第一章 緒論

1.1 交通流理論研究的內容和意義

交通流理論是運用物理學和數學的定律描述交通特性的交通工程學基礎理論之一；道路設施可以分為兩類：連續流和間斷流設施。連續流設施為機動車流提供了相對連續的運行環境，幾乎沒有強制性阻斷干擾，因而在該類設施上機動車流能夠連續不中斷地行駛，典型的連續流設施包括高速公路、普通公路及城市快速路；間斷流設施則對交通流的通行存在強制性干擾阻斷，如平面交叉口、交通信號控制等，城市街道是典型的間斷流設施，因而城市地面道路上行駛的車流是間斷流。
連續流具有明顯的類流體特征，流體內顆粒（車輛）間的相互作用、波動特性、系統平衡態特性與非平衡態特性是連續流交通特性研究中的核心內容，方法上多采用流體力學、質點系動力學等理論方法；間斷流受到強制阻斷干擾，因而如何進行交通流通行權控制以及分析各種控制方式下的交通流有何特性成為間斷流研究的重點內容，方法常采用排隊論、概率論、數學優化等理論方法。
研究交通流運行規律的重要作用是為交通設施的規劃、設計、管理和控制提供理論支撐。應用交通流理論的模型和方法，可以分析各類道路設施 在不同服務水平下的通行能力，以及預測交通流在道路網絡上的時空演化特征。前者是道路交通規劃與設計所需要的基本參數，后者為交通流實時預測與控制提供關鍵技術。

1.2 交通流理論的發展沿革

1.2.1 20世紀30~40年代

一般認為交通流的研究最早始于20世紀30年代，20世紀30~40年代這段時期，道路車流量并不大，交通密度較為稀疏，在這種情況下，車輛到達具有一定的隨機性，且車與車之間的相互影響作用較弱，故該時期主要采用概率論和統計學的方法對交通流的特征進行觀測和統計分析，包括對流率、速度、密度等宏觀交通流參數的觀測，以及對車輛到達分布、車頭時距分布、車速分布等交通流統計特征的研究。開啟了交通流理論兩個重要的研究領域：交通流基本圖理論和交通特性的統計分布。基本圖理論揭示了交通流系統中流量、密度與速度三個基本參數之間的內在關系，是交通流最基本、最重要的規律之一，它定義了交通流不同的系統狀態，是進行道路通行能力分析、服務水平劃分的直接理論基礎，也是交通流動力學、道路網絡交通分配等理論研究所需的基礎模型。交通特性的統計分布一方面能夠預測道路設施在給定時段內到達的車輛數，另一方面也為間隙接受理論、排隊論等方法論提供交通特性的統計分布函數。這一時期的研究工作拉開了交通流理論研究的序幕，也為后面的理論發展奠定了基礎。

1.2.2 20世紀50~60年代

20世紀50年代以后，機動車數量逐漸增多，道路上開始出現大量的密集車流。車輛達到的隨機性減弱，車與車之間的相互影響作用增強，交通流動力學研究的意義開始凸顯。交通流理論迎來了第一個蓬勃發展時期。這段時期內，形成了多個基本圖模型，提出了車輛跟馳模型、宏觀連續模型（LWR模型）、排隊論模型以及交叉口信號控制和延誤分析方法等一大批經典理論與方法。交通流的研究涉及了連續流和間斷流兩類不同的形態以及平衡態基本圖、微觀動力學、宏觀動力學、交通信號控制、Maxband綠波優化等不同的理論方法，交通流理論體系基本形成。其中，交通流動力學模型的發展是這一時期的標志性成果。

1.2.3 20世紀70~80年代

20世紀70到80年代，交通流理論的微觀動力學模型和宏觀動力學模型都有一些進展，在微觀動力學建模方面，出現了安全跟馳模型和車輛換道模型。與早期通用汽車實驗室的跟馳模型不同，安全跟馳模型沒有采用“刺激-反應”的建模思路，而是采用了安全駕駛策略導出了跟馳車速與車間距離的函數關系，為深入理解車輛跟馳行為提供了新的角度。同時，車輛換道模型也被提出，形成了車輛換道完整過程的模型表達方法，并結合跟馳模型開發了交通流計算機仿真軟件。在宏觀動力學領域，交通流的通行能力陡降現象（Capacity Drop）、磁滯現象（Hysteresis Loop）等復雜非線性特性逐漸引起了相關研究人員的注意。1971年Payne提出了第一個高階連續模型，高階連續模型突破了LWR模型只能求得平衡態解的限制，能夠描述更多復雜的交通流非平衡態現象。此后，更多的高階連續模型相繼產生，Prigogine等學者提出了類氣體動力學的三階連續模型。
此外，交通信號協同控制理論也在這一時期得到了進一步的發展。

1.2.4 20世紀90年代以后

20世紀90年代以后，得益于交通觀測技術和計算機技術的進步，交通流理論的研究迎來了新一輪的大發展。在交通流基本圖模型方面，Kerner提出了一種全新的觀點——三相交通流。與傳統基本圖模型不同之處在于，三相交通流認為交通流的狀態包括三種：自由流、同步流和運動阻塞。在微觀動力學領域，元胞自動機模型開始應用于交通流的仿真分析。元胞自動機模型引入了隨機效應，并擁有更高的計算效率，可以用于更大范圍路網的微觀交通仿真。在宏觀動力學領域，出現了速度梯度型連續模型，克服了早期密度梯度連續模型的缺陷。此外Daganzo提出了元胞傳輸模型，使交通流宏觀動力學模型從路段模型向網絡模型發展。在非機動車交通流方面，行人流的建模理論發展迅速，并逐漸形成了獨立的研究方向。
進入21世紀，智能網聯交通流成為新的研究熱點。自動駕駛汽車因具備靈敏的環境感知能力以及車車通信和車路通信共，其交通動力學特性也與人工駕駛汽車有所區別。如何為自動駕駛汽車建立新的交通流模型，如何準確描述智能網聯環境下自動駕駛汽車和人工駕駛汽車混合交通流的交通特性，是未來交通流領域的重要課題。

1.3 交通流模型間的關系

交通流理論的內容包含統計特征、基本圖特征、動力學特征等，這些內容本質上反映了交通流系統不同狀態的特性。事實上，交通流系統的不同狀態之間是存在聯系的，這種聯系也存在于交通流的各種模型之中，大體上體現在一下兩個方面：

第一，交通流平衡態模型和動態模型之間的聯系。平衡態模型主要指基本圖模型，它描述了交通流平衡態條件下，基本狀態參數之間的關系。動態模型主要包括各類動力學模型。我們發現大部分動力學模型都含有基本圖模型，這表明，交通流系統存在內生動力或自組織機制，它驅動著非平衡態交通流系統向平衡態演化。類似與彈簧或鐘擺，當收到干擾偏離平衡態后，系統在平衡態附近振蕩，并最終回歸平衡態。

第二，交通流宏觀模型和微觀模型之間的聯系。宏觀模型著重在流體層面刻畫交通流的一般特性和規律，主要包括平衡態基本圖模型和宏觀動力學模型（連續模型）。微觀模型則著眼于個體車輛的行為特征，主要包括跟馳模型和換道模型。基本圖模型是平衡態條件下微觀跟馳模型在系統層面集聚效應的體現。因而從跟馳模型出發可以導出其對應的宏觀基本圖模型。在動力學方面，連續模型是微觀跟馳模型動力學特性在宏觀層面的集聚，因而兩者之間可以相互轉換。交通流模型間的聯系如下圖所示。

1.4 本書介紹

① 三相交通流模型將基本圖劃分為三個不同狀態，有別于傳統基本圖模型
② 跟馳模型可以通過積分變換或平衡態求解獲得相應的基本圖模型
③ 跟馳模型可以拓展為MOBIL換道模型，使跟馳與換道在模型上獲得統一
④ 跟馳模型與宏觀連續模型之間可通過坐標系變換實現相互轉換
⑤ 交通流車頭時距的統計分布特征是間隙接受模型的關鍵構成部分
⑥ 元胞傳輸模型本質上是宏觀連續模型的時空離散化表達
⑦ LWR末假設交通流始終處于平衡態，模型的解滿足基本圖關系
⑧ 高階連續模型能夠描述交通流時走時停等非平衡態特征
⑨ 交叉口主路優先控制條件下次要道路車輛延誤的分析方法
⑩ 三相交通流模型的基本圖包含交通流非平衡態特征

總結

以上是生活随笔為你收集整理的交通流理论 第一章 绪论的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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