英语原文共 18 页
车辆变道动力学及其对车辆交通效率，安全和环境影响的研究
摘 要
驾驶员经常在路上改变车道来保持所需的速度并避免慢速车辆，行人，障碍物和车道关闭。了解换道对交通的影响是设计最优交通控制系统的重要课题，这篇论文对该主题进行了全面的研究，本文回顾了基于微观动态理论的车辆跟驰模型和换道模型，提出另外的车道变换规则来处理运行瓶颈和车道减少的现象，并研究车辆变道在交通效率、交通安全和燃料消耗方面的影响，车辆变道行为是由前方车道关闭紧急提醒标志的距离、速度限制、交通密度等不同的影响因素作用的一种结果。在不同的情况下已经对交通系统进行了广泛的模拟，报告了关于不同因素对交通的影响的一些重要发现。这些研究结果为交通管理提供了指导，对现代公路或市中心道路的设计师和工程师来说非常重要，可以在最小的环境影响下实现高交通效率和安全性。
1.引言
交通流包括各种参与者之间的强烈交互，例如不同类型的车辆，自行车，行人等。为了实现交通高效运行，已经对交通系统进行了大量的理论研究和仿真研究，微观跟车模型理论在帮助我们理解车辆纵向车道内的行为方面发挥了重要作用[1-4]，然而，诸如车道变换之类的车辆横向行为在过去没有得到足够的关注，但是车辆横向行为对于更好地理解多车道交通中的动态性是重要的。本文综合分析了车道变换对交通效率，安全和环境影响的影响。
在文献[5]中已经开发了几种变道模型。Hidas[6,7]提出了一种ARTEMiS车道变换模型，它考虑了三种驱动模式，即自由模式，协作模式和强制模式，描述了智能代理概念用于车辆交互的建模，在该模型中，对于在拥挤的交通中希望改变车道的主车辆，目标车道后车是否选择礼让由所涉及的驾驶员的特征确定，并且是检查顺序的结果。由Kesting等[8]开发的MOBIL（由车道变换引起的整体最小制动）车道变换模型。引入礼貌因素，使得车道变换过程中驾驶员的互动更加协同。如果主车辆会阻挡其他车辆，并且允许激进的驾驶员超越前方慢车，则该特征允许驾驶员防止车道变换以获得边际优势。Chowdhury等[9]开发了具有快速和慢速车辆混合的双车道交通的粒子跳跃模型，其中考虑了对称和非对称规则。根据非对称模型，如果快速车辆的驾驶员能够预测到这种可能性，则快速车辆能够避免被困在慢速车辆后面，从而提高交通流量。Toledo等[10]提出了基于短期目标和短期计划概念的综合驾驶行为框架。Jia等[11]提出了一种对称的双车道元胞自动机模型，用于研究快速车辆的激进车道变换行为以及不同车道变换概率对交通性能的影响。Naito等[12]研究了当迎面而来的车辆进行车道变换时的安全碰撞过渡，而忽略了与附近车辆的可能碰撞。结果表明，动态过渡很大程度上取决于车头时距、车速、灵敏度和速度差异。Kanaris等[13]计算了车道变换的最小安全间距，以防止车辆执行紧急制动时其他车辆发生碰撞。
在文献中，车道变换的持续时间通常被忽略，并且该过程在大多数模型[8,14-16]中被视为瞬时运动。但是，车道变换持续时间对交通的影响是显著的，不能忽视[17]。Lv及其同事[18]建立了一个微观车道变换过程模型，并考虑了车道变换角度和持续时间，通过控制虚拟车辆，将车道变换过程简化为纵向跟车模型。
道路瓶颈和由此产生的合流现象在多车道交通系统中很常见[19-22]。强制变道通常在合流点附近发生[23]。较大的车辆密度，激进的换道行为[24]和车道减少进一步降低了道路的通行能力[25]。由于诸如车道减少和运行瓶颈之类的道路瓶颈，在车道变换方面的车辆相互作用是复杂的。Kurata等[26]提出了双车道交通模型来研究事故造成的交通拥堵。Zhang等[27]用微观模拟方法分析了车道减少的交通特征，考虑了减速路段中的不对称车道变换规则和瓶颈附近的车道压缩行为。 Lv等[28]分析了城市道路瓶颈之前合流的宏观和微观特征。有人指出，换道可以提高车辆密度低时的交通效率，在高密度下，则会降低交通效率。Jia等[29]调查了车道减少瓶颈上游的交通行为。Kerner等[30]在三相交通理论框架下基于离散随机交通流模型的数值分析研究了运行瓶颈的交通特征。据观察，当上游流量足够大时，在运行瓶颈会自发地发生交通拥堵，且存在一个临界速度。
本文结合现有完善的车道变换模型，模拟道路瓶颈发生时的交通流量，并对不同情况下的交通特征进行综合分析。考虑三种交通绩效指标：运输效率、能源经济和安全。研究了双车道道路上的三种车道变换：(1)自由换道，车辆改变车道超过其他车辆以获得更高的速度。(2)车道的一段关闭时车道减少引起道路瓶颈，车辆必须改变车道才能合流。(3)由于车辆行驶缓慢导致运行瓶颈，车辆改变车道通过慢车道。本文主要关注最后两种车道变换。
世界上越来越多的车辆消耗更多的能量并且更严重地影响环境[31,32]。由于城市地区和公路上的道路瓶颈造成的交通拥堵状况显著恶化，能源消耗和空气污染加剧。因此，我们在本研究中特别关注车辆能耗。
本文首先回顾了微观模型，包括第2节中的纵向和横向运动，第3节对所提出的模型与完善的MOBIL车道变换模型进行了比较，第4节介绍了道路瓶颈影响的数值模拟，在第5节得出结论。
2.模型说明
车辆在单车道纵向行驶，在换车道时横向移动，我们可以采用一种普遍的跟车模型来描述车辆的单车道运动。对于车道变换运动，我们将基于文献中公认的车道变换模型提出一个组合和改进后的模型。
图1 双车道交通场景
2.1单车道模型
半个多世纪以来，研究了描述驾驶员如何跟随前车的跟驰模型[1,2]。 较为普遍的模型包括Gazis-Herman-Rothery（GHR）模型[33]、安全距离或碰撞避免模型、Helly线性模型、心理物理或行动点模型、基于模糊逻辑的模型和最优速度模型[34]。 本文使用最普遍的GHR跟驰模型进行模拟，该模型已经过许多研究人员的验证和校准[1,33,35-38]。
2.2换道模型
本节中描述的车道变换模型基于文献[6-8,14,15,17,18]中已建立的模型，被分配车辆编号n的车辆记为Vehn。在下面的讨论中重点关注车辆Vehn，如图1所示。
2.2.1换道案例
本文考虑了三种车道变换情况。
(1)自由换道
这在多车道交通系统中很常见，其中速度较快的车辆改变车道以超过速度较慢的车辆。
(2)车道减少
车道减少造成的瓶颈由本研究中的道路事故表示，如图2所示。在事故路段只有一条车道可供车辆通过，这导致了瓶颈上游的交通堵塞，通常在事件发生之前放置警告标志以指示车道关闭，警告标志与事故之间的距离S对交通流量的影响是一个值得研究的有趣问题，如果车辆仍然处于距离事故地点durg的上行车道，车辆必须以最大减速度amax制动，以免到达堵塞路段，durg定义为：
其中为车辆的初始期望速度。
(3)运行瓶颈
假设一辆或多辆车以非常低的速度行驶，并且被认为是一个运行瓶颈。与情况2不同，后方车辆由于移动的瓶颈而无法预先识别车道减少。本文重点研究了车道减少和运行瓶颈的问题。
2.2.2激励标准
换道的迫切性由车辆的状态来表示，即“不必要的”、“需要的”和“必要的”。以下与紧急程度相关的激励标准决定车辆驾驶员是否决定换道，优先级按照下面提出的三个原因的顺序降低。
图2 道路意外情况示意图
(1)换道必要性
第一个激励准则仅在车道减少的情况下有效，如图2中第二车道车辆所示。在远离第二车道事故区域的路段和整个第一车道路段，车辆“没有必要”改变车道。如图2所示，在道路事故发生前距离S处设置了一个提示前方事故需减速的警告标志，位于上车道的车辆一旦通过该标志就需要改变车道。此外，当车辆与事发地点保持一定距离且仍在上行车道行驶时，必须换到下行车道。Dnec是车辆在10s内以其正常期望速度行驶的距离[14]。
在这种情况下，车辆往往会降低其期望速度以延长车头时距到达事故地点。
其中xin为事件发生位置。
(2)更高速度需求
当满足以下要求时，车辆Vehn的驾驶员希望改变车道以获得更高的速度。
其中Dupper是距离的上限，Delta;xn(t)和Delta;vn(t)是vehn和前车之间的相对间距和速度，vn,des(0)是初始期望速度，Delta;vdif,min表示最小速度预设值的差异。
2.2.3变道的可行性
车辆Vehn必须在换道前检查可行性，接下来讨论安全标准和对车道变换的潜在拒绝。
安全标准：让Vehk和Vehk 1成为目标车道中的两辆车，如图1所示。车辆Vehn希望移动到Vehk和Vehk 1之间的间隙，为安全起见，必须满足以下不等式，
dn,k gt; dn,min， dn,k 1 gt; dn,min，
其中dn，k和dn，k 1分别是Vehn和Vehk，Vehk 1之间的间隙，dn，min是车辆Vehn的最小可接受间隙。接下来要确定 dn，min。
(1)自由变道和运行瓶颈
在这些情况下，当车辆Vehn的vn(t)低于某一水平时，考虑驾驶员的低速公差，如果满足以下条件则驾驶员被认为是低速行驶：
，
其中为低速系数，可由下式求得：
其中tn，low表示低速公差状态下的持续时间，ttoler是驾驶员能够承受低速的最长时间，tpth表示最佳车头时距，tpth，min是安全所需的最小时间间隔。时间间隔是安全性的指标，其被定义为前车的前部通过道路上某点与后车的前部通过相同点之间经过的时间，daccept是最小可接受间隙，以避免车辆停止时的零距离。
(2)车道减少
当车辆接近车道减少区域时，Vehn的驾驶员将接受更短的间隙。该间隙定义为
碰撞时间（TTC）是另一个安全指标，表示两辆车在没有车道变换的情况下保持当前纵向速度时发生碰撞的时间。为了安全变道，需要最小的碰撞时间Tsafe
其中Tn，k表示Vehn和Vehk之间的TTC，并且Tk 1，n是Vehk 1和Vehn之间的TTC。
竞争拒绝：TTC的阈值Tmax使得当vnge;vk 1且Tk 1，nge;Tmax时，Vehn在没有Vehk 1中断的情况下改变车道，否则，Vehn可能会被拒绝，无法完成换道。另一方面，如果
Vehn和Vehk 1驾驶员的侵略性起着至关重要的作用[24]。设An(t)表示Vehn驾驶员的侵略性，An(0)是驾驶员的初始侵略性值，假设An(t)是均匀分布在区域(0,1)中的随机数，如果Ak 1(t)lt;An(t)，Vehk 1将接受Vehn变道并使其自身适应新的前行车辆Vehn，否则，它会拒绝。 当车辆的状态是“必要的”时，例如在车道减少的情况下，当接近禁行区域时，车道变换的紧迫性和驾驶员的积极性将增加。
2.2.4变道过程
本节将讨论如何模拟车道变换，包括正常性和竞争性车道变换[6,7,18]。
(1)正常变道过程
Lv等[18]的方法介绍了改进研究车辆相互作用影响的方法。如图3所示，在车道变换过程中，在Vehn当前车道创建虚拟车辆Vehn,v1，在Veh<s
资料编号：[5964]</s
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
