GPS数据驱动的车辆跟驰行为建模与分析

为研究道路交通流特性,基于车载高精度GPS跟驰试验数据进行车辆跟驰建模研究,结合深度学习理论和数据驱动方法,构建了基于粒子群优化(particle swarm optimization, PSO)的长短期记忆(long short term memory, LSTM)车辆跟驰模型。首先,清洗和平滑车辆轨迹数据,并对驾驶特征行为参数及相关关系进行研究,如加速度、车头时距以及速度与跟驰距离特性关系等。在此基础上,制定跟驰状态筛选规则;其次,构建考虑时间序列的PSO-LSTM模型,识别跟驰数据样本集,将当前时刻的前车速度、车头间距和上一时刻的车头时距作为模型输入,预测当前时刻的跟驰车速度;接着,选用25辆车跟驰试验的高精度GPS数据验证PSO-LSTM模型性能;最后,为验证该模型的优越性,选用传统机器学习SVR(support vector regression)模型以及深度学习LSTM模型作为对比。结果表明,基于粒子群优化的长短期记忆模型预测精度高达0.993,整体预测效果高于SVR模型和LSTM模型,其中预测误差指标MAPE(mean absolute percentage error)较SVR和LSTM分别降低了60.02%、1.52%。PSO算法进行超参数优化后的PSO-LSTM模型,能更好地模拟车辆的跟驰行为。     

基于自然驾驶数据的分心状态特征分析与跟驰行为建模

基于行为特征对分心跟驰行为进行分类和建模,根据模型标定的方法探究不同状态下跟驰模型的适应性。首先从持续开展3年有余的上海自然驾驶数据中提取了大量分心跟驰样本,基于驾驶行为刺激反应框架对分心状态特征进行了初步分类,得到了5类分心跟驰行为;其次分析了现有4类经典跟驰模型（GHR、GIPPS、IDM和Wiedemann）对分心跟驰行为的适应性,同时根据五折交叉验证适应性结果对分心跟驰行为分类进一步优化,最终得到3类分心跟驰行为（麻木反应、过激反应和延迟反应）;最后探讨了分心状态下的2种跟驰行为建模策略（AIDM和TDIDM）。结果表明,对IDM模型进行合理标定即可较准确地描述不同类型的分心跟驰行为。     

快速路入口区域车辆跟驰行为研究

快速路入口区域车辆跟驰行为及安全间距会受到汇入车辆影响。为了探索快速路入口区域车辆的跟驰行为,利用无人机在200m高空对快速路入口区域进行高空悬停定点拍摄,并利用Tracker软件提取了车辆速度、车辆横纵坐标、加速度等参数。采用跟驰距离、相对跟驰速度绝对值及跟驰片段长度指标对快速路入口区域车辆的跟驰行为进行判断,确定了快速路入口区域跟驰行为判定准则。在此基础上,对交通流变化、车道分布、入口形式对跟驰行为的影响进行对比分析。研究发现：快速路入口区域车辆跟驰距离均值为26m,车辆跟驰距离集中分布在15~28m;相对跟驰速度绝对值均值为0.75m/s,且90%车辆相对速度绝对值小于1m/s;车辆跟驰距离和后车跟驰速度随交通流增加逐渐减小;快速路最内侧车道车辆跟驰距离和跟驰速度大于中间车道;直接式入口的主线车辆跟驰距离和跟驰速度大于平行式入口。本文研究成果可为快速路入口区域跟驰行为参数标定及管控提供参考依据。     

基于跟驰行为谱的跟驰风险状态预测

跟驰风险状态反映车辆跟驰行驶过程中的危险程度。为了实时预测跟驰风险状态,基于跟驰行为谱,提取碰撞时间倒数、横向摆动系数、速度不稳定系数3种跟驰风险状态指标,并确定状态划分阈值。采用精确决策树、提升树、线性回归拟合、支持向量机、K-近邻、集成树6种机器学习预测模型进行跟驰风险状态预测,选取准确率、四级风险状态召回率、平均召回率对模型预测效果进行评价,对不同预测时长和不同特征指标序列时长下的预测效果进行对比。基于驾驶模拟器采集的不同道路类型和交通状态组合下6种典型跟驰场景驾驶行为数据进行分析,结果表明,精确决策树预测跟驰风险状态效果最佳;拥挤交通流下支路跟驰的预测效果显著好于其他场景,其他5种场景下的预测效果无显著差异;通过增加特征指标序列时长,可缓解预测效果因预测时长增大而变差的问题。可为车辆主动安全预警与防控提供技术支撑。     

改进分子动力学的车辆跟驰模型

为了更好地研究复杂情况下的车辆跟驰特性,将车辆跟驰行为类比为分子在一维管道中相互作用的结果.已有的基于分子动力学的车辆跟驰模型利用需求安全间距和车道限速作为因素建立分子跟驰模型,忽略了车辆相对速度对驾驶员跟驰行为的影响,不符合真实的跟驰情况.因此,将车辆相对速度纳入模型结构中,建立分子相互作用势函数和壁面势函数,并据此构建改进分子动力学的车辆跟驰模型.用高精度车载定位仪器对车辆跟驰过程中的参数进行采集,利用遗传算法对模型参数进行标定并对模型进行分析,分别验证模型在不同跟驰状态下的准确性,并与改进前的分子跟驰模型进行对比.结果表明,改进的分子跟驰模型可以更有效地预测车辆的跟驰行为.     

微观车辆仿真模型分类对比研究

车辆跟驰模型是微观交通流仿真的一个基本模型，它是构成许多重要研究领域的基石．把车辆跟驰模型分为基于交通工程的跟驰模型和基于交通心理学的跟驰模型以及基于二结合观点的跟驰模型．从交通工程、交通心理学及二相结合的角度对几个常见的车辆跟驰模型进行了比较研究，介绍了各车辆跟驰模型的建模原理以及它们各自的特点，重点阐述了它们在微观交通模拟中的应用．     

基于产生式规则系统的车辆跟驰模型

车辆跟驰模型是微观交通仿真的核心.随着微观交通仿真应用的不断发展,需要对更多的交通场景进行建模,而现有的车辆跟驰模型在扩展性上已掣肘.提出基于产生式规则系统的车辆跟驰模型,并对其进行了仿真.仿真结果表明,用产生式规则系统模拟驾驶行为是可行的,通过模糊规则和普通规则的共同作用,能方便地进行扩展.     

基于超距雷达数据的车辆跟驰行为分析及建模

针对高速公路车辆跟驰特性及速度预测问题,基于超距雷达数据分析了高速公路车辆跟驰特性,建立起基于长短期记忆（long short term memory,LSTM）的跟驰速度预测模型。首先,根据数据特点建立了处理规则并筛选跟驰序列。其次,根据车身长度将跟驰车划为大型车与小型车,分析了车辆在跟驰过程中速度、车速差、车间距和车头时距等参数的分布及相对变化关系。然后,将前车速度、位置差、上一时刻车头时距作为模型输入,跟驰车速度作为模型输出,构建了基于LSTM的跟驰速度预测模型,模型预测精度达到99.75%。最后,以高速公路数据为例进行验证,传统机器学习支持向量回归（support vector regression,SVR）模型的预测性能低于深度学习模型,LSTM模型的R Square较SVR模型提升了4.37%;作为LSTM的结构简化变体,在相同的结构参数下,门控循环单元（gated recurrent unit,GRU）模型的预测性能并未提升,但训练速度较LSTM模型提高了28.48%。深度学习LSTM、GRU模型能够更精准地预测高速公路的车辆跟驰速度。     

对车辆跟驰模型的探讨

针对普遍存在的车辆跟驰问题,简述了车辆跟驰理论及其已有的一些模型,在此基础上对修正的跟驰模型提出自己的观点。     

基于高逼真驾驶模拟器雾霾天气下跟驰行为分析

为研究雾霾天气下车辆跟驰行为,基于8自由度高逼真驾驶模拟器,设置晴天和雾霾天两个实验场景,采集不同交通状态下跟驰驾驶行为数据,分析车头时距、车头间距、车头延迟时距、加速度、减速度等跟驰行为关键变量.实验结果表明,雾霾天气显著影响了跟驰行为,最大车头间距在自由流、拥挤流和阻塞流跟驰状态下分别增加了8.7%、19.4%和25.6%;自由流跟驰状态下最小车头间距减小了13.0%;阻塞流跟驰状态下最小车头时距减小了47.9%,但延迟时距及其离散性增加了15.5%和28.2%;雾霾天气下后车的加速行为更为谨慎.不同交通状态下的跟驰行为存在显著差异.随着跟驰车速增加,最大、最小车头间距及其离散性显著增加;最大、最小车头时距及其离散性则呈先增加后减小趋势,延迟时距显著增加.     

信号交叉口左转车辆跟驰行为建模

跟驰模型是交通流理论的核心内容之一,但左转车辆在交叉口转弯过程中跟驰行为的特征表现,尚缺少基于实际数据的深入研究。针对这个问题,设计了信号交叉口左转车辆跟驰实验,基于高精度全球定位系统(global positioning system,GPS)和移动地理信息系统采集车辆跟驰行为相关数据,分析了信号交叉口不同转弯半径下左转车辆跟驰速度时变规律及分布本征。在全速度差(full velocity difference,FVD)跟驰模型的基础上,考虑跟驰车驾驶员对前导车加、减速反应的非对称性,构建了改进的全速度差模型,并采用遗传算法对模型进行了参数标定。最后,以跟驰车加速度为检验指标,利用实测数据对改进的全速度差模型加、减速度过程的准确性进行了分析与评价。结果表明:信号交叉口左转跟驰车辆的平均运行速度与转弯半径成正相关;在不同转弯半径下跟驰车速度出现频数最高的数值随着转弯半径的增大而增大;改进的全速度差模型,能更好地描述交叉口左转车辆跟驰过程,驾驶员对前导车减速行为的反应比对加速行为的更强烈。     

混合交通环境下降雨对车辆跟驰行为的影响分析与模型构建

针对混合交通环境下车辆跟驰分析时缺少对降雨环境考虑的问题,通过研究驾驶人在降雨环境下驾驶行为的改变,构建在不同降雨强度下适用的跟驰模型。首先,通过Python程序从云控平台数据库中提取车辆跟驰数据和降雨强度数据,分析了车辆在不同降雨强度和交通流状态下的跟驰速度、加速度和车头间距等变化特征以及其相互作用关系,进一步探索了降雨与正常天气下车辆跟驰行为的差异。其次,从优化速度跟驰模型出发,使用加速度衡量跟驰行为特性,综合考虑降雨对前后车相对距离和相对速度的影响,提出了适用于不同降雨强度下的安全间距和驾驶人期望速度确定方法,构建了不同降雨强度下的跟驰模型,并采用遗传算法对新模型进行了参数标定。最后,通过交叉验证方法对标定结果进行了评估,计算了模型输出值与实际值之间的误差。研究结果表明：降雨环境下车辆速度和加速度随着降雨强度的增加有不同幅度的降低,但是车辆加速度变化程度比车辆速度变化程度明显,这说明加速度对于降雨反应更加灵敏;降雨环境下,车头间距受前车速度影响,进而控制后车跟驰速度,不同降雨强度和不同前车速度区间都影响车头间距大小,后车跟驰速度随着车头间距的增大而增大;模型计算结果与实测值的均方...     

基于TSK的车辆跟驰模型

为解决基于模糊推理的车辆跟驰模型在参数校准方面存在的问题,提出了基于TSK模型的车辆跟驰模型。对TSK模型在现实驾驶行为中的意义进行了分析,解释了子系统的工作点和线性方程的物理意义,为TSK模型在车辆跟驰中的深入应用奠定了基础。采用改进的基于遗传算法的TSK模型辨识方法,对分组中数据点不足的情况作了特别处理,通过GPS采集跑车实验数据,从实测数据构建并验证TSK模型。实验结果和理论分析吻合较好,表明TSK模型用于车辆跟驰模型的可行性。     

路段多车型混合车流通行能力

利用概率论方法,通过对由多种车型构成的混合车流不同跟驰序列,不同组合概率的研究,得到了跟驰车头时距路段多车型混合车流通行能力模型.基于经典车头间距模型,通过对混合车流不同跟驰序列下最小车头间距的研究,得到了多车型混合车流的组合车头间距,进而得到了跟驰车头间距路段多车型混合车流通行能力模型.推广了由大、小2种车型构成的混合车流的通行能力模型.研究表明,路段多车型混合车流通行能力不仅与反应时间、车辆速度、车辆长度、制动性能等有关,还与混合车流的车辆组成状况及跟驰序列相关.最后实例分析了不同小型车混入率情况下路段通行能力的变化状况.     

车辆跟驰问题的建模及其求解

针对普遍存在的车辆跟驰问题，根据交通动力学中的跟驰理论，将理论方法与实践经验相结合，提出了滞后时间与跟驰状态有关的非线性跟驰模型．从工程实用性出发，给出了模型的近似解析解和基于跟驰平衡状态下车速与车距关系的迭代数值解．仿真结果表明，利用该模型和算法能获得现实结果．     

冰雪路面城市快速路跟驰模型研究

针对冰雪路面城市快速路的跟驰模型进行了研究。首先对两种常见的冰雪路面进行了交通调查。根据调查结果对不同冰雪路面城市快速路交通流的自由流速度、平均速度、速度分布,相邻跟驰车辆的车头时距、车头时距与相对速度的相互关系等微观特性进行统计分析,定量地研究不同冰雪路面形态对城市快速路跟驰行为的影响。其次,对不同类型的优化速度函数特征进行对比分析,依据Greenshields速度-密度关系建立期望车速模型,依据车辆不同跟驰状态建立冰雪路面最小安全距离模型,并由此构建冰雪路面优化速度模型。基于现有跟驰理论研究成果,以线性跟驰模型建模思想对全速度差模型进行改造,结合冰雪路面优化速度模型构建适用于冰雪路面的新跟驰模型。最后,利用实测数据对模型参数进行标定,并通过设计实验分析模型的稳定性、加速度非对称性。同时,利用调查数据对新模型和全速度差模型进行模拟分析,结果证明该模型更贴近冰雪路面城市快速路实际交通流,可以为冰雪路面下交通管理措施的制定提供理论支持。     

考虑前后车速度关系的车辆跟驰模型

分析了传统车辆跟驰模型的局限性,建立了考虑前后车速度关系的车辆跟驰模型：前后车以相同速度匀速行驶时的跟驰模型;前后车以不同速度匀速行驶,后车速度小于前车速度时的跟驰模型;前后车以不同速度匀速行驶,后车速度大于前车速度,当前车速度不变时的跟驰模型和前车减速时的跟驰模型．以四种跟驰模型为基础,分别建立了相应的速度一间距关系和车辆追尾模型．追尾模型表明：最小车头距离是后车速度的二次函数,随后车速度急剧缩小;当实际车头距离小于该值时,则会发生追尾事件．     

基于TSK模型的车辆跟驰模型

为解决传统的基于模糊推理的车辆跟驰模型参数校准精度差的问题,提出了基于TSK模型的车辆跟驰模型.采用改进的基于遗传算法的TSK模型辨识方法,对分组中数据点不足的情况作了特别处理,通过GPS采集跑车实验数据,根据实测数据构建并验证TSK模型.实验结果和理论分析吻合较好,模型精度提高了一个数量级,表明TSK模型用于车辆跟驰模型是可行的.     

交通流多前车位置与相对运动的跟驰模型及稳定性分析

车辆跟驰模型是交通流模型研究的基本模型之一,本论文旨在综合认真分析国内外已有的跟驰模型,建立以车车、车路通信为基础的车路协调系统(VIIS,Vehicle Infrastructure Integration System)下的车辆跟驰模型。该模型是在多前车位置模型的基础上进行扩展,提出了一种多前车位置及当前车相对运动的跟驰模型,以期更加客观的描述实际的交通现象,进行线性稳定性分析,并与FVD模型和合作跟驰模型进行比较,发现自由流稳定的敏感系数临界值变小,稳定区域明显增加。     

改进Newell跟驰模型与实证研究

为了克服Newell跟驰模型单一考虑跟驰车与前导车之间的车间距进行速度优化描述车辆跟驰行为的不足,在同时考虑车间距和速度差对车辆跟驰行为影响的基础上,提出了一种改进Newell跟驰模型。通过对模型进行稳定性分析,得到了模型的稳定性条件。并通过在西安市二环南路西段实地拍摄视频采集得到的数据,对模型的参数进行了标定;最后分别采用上述模型对未来交通流趋势进行仿真预测,通过预测结果与实测数据的对比分析,证实了改进Newell模型的有效性。