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淘豆网网友近日为您收集整理了关于重型拖挂车转变行驶的交通流仿真（工商管理）的文档，希望对您的工作和学习有所帮助。以下是文档介绍：重型拖挂车转变行驶的交通流仿真（工商管理） 天津大学硕士学位论文重型拖挂车转变行驶的交通流仿真姓名:阳思申请学位级别:硕士专业:管理科学与工程指导教师:马寿峰2011-12摘要近年来,随着道路上重型车辆的增加,交通研究领域对大型车辆的运输特性给予了越来越多关注与研究。但是在微观交通流仿真领域还没有对大型车辆的转弯特性以及由此对周边交通流的影响做进一步细分、研究和仿真。本文首先介绍了国内外对大型车辆的行驶特性的研究,其中包括车辆的跟驰特性、超车特性和驾驶员的心理特性等;其次介绍了近年来研究领域对重型拖挂车转弯特性的分析,包括车辆转弯时可能发生的甩尾、倾翻、侧滑等情况,以及对这些情况的计算机仿真;并系统地介绍了元胞自动机的基本理论,对单细胞、多细胞、多车道及城市交通流的元胞自动机模型进行了综述分析与总结。本文重点分析了重型拖挂车在弯道行驶时的受力情况,推导出在车辆正常行驶和发生甩尾情况下车轮的行驶轨迹。建立了驾驶员决策模型,设计了状态感知向量及分量取值条件,以便驾驶员能够对当前交通状况和外界环境的感知做出相应加速、减速和转向等决策。利用VBOX软件对天津港的大型车辆和普通车辆转弯时的数据进(来源：淘豆网[/p-.html])行采集,分析数据结果并对驾驶员的状态感知分量进行标定。在此基础上建立了基于元胞自动机的重型拖挂车弯道转弯模型,能够动态反映车辆的行驶轨迹、驾驶员的驾驶决策,以及进一步采取的决策对车辆行驶轨迹和周边交通流的影响。最后设计了多组特定环境下转弯路段的交通流仿真实验,输出交通流仿真数据和车辆时空图,仿真结果表明了该模型能够对存在重型拖挂车较多的弯道设计参数进行检验和修正,包括车道宽度、超高和曲线半径等,验证了模型的有效性和可行性。关键字:交通流:元胞自动机:重型拖挂车:状态感知:仿真ABSTRACTNowadays,much research is carried out on the travelling characteristics of heavyvehicles with the increasing numbers of heavy vehicle on the road,but little researchis done on the turning features,further(来源：淘豆网[/p-.html]) traveling influence analyzing and simulation ofthe heavy vehicles in microscopic traffic flow simulation area.In the first part ofthis paper,a research review is introduced,including recentresearch on car—fo llowing characteristics,overtaking and the psycho logical features ofthe drivers,and turning feature analysis ofthe heavy trailer,like drifting,overturningand side-slide behavior analysis puternext,cellularautomaton theory(来源：淘豆网[/p-.html]) is described,and cellular automaton models of single·cell,multiple-cell,multiple-lane and urban traffic flow are summarized and analyzed inthis paper.Next,by analyzing the stressing situation of the heavy trailer turning,thedriving track ofthe heavy trailer in normal and drifting driving conditions is deduced.A driver decision-making model is established,and we design the state awarenessvector ponent value constraints,which canhelp the driver(来源：淘豆网[/p-.html]) to makecorresponding action decisions,such as acceleration,deceleration and turning.Next,we use the VBOX to collect and analyze the turning data ofthe heavy trailer vehiclesand ordinary passenger cars in Yianj in Port road, using which to value the stateawareness vector.Then,the heavy trailer turning model is established based oncellular automation,in this model,the vehicle driving track and the driving decisioncan be described dynamically,and we (来源：淘豆网[/p-.html])also canget the simulation result of next actionto the driving track and the traffic around.Finally,we design many groups of curve driving simulation experimentsunder certain circumstance,in which traffic simulation data and space-time diagramscan be got,The simulation results show that the curvedesign parameters of road witha high proportion of heavy trailer can be tested and corrected in this model,includinglane width,ultrahigh and curve radius,b(来源：淘豆网[/p-.html])y which the effectiveness and feasibility ofthis model can be verified.KEY WORDS:第一章绪论1.1研究背景与意义1.1.1研究背景第一章绪论弟一早瑁下匕近年来,随着经济的飞速发展、物流运输行业的迫切需求,车辆制造水平的突飞猛进,以及公路状况的不断改善,重型拖挂车在交通运输领域的得到越来越多的注重。如今,在国内外公路尤其是码头承载货物运输功能的港口城市的公路上,随处可见拖挂车运输的忙碌现象。重型拖挂车具有其他车辆运输无法比拟的优点,例如:能够装载超大、超长、超重物品等;牵引车与半挂车采用牵引座和牵引销的无间隙联接方式,车辆总长得以缩短,从而提高了整车行驶的稳定性和机动性;便于实现区段运输、甩挂运输和滚装运输,从而将公路运输和水路运输直接联运,具有很强的机动性、灵活性,能够实现点对(来源：淘豆网[/p-.html])点的直达运输,能够适应大型和重型企业的运输需求。正因如此,拖挂车的运载使用引起了大量的汽车运输业、汽车制造业和物流公司的重视。现在拖挂车生产和使用呈现了产量越来越大,种类越来越多以及用途越来越广的特点,其用途已经广泛渗透到社会服务、工程建设、旅游、勘探等部门用以完成特定的运输任务。尽管拖挂车的用途呈现多样化的趋势,但主要用途仍集中于货物运输,特别是在某些发达国家,大部分的货物运输都是由拖挂车来完成的,尤其是在运输大型工业和建筑业的大长笨重件方面拖挂车有无可比拟的优势,以及城间运输以及大陆毗邻各国的国际运输也是由拖挂车来完成。以美国为例,整个公路货物周转量的60%左右都由拖挂车来承担,目前这一比例还有上涨的趋势n1,可以断言拖挂车已成为公路运输的主要力量。近年来,随着中国汽车工业和道路交通运输业的高速发展,高速公路以及普通公路质量的提高,集装箱运输和零担货物运输的广泛展开,全国各地兴修高速公路、不断改善运输条件、大力扶持物流业的发展,为发展重型拖挂车的运输提供了良好条件和广阔的平台,促进了拖挂(来源：淘豆网[/p-.html])运输方式的不断发展和完善。但是由于重型拖挂车的总质量和总长度都大于一般车辆,其在行驶时更容易发生失控,转弯时轨迹偏差和甩尾幅度也比一般的车辆大得多,因此人们也日渐意识到如何防范拖挂车发生交通事故,避免造成重大的生命和财产损失是一个第一章绪论严肃和亟需解决的问题。在交通领域有越来越多的科研学者对重型车辆的行驶特性和驾驶员的驾驶特性给予了更多的关注和研究,以期这些初步的研究成果能够进一步应用到公路线性设计、重型集卡设计上,在提高了运输效率的同时,也尽量减少交通事故发生的概率。1.1.2研究意义随着重型拖挂车的使用增加和快速发展,人们开始越来越多地关注重型拖挂车的行驶特性、驾驶员驾驶特点,以及如何进一步改进车辆设计和进一步优化公路线形设计,从而将拖挂车车运输的弊端降至最低限度。重型拖挂车在弯道上行驶时,各个车轮的行驶轨迹不同,在弯道内侧的后轮行驶轨迹半径最小,而靠近弯道外侧的前轮行驶轨迹半径最大。当弯道半径较小时,这一现象表现得更为突出。而当弯道半径较大时,车辆行驶的最大速度也较大,此时受到向心力(来源：淘豆网[/p-.html])偏大容易引发车辆甩尾,当车辆发生较严重甩尾时靠近弯道外侧的后轮发生侧滑,而致使轨迹半径较大,相反,靠近弯道内侧的前轮行驶轨迹较小。上述两种情况都会使拖挂车侵占相邻的车道,而拖挂车由于车身长,体型大,其车轮行驶轨迹的偏差会对整个车道上的交通流造成影响。本文正是在研究重型拖挂车转弯原理、受力分析的基础上,计算出拖挂车对路面的占用情况,量化驾驶员的驾驶决策,从而建立交通流仿真模型,模拟重型拖挂车和小汽车在弯道上行驶的交通流。通过输出交通流仿真数据,可以对转弯路段的线形设计参数,例如转弯半径、车道宽度和超高等进行检验,并进一步优化线形参数,从而提高重型拖挂车转弯行驶时的安全性和舒适性。因此,开展重型拖挂车的转弯驾驶特性研究,建立科学合理的交通流仿真模型,对指导我国城市道路设计、解决交通拥堵、降低交通事故率等诸多问题至关重要,具有重要的工程应用价值。1.2交通流仿真模型的研究现状随着交通需求的迅速增长和汽车工业的迅猛发展,交通流仿真模型的研究也不断深入发展。90世纪30年代,J.P.Kinzer首次将(来源：淘豆网[/p-.html])泊松分布引入交通流的研究瞳1,50年代初期,交通跟驰模型首次由L.A.Pipes提出米。“,之后,Whitham、Lighthill和Richards又分别提出了LWR模型,即交通流流体力学模型H1。70年代,交通流气体动力论模型又被Herman和Prigogine首次提出呖1。之后,Schreckenberg和Nagel提出了NS模型,即一维元胞自动机交通流模型m1,第一章绪论Levine,Middleton和Biham在接下来的研究中又将NS模型进一步细化,提出了二维元胞自动机模型,即BML模型口1。下面简单介绍一下交通跟驰模型、流体力学模型和元胞自动机模型。(一)交通流跟驰模型交通流跟驰模型是从微观角度,将单个车辆作为研究对象。其基本理论是车辆在单一车道上列队行驶,后车的司机凭借感知力、控制力和判断力,跟随前车行驶,对前导车一系列连续的刺激作出有规律的反应。20世纪中期,Chandler、Montro和Herman提出来的GM模型最为著名,这个模型对驾驶员的加速度作出了一系列的假设,即:司机的加速度与自身的车速有直接的影响,且与前后两车间的距离成反比,与前后两车之间的速度差成正比。其公式为:“H丁)训烈Hn畿(1_1)式中:口。。(f+丁)为第n+l辆车在t+T时刻的加速度;V剃@+T)为第n+l辆车在t+丁时刻的速度;丁为驾驶员的反应时间;Av(t)为第门辆车与第胛+l辆车之间在l时刻的速度差;血(f)为第,?辆车与第,z+l辆车之间在f时刻的距离;C、m、,是常数。1959年,Helly在GM模型的基础上提出了线性跟车模型,这个模型考虑了前导车的制动减速对后方跟驰车辆的影响阳1。1993年Michaels对驾驶员的心理和生理的潜在因素进行了分析,首次提出了反应点模型阳1。Gipps提出的改进的安全间距模型也被广泛的应用¨0|。跟驰模型的研究已经非常深入并广泛,但从总体上来说,仍然缺少贴近现实的能够解释司机间动机和行为差异的因素,并且缺乏描述跟车行为的时间序列数据。此外,车辆行驶时会受到周边环境的影响,减速的情况是多样的,用跟驰模型难以将种种因素考虑在内加以实现。(二)交通流的流体力学模型交通流理论是一门运用数学与物理学工具共同描述交通特性的科学,其模型是从宏观着手,将交通流看作是大量车辆组成的可压缩可膨胀的连续流体介质,并用车辆的平均速度、平均密度和交通流量等来描述车辆的互动行为。交通流模型研究初期的主要对象是,当道路上车辆较少时,车速较高,当车辆密度超过某个临界值,道路上就会发生交通堵塞,研究人员通过大量的实验和数据分析,试图用模型表达出车辆速度、车辆密度和交通流量三者的关系。Richards…1和Lighthill¨纠首先提出了一阶连续介质模型,即LWR模型:第一章绪论祟+睾:J(彬)0-2)^. ^ 、7,Ut ox式中:k为交通密度,t为时刻,q为交通流量,X为空间位置,S(X,,)为流量产生率。当S(X,,)=0,表示无进出匝道道路;s(x,,)&0表示进口匝道,s(x,,)&0表示出口匝道。假设v为道路上车辆的平均车速,则速度与密度有以下关系:q=Jh, (1-3)且达到平衡状态时,v和k有;v=1,,(k) (1—4)则利用联立方程组(卜2)、(卜3)和(1-4)解方程,能够研究较为简单的交通流问题。在一阶模型的研究基础上,Payne建立了高阶连续模型13】。Payne模型更与实际车流相贴切,因为在此模型中每辆车的速度可以与平衡速度密度相偏离,不仅能够描述交通激波的形成与阻塞消散,又可分析随机扰动而引起的交通迟滞、失稳以及不规律停走等现象。之后,研究人员对Payne模型又进行了很多改进。总的看来,流体力学模型还存在以下几方面的缺点‘14】:1)流体动力学模型没有考虑驾驶员的个体差异,不能对交通流进行有效和稳定的分析,与微观跟驰理论严重脱节;2)当车流量为自由流或间歇流时,车流呈现出稀疏、不均匀和非稳态的特性,流体力学并不能描述出这些交通流的特点;3)交通流模型不能描述出车辆换道和超车的情形:4)流体动力学型的守恒方程不能充分解释交通流实际车流速度随密度上升单调下降这一现象,不可能用唯一的速度与密度方程描述速度与密度的关系。(三)元胞自动机模型基于元胞Ih动机的交通流模型将空间、时间、车辆速度和加速度离散化,不仅能量化驾驶员的驾驶行为,也能反应车辆之间的相互影响,因其算法灵活简便、能较好地模拟复杂的非线性系统,在交通领域受到广泛应用。元胞自动机是冯诺伊曼(J.Yon Neumann)最早于60年代初期提出来的,可用于模拟生命系统中具有的自复制功能。元胞自动机是一个理想化的模型,它被描述成在由多个离散的元胞组成的有限空间上,根据一定的规则,在离散化的时间维度上进行演化的系统。上世纪80年代初期,元胞自动机模型的研究进入了新的发展阶段,研究学者利用简单的规则使系统涌现出自复制、自组织、分又以及吸引子等复杂现象,将次模型应用在不同的领域中,使元胞自动机成为研究复杂系统的有效和重要工具。元胞自动机的局部规则非常简单,其构成的空间、时间和状态变量都是离散的,在随时4第一章绪论间推进而演化的过程中呈现丰富且复杂的动态。分析元胞自动机的内涵和构成,可总结出以下加大特征[15,16,171:①空间离散:按照一定的规则,元胞被分布在离散的空间内。②同质性:同质性是指在相同的演化规则下,空间内的每一个元胞状态都服从相同的变化。③齐性:齐性是指元胞空间内的每一个元胞的形状大小相同,分布方式一样,分布整齐规则。④状态离散有限:元胞状态的取值局限于有限的离散空间。⑤时间离散:在等间隔的离散时间下,系统按照演化规则分步向前推进,且下一时刻的元胞状态仅受到上一时刻元胞状态的影响。⑥并行性:元胞自动机能在并行的计算环境下运行,因为其演化规则的系统演化也是同步进行的。⑦时空局限性:下一时刻的每个元胞状态仅取决于上一时刻自身和周围的元胞状态。1986年,cremer和Ludwig[18】首次将元胞自动机运用到机动车的交通流研究中,之后元胞自动机便渐渐被广泛应用于交通流的研究领域中。研究交通流的元胞自动机模型一般分为两大类:一维交通流模型,主要用于研究高速公路交通[19-241和二维交通流模型,主要用于研究城市网络交通[25-28]。这两大模型中最具代表的分别是1992年Nagel与Schreckenberg提出的NS模型【29]币lBiham等人提出的BML模型【30]。目前在机动车交通流的研究领域[31-341和混合交通流的研究领域中‘351,元胞自动机作为一种简单有效地工具己被广泛应用。1.3大型车辆行驶特性的国内外研究现状交通微观仿真领域的学者们已经对驾驶员驾驶行为开展了大量研究,成果显著。然而鲜有文章涉及在前方车辆为重型货车的情况下,小车司机驾驶行为会受到何种因素的影响,以及相应的量化机理。近年来,随着道路上重型车辆的增加,微观交通研究领域对大型车辆的运输特性给予了越来越多关注与研刭36枷】。跟车模型是微观交通流仿真模型的重要基础,各类模型都强调了前方引导车辆是后车驾驶员做出判断的基本信息源,然而,却没有任何文章对前方引导车辆的类型和驾驶行为之间的关系进行分析并应用到仿真模型中。现有的跟车模型全部假设重型货车和其它车辆对后车的影响是没有任何区别的。很显然,这就导致了微观仿真模型将相似的跟车行为分配给了驾驶员,而没有考虑前方引导车辆类型这一因素。5第一章绪论随着重型货车数目的增加,重型货车对道路交通的影响,已经引起了广泛的研究兴趣。据统计,·美国的重型货车数量增长了30%,相应的行驶距离增加了41%t4¨。1999年,Yoo和Green研究发现小汽车与大型车辆的跟驰间距要大于小汽车与小汽车之间的间距【421。针对这一现象,Peeta等人指出重型货车对交通堵塞和交通事故的影响,和它们数量的增长所带来的影响,是不成比例的【43|。研究结果发现驾驶员在超过重型货车时,相对于普通乘用车,倾向于采用更快的速度。这也就暗示了驾驶员在和重型货车临近驾驶时会感到不适【441。然而,关于重型货车对安全、容量以及驾驶行为的影响程度,学者们并未进行深入研刭45|。重型货车对交通产生影响的量化研究,目前主要采用车辆折算系数法(正如美国公路容量手册所使用的方法)。然而,将重型货车流转换为等量的乘用车流,并不能完全反应重型货车对交通流的影响。Peeta等人选取了印度尼西亚某条高速公路作为目标,对部分司机进行了驾驶员考虑因素取向调查,并在调查结果的基础上应用模糊理论建立了微观交通仿真模型。研究结果发现大部分小汽车司机会和前方的重型货车保持较远间距,而和前方小汽车的间距通常较小。此外,研究结果还显示在前方车辆为重型货车时,后方小汽车超车的可能性较大。在重型货车密集区域,小汽车司机会由于视线受干扰,货车司机的盲区等因素感到不适。然而以上研究的薄弱之处在于,驾驶员考虑因素取向调查并不能完全反应他们的实际驾驶行为。Parker[46】采用录像技术对某高速公路上的三个地点(具有不同的交通流量)进行了数据采集,研究发现在小汽车密集的条件下,前后两车时间间隔是最小的,这一间隔要小于前方车辆为重型货车的情况。在重型汽车密集的条件下,前后两车时间间隔是最大的。这一研究方法的薄弱之处在于,利用录像技术进行数据采集,并不能捕捉到驾驶行为的时序特性。国内相关领域的研究尚处于起步阶段,研究成果主要包括高建平等(2005),胡淑萍等‘471,郭忠印和方守恩【48],叶忠慧【49】,谌志强和李硕【50】。叶忠慧从高速公路上超速行驶与驾驶员、车辆、道路环境条件三方面的关系入手,分析了驾驶员的视觉特性和感知能力的变化、车辆性能的改变、道路条件的不安全程度,最后说明了超速行驶对汽车安全行驶的影响。高建平等[5I】根据国内某典型重载高速公路近几年交通事故的统计,研究了载重货车交通对高速公路运营安全性的影响。研究发现超载、不同车型之间运行车速的显著差异、行车注意力不集中及纵向间距不足等是造成货车交通事故的主要原因。国内的相关研究仍停留在定性层面,更偏注于重载货车对于交通安全的影响分析,缺乏对重载货车密集条件下驾驶行为的深入研究,这对于减少货车事故、提高交通安全,具有重要意义。重型拖挂车由于其体型大、转向不灵活、加速比较慢,给周围的驾驶员带来不适的感觉,影响了周边车辆的行驶。此外,由于拖挂车前半部分的牵引车和6播放器加载中，请稍候...
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