绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
汽车工业的发展对交通运输基础设施提出了更大需求。为了改善长期以来交通运输业严重制约经济社会发展的状况，“九五”以来，特别是“十五”和“十一五”期间，我国交通基础设施建设取得举世瞩目的成就，公路通车里程逐年急剧增长。截至 2011 年底，全国已建成运营公路总里程达到 410.64 万公里，其中高速公路营运里程已达 8.49 万公里、农村(县、乡、村)公路通车里程达到 402万公里。
四通八达的全国公路网有力地促进了我国经济发展和社会进步。但同时，公路交通运输带来的交通事故等负面效果也不容无视，已成为社会广泛关注的热点问题。据世界卫生组织(WHO)统计，全球每年有 130 万人死于道路交通事故，约 2000~5000 万人在道路交通事故中受伤，并且这一数量还在不断地增加。如果道路交通安全状况得不到明显改善，到 2030 年，全球每年死于道路交通事故的人数将达到 240 万，交通安全将成为影响世界各国公共安全的前 3因素[1]。相关政府部门通过采取有效的管理措施，较好地预防和减少了交通事故，降低了人身伤害和财产损失。据交通安全管理部门统计，2003 年以来全国道路交通事故起数、死伤人数和直接财产损失呈现下降趋势。例如，2011 年全国共发生道路交通事故 210812 起，造成 62387 人死亡、237421 人受伤，与 2010 同期相比，分别下降了 3.97%、4.35%和 6.55%[2-11]。其中，一次死亡 10 人以上的特大交通事故 27 起，同比减少 7 起，道路交通万车死亡率为 2.8，同比减少 0.4。但只拥有 1.5%机动车辆的中国是世界上发生道路交通事故最多的国家之一，相对于西方发达国家，交通安全形势依然严峻[12]。
据研究结果发现，90%以上的交通事故是由驾驶员直接或间接引发的。驾驶员的心理以及生理存在很大的差异或局限性，造成驾驶行为的许多人误或不确定性，从而引发道路交通事故。驾驶行为的最直接表现是车辆在道路环境下的跟驰和换道行驶过程，从效率和安全角度出发，驾驶员期望尽可能快的到达目的地的同时要避免与其他车辆发上碰撞事故。近年来，高密度交通流状态下，道路交通事故的频发性、群发性已成为被社会日益关注的安全问题。据统计，侧面相撞和尾随相撞事故次数之和约占全部事故总数的 50%，事故死伤人数约占其总数的 40%，直接经济损失约占其全部的 50%。其中车辆跟驰以及换道操作失误已成为造成此两类事故的两个主要原因。
道路交通安全系统是一个由人(驾驶员)、车、路、环境构成的动态闭环复杂系统。驾驶员是整个闭合系统中的主导者，是道路交通系统中信息的接收者和处理者，其驾驶行为特性是道路交通系统安全状态的最根本和最真实体现。目前，道路交通安全研究主要存在两个发展方向，即宏观安全统计分析与微观安全行为分析。宏观安全分析是由对大量个体驾驶行为表现的归纳分析，其安全规律必然与道路安全的微观交通行为关系密切，是单个车辆运行安全特性综合作用的结果，故对微观驾驶行为的建模已成为道路安全研究领域的热点问题。本文从车辆行驶微观行为和宏观交通流运行安全特性两个方面研究车路协同安全特性，为确保道路交通畅通、安全提供理论依据。
1.1.2 研究目的和意义
车辆跟驰行为是一个微观交通控制过程。在这个过程中，跟驰车驾驶员从前导车及周围的交通环境中接受各种刺激，对刺激做出判断，并做出相应的控制反应。本文基于分子动力学，研究在队列行驶过程中车辆受周边车辆及道路环境影响下的跟驰行为，建立基于需求安全距离的分子跟驰模型、换道模型，并进行微观交通安全特性和车流运行安全的稳定性分析，旨在为车辆运行分析技术和道路安全管理提供理论支撑和技术手段。本研究的意义如下：1. 跟驰理论通常是车辆在无法超车的单一车道上，采用动力学分析车辆队列行驶时跟驰车跟随前导车行驶状态的一种理论。本研究运用分子动力学，研究交通流运行车辆间的跟驰特性和需求安全距离，建立需求安全距离跟驰模型。将换道行为与单车道跟驰行为相结合，把单车道车辆跟驰扩展到混合车道跟驰研究领域，并探索分子跟驰理论及其模型体系，不仅完善了单车道跟驰理论，而且将线性跟驰模型又向前推进了一步，弥补了交通流理论在跟驰理论应用中的不足。
第 3 章 基于需求安全距离的分子跟驰模型 ................ 27
3.1 建模思想 .................. 27
3.2 分子跟驰模型的建立 ............... 27
3.3 侧向需求安全距离跟驰模型 .................... 38
3.4 实验验证与分析 ........... 44
3.5 本章小结 ................ 51
第 4 章 跟驰‐换道运行安全特性 ................ 53
4.1 跟驰-换道行为描述 ............... 53
4.2 跟驰-换道安全分析 ........... 53
4.3 数值仿真实验 ............ 56
4.4 本章小结 ............. 61
第 5 章 车流运行安全稳定性分析 .................. 63
5.1 微扰稳定性原理 ................ 63
5.2 局部稳定性分析 ............... 65
5.3 渐进稳定性分析 .................. 71
总结
本论文从微观领域对道路交通安全进行研究，运用分子动力学，从驾驶员驾驶行为、跟驰和换道特性及模型、车流运行安全稳定性等几个方面，研究车辆运行安全特性。本论文所完成的研究工作主要包括以下几个方面：
1. 在系统分析驾驶员行为、视觉和车辆跟驰特性的基础上，引入分子动力学理论，建立了基于需求安全距离的分子跟驰模型。按照车辆运行状态变化，综合考虑距离差项、速度差项和预测项多元刺激，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跟驰状态方程。利用实验和仿真手段验证得出分子跟驰模型更有效性，需求安全距离更符合实际。
2. 深入分析了车辆换道的动力学原理，研究了车辆跟驰-换道运行状态的安全特性。从临界安全距离角度出发，确立了安全换道避免碰撞的条件，界定了安全区域和非安全区域。通过多种情况下的换道安全分析发现换道前调整速度和纵向间距可以减小换道的碰撞风险。
参考文献
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