本书分为上篇、下篇和附录。上篇为道路交通流理论，包括道路交通流特性、元胞自动机模型、车辆跟驰模型、宏观连续模型、多车道交通流模型、行人流理论及模型、交叉交通流理论、道路交通流的理论发展与展望等章节。下篇为网络交通流理论，包括交通网络系统、交通网络平衡理论基础、动态网络交通流模型、基于 day-to-day 的交通网络平衡模型、公交网络流量平衡分析、多方式交通网络平衡流量模型、基于流量均衡的交通系统优化模型、网络交通流理论发展与展望等章节。附录包括轨道交通车流组织优化、水运交通流、航空网络设计与优化和城市交通流理论与方法面临的挑战。
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丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 交通流理论的发展简史 2
1.1.1 道路交通流理论的发展 2
1.1.2 网络交通流理论的发展 4
1.2 现代交通流理论研究内容 6
1.3 现代交通流理论研究的分类 10
参考文献 11
上篇 道路交通流理论
第2章 道路交通流特性 17
2.1 概述 17
2.2 交通数据采集 17
2.2.1 车辆行驶轨迹数据 17
2.2.2 道路断面数据 19
2.3 交通流基本参数 20
2.3.1 交通流量 20
2.3.2 密度和占有率 21
2.3.3 速度 22
2.4 流量-密度实测特性 22
2.5 基本图 24
2.5.1 均匀、稳定与平衡态交通流 24
2.5.2 基本图的概念 24
2.5.3 基本图的影响因素 25
2.5.4 常用的基本图模型 25
2.6 交通流演化特性 29
2.6.1 交通突变现象与道路通行能力 29
2.6.2 交通拥挤与幽灵堵塞 32
2.6.3 交通振荡的凹增长模式 33
2.7 三相交通流理论 35
2.7.1 交通流的三相划分 35
2.7.2 三相交通流理论的基本假设 37
2.7.3 驾驶行为与相变机理 38
2.7.4 三相交通流理论的争议 40
复习思考题 46
参考文献 47
第3章 元胞自动机模型 50
3.1 概述 50
3.2 元胞自动机定义、构成和特征 50
3.2.1 元胞自动机的物理定义 50
3.2.2 元胞自动机的构成 51
3.2.3 元胞自动机的特征 53
3.3 单车道元胞自动机模型 54
3.3.1 184 号规则 54
3.3.2 NaSch 模型 55
3.3.3 慢启动规则模型 59
3.3.4 速度效应模型 61
3.3.5 KKW 模型 62
3.3.6 刹车灯模型 65
3.3.7 两态模型 69
3.3.8 有限减速能力模型 71
3.4 城市路网交通流中的元胞自动机模型 74
3.4.1 BML 模型 74
3.4.2 NaSch 和 BML 的耦合模型 77
3.5 小结 78
复习思考题 78
参考文献 79
第4章 车辆跟驰模型 81
4.1 概述 81
4.2 经典车辆跟驰模型 82
4.2.1 车辆跟驰模型的分类 83
4.2.2 刺激-反应模型 83
4.2.3 安全距离模型 91
4.2.4 心理-生理学模型 92
4.2.5 优化速度模型 94
4.2.6 智能驾驶模型 95
4.3 交通流的稳定性 96
4.3.1 局部稳定性 96
4.3.2 渐近稳定性 99
4.4 随机性车辆跟驰模型 103
4.4.1 二维智能驾驶模型 104
4.4.2 随机速度适应模型 105
4.5 基于人工智能方法的车辆跟驰模型 107
4.6 车辆跟驰模型的应用 109
复习思考题 111
参考文献 111
第5章 宏观连续模型 116
5.1 概述 116
5.2 LWR 模型 117
5.2.1 LWR 模型方程 117
5.2.2 运动波速 118
5.2.3 交通激波 119
5.2.4 交通稀疏波 120
5.2.5 基本图对间断演化的影响 121
5.2.6 数值计算格式 123
5.3 元胞传输模型 124
5.3.1 路段模型 124
5.3.2 道路合流 126
5.3.3 道路分流 127
5.3.4 元胞传输模型的改进 128
5.4 高阶连续模型 131
5.4.1 密度梯度模型 131
5.4.2 平衡流量-密度关系与拐点 133
5.4.3 Daganzo 的批判 135
5.4.4 速度梯度模型 137
5.4.5 高阶模型的离散化格式 140
5.5 考虑随机性的宏观模型 141
复习思考题 142
参考文献 143
第6章 多车道交通流模型 146
6.1 概述 146
6.2 换道行为 147
6.2.1 换道意图的产生 147
6.2.2 选择车道和实施换道 150
6.2.3 换道行为的过程描述 151
6.3 换道模型 153
6.3.1 基于规则的换道模型 153
6.3.2 基于效用理论的换道决策模型 155
6.3.3 换道执行模型 158
6.3.4 数据驱动的换道模型 158
6.4 基于元胞自动机的多车道模型 159
6.4.1 双车道 CA 模型 160
6.4.2 多车道 CA 模型 167
6.4.3 双向交通的 CA 模型 168
6.5 基于车辆跟驰的多车道模型 172
6.5.1 多车道优化速度模型 173
6.5.2 数据驱动的多车道跟驰模型 175
6.6 多车道宏观交通流模型 177
6.6.1 多车道 LWR 模型 178
6.6.2 多车道高阶连续模型 184
6.6.3 多车种 LWR 模型 189
6.6.4 多车种高阶模型 191
复习思考题 193
参考文献 193
第7章 行人流理论及模型 198
7.1 概述 198
7.2 行人流动力学特性 200
7.2.1 行人流宏微观特性 200
7.2.2 行人动力学参数 200
7.2.3 行人轨迹研究 202
7.2.4 行人自组织现象 204
7.3 经典行人流模型 209
7.3.1 行人流模型分类 209
7.3.2 元胞自动机模型 209
7.3.3 社会力模型 211
7.3.4 启发式模型 215
7.3.5 行人流模型仿真结果 218
复习思考题 220
参考文献 220
第8章 交叉口交通流理论 224
8.1 概述 224
8.2 无信号交叉口交通流理论 224
8.2.1 可插车间隙理论 225
8.2.2 车头时距分布理论 225
8.2.3 二路停车控制交叉口 229
8.2.4 四路停车控制交叉口 236
8.2.5 无信号交叉口通行能力估计经验模型 238
8.3 信号交叉口交通流理论 239
8.3.1 信号交叉口交通特性 239
8.3.2 稳态延误模型 244
8.3.3 时间依赖延误模型 248
8.3.4 上游交叉口影响 254
8.3.5 感应控制和自适应信号控制 257
复习思考题 266
参考文献 266
第9章 道路交通流的理论发展与展望 269
9.1 自动互联车 269
9.1.1 自动互联车交通流研究简介 269
9.1.2 自动互联车交通流建模 269
9.1.3 自动互联车交通流研究进展 272
9.2 宏观基本图理论 282
9.2.1 宏观基本图的提出及存在性研究 282
9.2.2 宏观基本图的基本概念 284
9.2.3 宏观基本图的基本性质 286
9.2.4 宏观基本图的影响因素 289
9.2.5 宏观基本图理论的应用 292
9.2.6 宏观基本图理论的发展 295
复习思考题 296
参考文献 296
下篇 网络交通流理论
第10章 交通网络系统 311
10.1 概述 311
10.2 交通系统分析方法 312
10.3 交通网络 314
10.4 交通网络特性 317
10.4.1 OD 量 317
10.4.2 流量守恒 322
10.4.3 路段通行能力 323
10.5 路段费用函数 324
10.6 最短路径搜索算法 328
复习思考题 333
参考文献 333
第11章 交通网络平衡理论基础 334
11.1 概述 334
11.2 Wardrop 平衡准则 335
11.3 Beckmann 模型 337
11.4 Beckmann 模型的求解算法 342
11.5 系统最优模型 346
11.6 Beckmann 模型的扩展 348
11.7 交通平衡问题的变分不等式模型 352
11.8 随机用户平衡配流模型 354
复习思考题 357
参考文献 358
第12章 动态网络交通流模型 359
12.1 概述 359
12.2 基于用户最优的动态路径选择 360
12.2.1 变量及符号定义 360
12.2.2 动态用户最优条件 361
12.2.3 动态用户最优路径选择模型 362
12.2.4 基于点排队模型的动态网络加载算法 363
12.2.5 基于外梯度投影的求解算法 365
12.2.6 算例 367
12.3 动态系统最优路径选择问题 368
12.3.1 变量及符号定义 369
12.3.2 基本可行解集 370
12.3.3 无车辆滞留约束 372
12.3.4 数学规划模型 373
12.3.5 算例 376
复习思考题 378
参考文献 378
第13章 基于 day-to-day 的交通网络平衡模型 382
13.1 概述 382
13.2 day-to-day 交通网络模型 383
13.2.1 符号说明和模型假设 383
13.2.2 基于路径的交通分配演化模型 384
13.2.3 基于路段的交通分配演化模型 387
13.3 双动态交通网络模型 389
13.3.1 问题描述和标记假设 389
13.3.2 基于用户均衡的双动态交通网络模型及其性质 391
13.3.3 基于有限理性的双动态网络模型及其性质 401
复习思考题 408
参考文献 409
第14章 公交网络流量平衡分析 411
14.1 概述 411
14.2 共线问题 412
14.3 乘客出行选择行为 415
14.3.1 基于策略的乘客选择行为分析 416
14.3.2 基于吸引路径集的乘客选择行为分析 419
14.3.3 基于扩展网络的乘客选择行为分析 421
14.4 公交网络平衡配流模型 428
14.4.1 确定型公交配流模型 428
14.4.2 随机公交网络平衡模型 433
14.4.3 基于时刻表的公交网络平衡模型 436
复习思考题 440
参考文献 441
第15章 多方式交通网络平衡流量模型 444
15.1 概述 444
15.2 影响方式选择的主要因素 446
15.3 交通方式选择模型 447
15.3.1 Logit 模型 449
15.3.2 Probit 模型 450
15.4 多方式交通超网络 452
15.4.1 超网络的概念 452
15.4.2 多方式交通超网络构建 452
15.4.3 交通超网络的数学描述 458
15.5 超路径的概念 458
15.6 最短超路径算法 462
15.7 有效超路径算法 464
15.8 多方式交通超网络平衡配流模型 468
15.8.1 出行广义费用 469
15.8.2 随机用户平衡模型及求解算法 471
15.8.3 算例分析 472
复习思考题 476
参考文献 476
第16章 基于流量均衡的交通系统优化模型 479
16.1 概述 479
16.2 双层规划模型 480
16.3 交通网络设计问题 483
16.3.1 下层网络流量均衡模型 484
16.3.2 上层规划模型 486
16.4 道路拥挤收费问题 489
16.4.1 固定需求下的道路网络拥挤收费 491
16.4.2 次优道路网络拥挤收费 492
16.4.3 基于警戒线的道路网络拥挤收费 494
16.4.4 动态道路拥挤收费 496
复习思考题 497
参考文献 497
第17章 网络交通流理论发展与展望 501
17.1 静态网络交通流理论 501
17.2 动态网络交通流量理论 503
17.3 基于 day-to-day 的交通网络平衡模型 505
17.4 公交网络平衡流量建模 506
17.5 基于网络交通流的交通系统优化 508
参考文献 510
附录 A 轨道交通车流组织优化 524
A.1 概述 524
A.1.1 轨道交通发展现状 524
A.1.2 轨道交通流组织及优化 527
A.1.3 小结 530
A.2 城市轨道交通列车运行图 530
A.2.1 城轨列车运行图编制的总体结构 531
A.2.2 城市轨道交通运行图要素 532
A.2.3 城市轨道交通列车运行图优化方法 539
A.2.4 小结 553
A.3 城市轨道交通列车节能优化 553
A.3.1 列车速度曲线节能优化 554
A.3.2 列车运行图节能优化 560
A.3.3 小结 572
复习思考题 572
参考文献 572
附录 B 水运交通流 577
B.1 概述 577
B.1.1 水运交通流基本图 578
B.1.2 水运交通流影响因素 581
B.1.3 水运交通流的信息技术 583
B.1.4 水运交通流特征分析 584
B.2 水运交通流建模方法 586
B.2.1 蒙特卡罗建模方法 586
B.2.2 元胞自动机建模方法 589
B.2.3 智能体建模方法 591
B.2.4 建模方法比较 594
B.3 水运交通流模型的应用 594
B.3.1 航行安全评估 595
B.3.2 航道通过能力估计 597
B.3.3 港口运营管理 599
复习思考题 601
参考文献 601
附录 C 航空网络设计与优化 607
C.1 概述 607
C.2 航线网络结构 607
C.2.1 城市对航线网络 608
C.2.2 轴辐式航线网络 609
C.2.3 航线网络结构分析与比较 609
C.2.4 轴辐式航线网络的枢纽选址问题 610
C.3 航线网络规划 613
C.3.1 连接网络模型 614
C.3.2 时空网络模型 616
C.3.3 航线网络规划模型分析与比较 618
C.3.4 模型拓展 618
C.4 空域规划 622
C.4.1 各国空域分类方案及比较 622
C.4.2 扇区设计 624
C.5 空中交通流量管理 625
C.5.1 考虑机场容量分配模型 625
C.5.2 考虑扇区容量分配模型 627
复习思考题 630
参考文献 631
附录 D 未来城市交通流理论与方法面临的挑战 634
D.1 概述 634
D.2 未来城市交通的特征 634
D.2.1 万物互联、多元化、多维度的全息交通感知 634
D.2.2 智能化、电动化、绿色化的交通工具 635
D.2.3 定制化、个性化、多样化的交通出行 635
D.2.4 多方式、无缝化、立体化的交通切换 635
D.2.5 数字化、精准化、智能化的交通治理 635
D.3 现代城市交通流理论与方法面临的挑战 636
D.3.1 城镇化进程导致城市交通供需失衡愈发显著 636
D.3.2 新一轮科技革命所引发的交通新业态与新模式为城市交通管理带来全新挑战 637
D.3.3 不断涌现的新特征使得大规模、网络化城市交通系统的建模与求解极其复杂 637
D.3.4 复杂不确定场景下的城市交通系统的韧性运行与应急保障能力面临巨大挑战 638
《交通与数据科学丛书》书目 639
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