算术平均值或方差为依据，推断其符合某种分布规律,为了运用局部观测资料，即用样本推算总体的分布，需要先对总体的分布概率进行假设，然后用局部观测的数据来验证其符合程度,拟合度检验：实际样本与理论样本之间总存在差异，且随机取样也存在样本之波动，其差异与变化程度究竟如何，即拟合度如何，只能通过拟合度检验来鉴别。常用的检验为,x,2,检验（,Chiquare,test,）,检验的原理：,首先假设观测数列具有某种分布特性，于是建立实际频率与理论频率之间的差异,此差异用计算值,X,2,表示。在确定的显著水平的条件下确定临界值,x,2,。当计算值,x,2,小于临界值,x,2,时，假设分布被接受，否则，重新假设分布，重新进行计算,检验计算过程：,1,、建立原假设,H,0,计算,p,1,、,p,2,、,p,3,。,P,n,计算,F,1,、,F,2,、,F,3.,F,n,、,2,、选取统计量：,3,、确定临界值：,由显著水平 与自由度,DF,确定,DF=c-a-1,由表,4-2,查出临界值,x,2,4,、求统计检验结论：,X,2,计算,X,2,临界,，假设成立，分布被接受,否则，重新假设其分布，重新进行检验,常用统计分布中的,a,值与,DF,值,分布,a,DF,泊松分布,1,C-2,二项分布,2,C-3,负二项分布,2,C-3,正态分布,2,C-3,均匀分布,0,C-1,X,2,检验中需要注意的事项：,样本量较大，,N50,分组数应该连续，以,7,9,组为宜，一般不小于,5,组,各组的理论频数不得小于,5,，如,Ej,=5,，则应该将相邻的组项合并，直至,Ej,5,为止。这时应以合并后的组数作为计算自由度的,c,值,例：下表为某观测现场的车流量数据，时间间隔为,1min,，试检验其分布规律是否服从泊松分布？显著水平为,5,组序号,每分钟到达的车辆数,x,i,频数,f,i,累计车辆数,1,0,0,0,2,1,9,9,3,2,6,12,4,3,9,27,5,4,11,44,6,5,9,45,7,6,5,30,8,7,1,7,9,8,0,0,50,174,解：,1,、根据泊松分布计算,P,i,2,、计算理论频数,Ej,组号,f,i,P,i,n,Fj,1,0,0.0310,50,1.55,0.57,2,9,0.1079,50,5.4,3,2,6,0.1877,50,9.39,1.23,4,3,9,0.2177,50,10.89,0.33,5,4,11,0.1894,50,9.47,0.24,6,5,9,0.1318,50,6.59,0.87,7,5,0.0765,50,3.83,0.07,8,1,0.0380,50,1.90,9,0,0.0196,50,0.98,1,50,3.31,9,6,0.1389,0.1345,7.0,7,1,6,3,、确定,DF,c,a,1=6-1-1=4,查表的：,4,、判断分布是否成立：,所以原假设成立，分布服从泊松分布,4.3.1,基本概念,4.3.2,基本原理,4.3.3,排队系统的表示,4.3,排队论模型,（,1,）排队论：,是研究“服务”系统因,“,需求,”,拥挤而产生等待行列,(,即排队,),的现象，以及合理协调,“,需求”与“服务”关系的一种数学理论。,（,2,）排队：,单指等待服务的车辆，不包括正在被服务的车辆。,（,3,）排队系统：,既包括了等待服务的，又包括了正在被服务的车辆。,（,4,）排队论的应用：,电话自动交换机；车辆延误、通行能力、信号灯配时以及停车场、加油站等交通设施的设计与管理；收费亭的延误估计。,4.3.1,基本概念,（,1,）排队系统的,3,个组成部分,输入过程：各种类型的,“,顾客,(,车辆或行人,)”,按怎样的规律到达。,（到达时距符合什么样的分布）,如定长输入,D,；泊松输入,M,；爱尔郎输入,E,K,排队规则：指到达的顾客按怎样的次序接受服务。如损失制；等待制；混合制。,等待制,:,先到先服务,:FIFO,后到先服务,:LIFO,随机服务：,SIRO,4.3.2,基本原理,服务方式：指同一时刻多少服务台可接纳顾客，每一顾客服务了多少时间。,服务台：个数、排列方式（平行排列、成串排列）,服务时间服从何种分布形式：,如定长分布,D,；负指数分布,M,；爱尔朗分布,Ek,。,（,2,）排队系统的主要数量指标,队长和排队长：若排队系统中的顾客数为,n,，排队顾客数为,q,，正在被服务的顾客数位,s,，则,n=,q+s,。队长是排队系统提供的服务水平的一种衡量。,逗留时间和等待时间：逗留时间是指一个顾客逗留在排队系统中的总时间。等待时间是指从顾客到达时起到他开始接受服务时止这段时间。,忙期和闲期：忙期是指服务台连续繁忙的时期，相对应的是闲期，这关系到服务台的工作强度。,4.3.2,基本原理（续）,4.3.3,排队系统的表示,类别,输入分布,服务方式,服务台数量,符号含义,M,泊松或负指数分布,M,负指数分布,1,D,定长,D,定长,N,E,k,爱尔朗分布,E,k,爱尔朗分布,M/M/N,泊松输入、负指数分布服务、,N,个服务台,M/D/1,泊松输入、定长服务、单个服务台,a/,b/c(L/Disc,):,a:,车辆到达的分布,b,：服务时间分布,c,：服务台个数,L,：允许排队长度,Disc,：排队规则,M/M/1,系统参数,判别指标：,顾客的平均到达率：,系统的服务率：,系统不稳定，队伍越来越长（或一直不消散）,排队消散，系统稳定,M/M/1,系统参数计算,M/M/1,系统参数计算,M/M/N,系统的计算公式,判别指标：,多路排队多通道系统：,相当于,N,个,M/M/1,系统,M/M/N,系统的计算公式,单路排队多通道服务系统：,系统中没有车辆的概率：,系统中有,n,辆车的概率：,系统的平均车辆数：,系统中排队的平均长度：,系统中的平均消耗时间：,系统中排队的平均等待时间：,4.4.1,车辆跟驰特性分析,4.4.2,线形跟驰模型,4.4,跟驰模型,4.3,跟驰理论,用,动力学方法描述车队后车跟随前车行驶状态，通过描述车辆之间的行驶关联性描述交通流,能够准确交通服务水平,广泛应用于交通模拟与仿真,（,1,）跟驰理论的定义：,运用动力学的方法，研究在无法超车的单一车道上车辆列队行驶时，后车跟随前车的行驶状态的一种理论。,（,2,）车辆跟驰特性分析,（非自由行驶状态的车队）,制约性：后车紧随前车前进。,延迟性（滞后性）：后车运行状态的改变在前车之后。,传递性：前车的运行状态制约着后车的运行状态。,4.4.1,车辆跟驰特性分析,车速条件,距离条件,4.4.2,线形跟驰模型,在,t,时刻，由于前车,n,的减速造成后车,n+1,的减速，由于车辆跟驰的延迟性，后车的减速滞后了,T,（驾驶员的反应时间）。,在,t,时刻，前车和后车的位置分别为,x,n,(t,),和,x,n+1,(t),，,两车此时的距离为,S(t)=x,n,(t)-x,n+1,(t),。,后车在反应时间,T,内行驶的距离 。表示第,i,辆车在时刻,t,的速度。,4.3.2,线性跟驰模型,微分方程：,4.4.2,线形跟驰模型（续）,其中 为后车在时刻（,t,T,）,的加速度，称为后车的反应；为敏感度；为时刻,t,的刺激。所以：反应敏感度,刺激。,假定,d2,d3,，,要使在时刻,t,两车的间距能保证在突然刹车事件中不发生碰撞，则有：,即,对,t,微分得：,或,非线性跟车理论,称为灵敏度,m,和,L,为常数,当,m=0,，,L=0,，即为线形模型,4.3.3,跟驰模型的讨论,4.3.3,跟驰模型的讨论,4.3.3,跟驰模型的讨论,4.3.3,跟驰模型的讨论,4.5.1,理论概述,4.5.2,车流连续性方程,4.5.3,波动理论,4.5.4,交通波理论的应用举例,4.5,流体模型,1955,年，英国学者莱脱希尔和惠特汉提出。,车流波动理论的定义：通过分析车流波的传播速度，以寻求车流流量和密度、速度之间的关系，并描述车流的拥挤,消散过程。,适用条件：流体力学模拟理论假定在车流中各个单个车辆的行驶状态与它前面的车辆完全一样，这与实际不符，因此该模型运用于,车辆拥挤路段,较为合适。,4.5.1,理论概述,交通流与流体流特性对比,物理特性,流体动力学系统,交通流系统,连续体形态,单向不可压缩流体,单车道不可压缩车流,离散元素,分子,车辆,运动方向,一向性,单方向,变量,质量,m,密度,K,速度,V,车速,V,压力,P,流量,Q,动量,mV,km,状态方程,Q=km,连续性方程,运动方程,假设车辆顺次通过断面,和,的时间间隔为,dt,，,两断面的间距为,dx,。,同时，车流在断面,的流入量为,q,，,密度为,K,。,车流在断面,的流出量为（,q+q,），,密度为（,K-K,）。,4.5.2,车流连续性方程,根据物质守恒定律，流入量流出量,x,内车辆数的变化：,或,取极限得：,当车流量随距离而降低时，车流密度随时间而增大。,又因为,q=,Kv,，,交通流的运动方程为,车流的波动：车流中两种不同密度的分界面经过一辆辆车向后部传播的现象。,波速：车流波动沿道路移动的速度。,前进波：沿道路前进的波，波速为正。,后退波；沿道路后退的波，波速为负。,集结波：波阵面过后，车流密度变大。,疏散波：波阵面过后，车流密度变小。,集散波：包括集结波和疏散波。,4.5.3,车流波动理论,（,1,）基本概念,车队从速度,V,l,、,密度,K,1,(,对应于车间距离,l,1,),转变到速度,V,2,，,密度,K,2,(,对应于车间距离,l,2,),。,O,为第一辆车的变速点，,A,为第二辆车的变速点、虚线,OA,的斜率就是集散波的波速。,4.5.3,车流波动理论（续）,一个车队中前三辆车运行的时间,-,空间轨迹,（,2,）交通波的基本方程,设变速点,A,的时刻为,t,，,位置为,x,，,则在时刻,0,到时刻,t,之间，两车车间距的变化为,l,2,l,1,，,第一辆车行驶的距离为,t V,2,，,第二辆车行驶的距离为,t V,1,，,则,l,2,l,1,t V,2,t V,1,，,t,（,l,2,l,1,）,/,（,V,2,V,1,）,又因,x=,l,1,+tV,1,，,则可得波速公式：,4.5.3,车流波动理论（续）,如果车流前后两行驶状态的流量和密度非常接近，则上式叫可演化为 ，,这个公式是微弱波的波速公式，即车流中传播小紊流的速度公式。,（,2,）交通波的基本方程,4.5.3,车流波动理论（续）,设有一个交通波以速度,w,沿车道稳定地向右传播，波阵面,s,前车流密度为,k,1,，速度为,u,1,，波传过后车流密度变为,k,2,，速度为,u,2,。,以波阵面,s,为界面，将看到的原车流以,w,u,1,的速度向左流过波阵面，而以,w u,2,的速度从波阵面流出。,假设为单车道，根据质量守恒定律，在波稳定传播的条件下，时间,t,内从波阵面右侧流入的车辆数应等于从左侧流出的车辆数，得到：,（,3,）交通波的基本方程,(,简单证明,),4.5.3,车流波动理论（续）,集散波总是从前车向后车传播的，把单位时间内集散波所掠过的车辆数称为波流量。通常意义下的流量总是相对于道路的一个固定断面而言，而波流量则是相对于移动的波界面来计算的。,可以证明，波流量的公式为,Q,w,车流波,W,的波流量；,V,2,、,V,1,前后两种车流状态的车速；,K,2,、,K,1,前后两种密度。,（,4,）波流量,4.5.3,车流波动理论（续）,k2k1,，且,q2q1,集结波、前进波,相当于以较大的间距行驶的车队，后车催促前车依次不断加速逐步缩小间距的情况。,k2k1,，且,q2q1,集结波、后退波,相当于车队中的头车减速或刹车，跟随车辆依次采取同样行为的情况，如车队驶进信号灯控制的交叉口而红灯启亮的情况。,k2q1,发散波、后退波,相当于停在停车线后的车队，绿灯启亮后逐渐启动的情形。,k2k1,，且,q2q1,发散波、前进波,相当于以较小间距行驶的车队，从队尾起，各车辆依次减速，逐步拉大车距的情况,（,5,）波速公式的分析,4.5.4,交通波理论的应用举例,例,4-4,车流在一条,6,车道的公路上畅通行驶，其速度为,V=80km/h,。路上有座,4,车道的桥，每车道的通行能力为,1940,辆,/h,，高峰时流量为,4200,辆,/h,（单向）。在过渡段的车速降至,22km/h,，这样持续了,1.69h,，然后车流量减到,1956,辆,/h,（单向）。试估计桥前车辆的排队长度和阻塞时间。,（,1,）分析道路上瓶颈地段的车流状况,（,2,）低速车插入高速车流产生的影响,（,3,）车队在信号等交叉口处的排队长度,4.5.4,交通波理论的应用举例（续）,解,：（,1,）排队长度,在能畅通行驶的车道里没有堵塞现象，其密度为,在过渡段，由于该处只能通过,3880,辆,/,而现在需要通过,4200,辆,/h,，故出现拥挤，其密度为,波速,平均排队长度,4.5.4,交通波理论的应用举例（续）,（,2,）计算堵塞时间,已知高峰后的车流量,q,3,1956,辆,/h3880,辆,/h,，表明通行能力已有富裕，排队已开始消散。,排队车辆,疏散车辆,则排队消散时间,则阻塞时间,例,:,车流的速度密度模型：,u0.103=1.547-0.00256k,，一列速度,u1=50km/h,的车流中被插入一辆速度,u2=12km/h,的低速车，形成速度为,u2,的拥挤车流。低速车形式了,2km,后离开车队，排队随之消散，形成速度为,u3,30km/h,的状态，试求：,拥挤车流消散的时间,t,s,拥挤车流持续的时间,t,j,拥挤车队最长时的车辆数,N,m,拥挤车流的总数,N,拥挤车流所占用的道路总长度,L,车流速度从,v,1,降低道,v,2,而延误的总时间,T,解：把车流经历的疏散密集疏散这三个状态记为状态,1,、,2,、,3,，相应的,流量、速度、密度分别记为,Q,i,、,u,i,、,K,i,，,i,1,，,2,，,3,，则由车流模型可算出：,Q,1,=1000,，,u,1,=50,，,K,1,=20,Q,2,=1200,，,u,2,=12,，,K,2,=100,Q3=1500,，,u,3,=30,，,K,3,=50,由状态,1,转变到状态,2,形成集结波，记其波速为,w,1,:,由状态,2,转变到状态,3,形成消散波，记其波速为,w,2,:,从图中可以看出，虚线,OB,的斜率等于,w,1,，虚线,AB,的斜率等于,W,2,，以,X,B,、,t,B,表示图中,B,点的空间坐标和时间坐标。从图中可以看出，从,t,0,到,t,A,，拥挤车队愈来愈长，最长时占路长度等于,X,A,-,X,c,，到时刻,t,A,，拥挤车队开始消散，到时刻,t,B,拥挤完全消除，所以时刻,t,B,-T,A,称为消散时间,ts,。由于,N,条折线的斜率表示车速，得：,又由：,解出：,AC,送上得车辆数就是拥挤时长度最长得车辆数,Nm,，它等于波,w,1,在时段,t,c,-t,0,内掠过的车数，根据波流量公式，可得：,W,1,掠过得车辆总数就是拥挤过得车辆总数,N,0,，于是,t,A,-t,F,表示第一辆车延误的时间：,车流波理论相关的计算公式,