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基于分子动力学的车辆运行安全特性研究

作　者: 陈秀锋
导　师: 许洪国
学　校: 吉林大学
专　业: 交通环境与安全技术
关键词: 交通流理论跟驰特性分子动力学需求距离换道临界距离安全间距稳定性分析
分类号: U491.25
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

跟驰和换道行为是影响车辆运行安全性的重要因素，也是目前驾驶行为和车辆主动安全领域的研究热点。通过车辆跟驰与换道行为建模，分析车辆运行安全特性，构建车辆运行安全预警系统，并应用于道路系统安全评估与预测，对解决自动驾驶行车安全和跟驰效率、提高道路交通安全都具有重要的理论价值和现实意义。本文依托国家自然科学基金项目“车辆道路协同安全状态演进”和“车辆跟驰的分子动力学解析及其模型研究”课题，应用分子动力学系统分析车辆的跟驰特性，建立基于需求安全距离的跟驰模型；对车辆运行过程中的跟驰-换道行为进行分析建模，界定了跟驰-换道安全区域；最后对车流运行安全进行了稳定性分析。本文研究工作包括以下几个部分：1.驾驶行为特性和车辆的跟驰特性分析。从分子动力学的角度，系统阐述了车辆跟驰的“低温”可“压缩”性和“高温”可“膨胀”性两种自然状态；提出了跟驰需求安全距离，从车队行进过程中车辆前向需求安全距离，侧向需求安全距离和要求安全距离三个方面分析车辆跟驰的需求安全特性，引入距离需求饱和系数对动静态需求安全距离进行定量建模与分析。2.建立基于需求安全距离的分子动力学跟驰模型。应用分子动力学对车辆跟驰特性进行研究，探索构建车辆跟驰的需求安全距离及其应用模型；基于刺激-反应模型，引入距离差项、速度差项和预测项建立多刺激分子跟驰模型，赋予驾驶员反应权重，运用数学演绎方法，推导出驾驶员对各种刺激反应同向性的状态方程。从纵向间距和速度两个方面分析了侧向需求安全距离对车辆跟驰行为的影响作用，构建侧向需求安全距离模型。3.车辆跟驰-换道的运行安全特性研究。基于车辆换道的动力学特性分析，根据换道过程中避免碰撞的条件，建立具体换道场景中的临界安全距离定量模型；在对应用模型进行仿真分析的基础上，界定了安全区域和非安全区域；仿真分析表明，通过在换道前调整速度和纵向间距，车辆可以减小换道过程中碰撞的可能性，研究成果可为自动换道辅助系统提供理论基础。4.车流运行安全稳定性分析。基于分子动力学理论，以平衡状态的车队为研究对象，采用微扰法从微观和宏观两方面对交通流进行稳定性分析。建立了基于需求安全距离的微扰跟驰模型；应用Matlab对微扰法研究结果进行数值仿真分析，得出了影响交通流稳定性和运行安全的因素，将为提高道路通行能力和交通运行安全提供理论依据。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-23
  1.1 研究背景及意义  11-13
    1.1.1 研究背景  11-12
    1.1.2 研究目的和意义  12-13
  1.2 课题来源  13-14
  1.3 国内外研究现状  14-21
    1.3.1 国外研究现状  14-18
    1.3.2 国内研究现状  18-21
  1.4 研究思路及内容  21-23
    1.4.1 研究思路  21
    1.4.2 研究内容  21-23
第2章车辆跟驰的分子动力学特性  23-37
  2.1 驾驶员特性分析  23-25
    2.1.1 驾驶行为特性  23-24
    2.1.2 视觉特性  24-25
  2.2 车辆跟驰特性  25-27
    2.2.1 制约性  25-26
    2.2.2 延迟性  26
    2.2.3 传递性  26-27
  2.3 分子跟驰特性  27-29
    2.3.1 分子力学原理  27-28
    2.3.2 车辆跟驰的分子动力学解析  28-29
  2.4 需求安全距离  29-36
    2.4.1 静态需求安全距离  31-34
    2.4.2 动态需求安全距离  34-36
  2.5 本章小结  36-37
第3章基于需求安全距离的分子跟驰模型  37-63
  3.1 建模思想  37
  3.2 分子跟驰模型的建立  37-48
    3.2.1 前导车减速分子跟驰模型  37-41
    3.2.2 前导车加速分子跟驰模型  41-42
    3.2.3 跟驰模型状态方程的一般表达式  42-48
  3.3 侧向需求安全距离跟驰模型  48-54
    3.3.1 侧向干扰分析  48-51
    3.3.2 侧向需求安全距离  51-52
    3.3.3 模型建立  52-54
  3.4 实验验证与分析  54-61
    3.4.1 分子跟驰模型验证分析  54-56
    3.4.2 需求安全距离仿真  56-61
  3.5 本章小结  61-63
第4章跟驰‐换道运行安全特性  63-73
  4.1 跟驰-换道行为描述  63
  4.2 跟驰-换道安全分析  63-66
    4.2.1 换道过程运动学分析  63-64
    4.2.2 换道安全分析  64-66
  4.3 数值仿真实验  66-71
    4.3.1 纵向匀速换道  66-68
    4.3.2 纵向加速换道  68-71
  4.4 本章小结  71-73
第5章车流运行安全稳定性分析  73-87
  5.1 微扰稳定性原理  73-75
    5.1.1 李亚普诺夫函数  73-74
    5.1.2 微扰稳定性分析  74-75
  5.2 局部稳定性分析  75-81
    5.2.1 稳态车队运动稳定性分析  76-77
    5.2.2 交通流局部稳定性分析  77-80
    5.2.3 系统仿真分析  80-81
  5.3 渐进稳定性分析  81-86
    5.3.1 理想状态车队稳定性分析  81-83
    5.3.2 渐进稳定性分析  83-85
    5.3.3 系统仿真分析  85-86
  5.4 本章小结  86-87
第6章总结与展望  87-89
  6.1 总结  87-88
  6.2 研究展望  88-89
参考文献  89-99
攻读博士学位期间的科研及论文成果  99-101
致谢  101

基于分子动力学的车辆运行安全特性研究

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