交通流分析理論課件：現代交通流理論

交通流分析理論現代交通流理論一、智能網聯交通流二、數據驅動交通流三、三相交通流理論四、城市立體交通流本章內容一、智能網聯交通流二、數據驅動交通流三、三相交通流理論四、城市立體交通流本章內容概述智能網聯交通流是由智能網聯車輛構成的新型交通流其發展必然經歷有人工駕駛車輛和智能網聯車輛構成的混合交通流主要智能網聯車輛：自適應巡航控制車輛、協同自適應巡航控制車輛一、智能網聯交通流概述一、智能網聯交通流通過車載感知設備獲得與前車的車間距及速度等信息應用加速度優化算法控制車輛與前車保持穩定的車間時距行駛僅關注車輛延車道線方向的縱向行駛控制車載感知設備檢測到的位移與速度信息存在一定誤差，不利于ACC穩定性其控制系統通常分為上層控制系統和下層控制系統，如圖12-1所示自適應巡航控制車輛（AdaptiveCruiseControl，ACC）概述一、智能網聯交通流協同自適應巡航控制車輛（CooperativeAdaptiveCruiseControl，CACC）在ACC基礎上，改用車車通信（V2V）技術獲取前車行駛狀態有效縮短前車信息獲取中的延時能夠獲取精確度較高的前車加速度信息CACC車輛控制系統需要V2V環境CACC車輛跟馳傳統人工駕駛車輛則需要傳統人工駕駛車輛安裝V2V系統CACC車輛系統功能受限制CACC車輛跟馳傳統人工駕駛車輛概率較大傳統人工駕駛車輛安裝V2V設備普及率較低概述一、智能網聯交通流加州大學伯克利分校PATH實驗室通過實車試驗，獲得ACC/CACC車輛車間時距的接受程度超過50%的駕駛員接受ACC車輛具有1.1s的車間時距接近60%的駕駛員接受CACC車輛具有0.6s車間時距智能網聯交通流通行能力分析一、智能網聯交通流車頭間距-速度函數式所有車輛的平衡態速度相同，但平衡態車頭間距根據具體車輛類型而不同假設用sc、sa、sr分別表示CACC車輛、ACC車輛以及人工駕駛車輛的平衡態車頭間距，則三種類型車輛的平衡態速度-車頭間距關系的一般性表達式如下：CACC車輛、ACC車輛以及人工駕駛車輛構成的網聯混合交通流

v——平衡態速度，km/hf——函數式介紹不同CACC滲透率條件下的交通流通行能力分析方法智能網聯交通流通行能力分析一、智能網聯交通流混合交通流基本圖的平衡態模型依據交通流密度定義，可計算混合交通流的密度k為：混合交通流中所有車輛以平衡態速度v行駛，當交通流中的車輛數足夠多時，交通流所覆蓋道路長度為所有車輛平衡態車頭間距之和，即：

D——交通流覆蓋道路長度，kmN——車輛數，vehbc、ba、br——CACC車輛、ACC車輛、人工駕駛車輛占比

結合上述公式，可計算混合交通流的速度-密度平衡態模型為：

智能網聯交通流通行能力分析一、智能網聯交通流混合交通流各類型車輛比例混合交通流中CACC車輛需要依賴前車提供的V2V功能在CACC車輛跟馳人工駕駛車輛時，CACC車輛退化為ACC車輛混合交通流中前后車跟隨情況如圖12-2所示智能網聯交通流通行能力分析一、智能網聯交通流混合交通流各類型車輛比例用p表示混合交通流中CACC車輛的滲透率僅跟馳人工駕駛車輛的CACC車輛才退化為ACC車輛人工駕駛車輛的比例為：br=1-pACC車輛在混合交通流中的數學期望比例為：ba=p(1-p)CACC車輛在混合交通流中的數學期望比例為：bc=p-p(1-p)=p2混合交通流關于CACC車輛的滲透率p的速度-密度平衡態模型為：

能夠計算不同CACC滲透率p下的混合交通流通行能力值結合交通流恒等式q=kv智能網聯交通技術路線一、智能網聯交通流智能網聯交通技術的發展依賴于兩個方面智能網聯車輛的自動化技術智能網聯車輛與道路基礎設施之間的車路協同技術上述兩方面依賴于如下兩條技術路線智能網聯交通系統的發展主要依賴車與路之間的網聯化水平基于智能網聯車輛的技術路線基于車路協同的技術路線智能網聯交通系統的發展主要依賴于智能網聯車輛的智能化和自動化水平智能網聯車輛擁有多種類型車載感知設備實時監測前方車輛運動狀態及路側交通環境路側控制系統通過車路協同技術收集各智能網聯車輛行駛信息及道路交通環境從全局層面做出優化控制決策，實現交通流運行整體最優一、智能網聯交通流二、數據驅動交通流三、三相交通流理論四、城市立體交通流本章內容交通流軌跡數據二、數據驅動交通流21世紀初，NGSIM交通流軌跡數據誕生成為各類數據驅動交通流模型構建的軌跡數據庫隨著交通大數據時代數據采集技術的迅速提升，基于高精度和大樣本的交通流軌跡數據，數據驅動的交通流模型應運而生滿足了數據驅動模型構建的需求能夠反映的交通流運行特征具有局限性，影響數據驅動模型的泛化能力德國的HighD交通流軌跡數據具有樣本量更多和數據精度更高等優點存在交通流擁堵狀態數據較少的缺點日本的ZenTraffic交通流軌跡數據擁有較多交通流擁堵狀態的軌跡數據我國陸續公開基于無人機視頻的高精度車輛軌跡數據數據驅動交通流分析包括數據驅動的跟馳行為分析和數據驅動的換道行為分析是通過構建數據驅動跟馳模型和數據驅動換道模型來實現分別以真實車輛跟馳軌跡數據和換道軌跡數據為基準利用數據科學與機器學習等理論和方法通過樣本的訓練、學習、迭代與進化，挖掘跟馳行為和換道行為的內在規律建模方法1）神經網絡類數據驅動模型建模方法神經網絡算法主要以深度學習算法為主常見的深度學習算法包括卷積神經網絡、循環神經網絡、長短期記憶神經網絡2）支持向量回歸和K近鄰的數據驅動建模方法支持向量回歸能較好地應用于交通流軌跡數據回歸擬合，在理論上具有比人工神經網絡更強的數據學習和泛化能力K近鄰算法是經典機器學習算法，具有貼近跟馳行為的建模假設和更加清晰易懂的建模思想二、數據驅動交通流數據驅動與數學解析的對比二、數據驅動交通流數據驅動模型和數學解析模型具有優勢互補的特性傳統數學解析類模型依賴于詳細的數學推導和模型表達式對交通流解釋性強模型的預測結果與實際存在相對較大的誤差數據驅動模型不依賴于詳細的數學推導和模型結構，具有預測精度高的優點絕大多數數據驅動模型并未突破數學解析模型的框架缺點是無法對實際交通流現象進行解釋存在值得思考的問題缺乏統一的測試集和測試標準，泛化能力及驗證測試不充分不一定能體現宏微觀交通流的關聯性需加強關注交通流本質問題，需從交通流問題導向出發一、智能網聯交通流二、數據驅動交通流三、三相交通流理論四、城市立體交通流本章內容交通流狀態的劃分三相交通流理論認為，交通流有三個獨立的交通相，分別為自由流、同步流和堵塞其顯著特點是交通流基本圖上，數據點呈現出二維散布流量和密度之間沒有一一對應的關系三、三相交通流理論交通流狀態的劃分在同步流的概念提出之前，交通流通常被分為自由流和擁擠流在自由流中，車輛以較高的速度行駛，流量隨密度單調增加在擁擠流中，車輛的行駛速度降低，但流量和密度仍然存在一一對應關系堵塞三相交通流理論中，將擁擠流進一步劃分為同步流和堵塞流量-密度數據會無規律散布在寬廣二維平面下游分界面往往固定于瓶頸處傳播速度不確定易受瓶頸的影響而改變狀態車輛速度等于或接近于零堵塞占據路段空間遠大于其上下游分界面同步流三、三相交通流理論持續的爭論與發展三、三相交通流理論三相交通流理論提出后，基本圖理論提出者和三相交通流理論提出者展開了長達十幾年的爭論雙方在對結果的不斷完善和修正過程中始終沒能達成一致三相交通流理論隨時間推移越來越完善，能準確描述各類交通流現象，但相比傳統基本圖理論的正確性在業內仍然沒有達成共識三相交通流理論在未來交通領域仍是極具爭議的話題一、智能網聯交通流二、數據驅動交通流三、三相交通流理論四、城市立體交通流本章內容四、城市立體交通流城市空中交通流以輕型飛行器為載運工具采取垂直起降的模式在城市與城郊低空域內實現人員或貨物運輸其目的是充分利用城市低空域來緩解地面交通擁堵四、城市立體交通流城市空中交通流城市空中交通流并非傳統意義上的航空交通二者在載運量、飛行空域及飛行模式上存在較大差異城市空中交通流在未來將扮演“飛行汽車”或“空中巴士”等角色交通流類型載運量飛行空域飛行模式城市空中交通流較小低空域可采取無固定的自主式飛行模式傳統意義航空交通較大高空域必須按照固定航線的飛行模式四、城市立體交通流城市空中交通流相比于道路交通流，城市空中交通流存在如下特點城市空中交通流是將平面的道路交通流擴展至立體空間的交通流地面道路交通流是由大量個體車輛在平面內的相互運動形成城市空中交通流則是由不同飛行器在立體空間內的相互運動形成二者均具有交通流的相關特性城市空中交通流的飛行器可類比為道路交通流的車輛城市空中交通流同樣存在交通流的流量、密度和速度的概念四、城市立體交通流城市空中交通流將道路交通流特征的廣義定義拓展至城市空中交通流的四維空間對城市空中交通流的流量、密度和速度進行定義通過仿真得到城市空中交通流的基本圖曲線如圖12-7四、城市立體交通流城市空中交通流由城市空中交通流基本圖曲線可以看出城市空中交通流基本圖曲線呈現與道路交通流基本圖曲線類似形態veh/h

veh/(km2·h)單位小時穿越立體空間單位平方千米平面的“車輛數”veh/km

veh/km3單位立體空間內的“車輛數”速度單位均是單位時間內的行駛里程流量單位密度單位四、城市立體交通流城市空中交通流在城市空中交通流速度-密度關系中交通流的速度隨密度的增大而降低當空域內無車輛時，城市空中交通流的密度為零當速度達到自由流速度時，隨著交通流密度的增大，車輛行駛沖突增多，使得行駛速度降低，從而引發交通流速度下降在未來空中交通流中，可根據立體空域中的密度分析空域中交通流的速度，并據此進行行程時間等方面的評估四、城市立體交通流城市空中交通流在城市空中交通流速度-流量關系中流量較小時，交通流速度保持自由流速度流量較大時，交通流速度呈現下降趨勢，并在最大流量的通行能力處轉變為擁堵態在擁堵態，交通流速度隨流量下降而降低，導致城市空中立體空間的服務水平下降轉變為擁堵態在未來空中交通流中，道路交通流服務水平概念的沿用以及服務水平劃分、交通流管理還需要進一步研究自由流速度四、城市立體交通流城市空中交通流在城市空中交通流流量-密度關系中密度為零時，流量也為零，在達到通行能力前的非擁堵態，流量隨密度增大而上升達到通行能力后，交通流變為擁堵態，流量快速下降，密度也隨之降低在城市空中交通流中同樣存在通行能力狀態這對城市空中交通流的通行能力分析及交通堵塞的控制具有積極作用四、城市立體交通流城市軌道交通流包括城市內部的軌道（地鐵與輕軌）、城郊的市域（郊）鐵路以及城市之間的城際鐵路等，將這些軌道上運行的列車流統稱為城市軌道交通流四、城市立體交通流城市軌道交通流早期城市軌道交通采取固定閉塞控制系統，目前逐漸升級為移動閉塞控制系統無論固定閉塞控制系統還是移動閉塞控制系統，城市軌道交通流存在類似道路交通流基本圖的現象，如圖12-8所示四、城市立體交通流城市水運交通流城市水運交通流是指在內河航道上由大量船舶構成的水上交通流四、城市立體交通流城市水運交通流為有效疏解內河航道擁堵，合理對船舶交通流組織管理，道路交通流各相關分析方法逐漸被拓展至城市水運交通流特性分析中將內河航道的水上空間類比為道路的地面空間將水流起伏類比為道