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第二章 交通流特性第一节 交通调查交通调查：在道路系统的选定点或选定路段，为了收集有关车辆（或行人）运行情况的数据而进行的调查分析工作。
意义：交通调查对搞好交通规划、道路设施建设和交通管理等都是十分重要的。
调查方法：（1）定点调查；（2）小距离调查（距离小于10m ）；（3）沿路段长度调查（路段长度至少为500m ）； （4）浮动观测车调查； （5）ITS 区域调查。
图2—1中，纵坐标表示车辆在行驶方向上距离始发点（任意选定）的长度，横坐标表示时间。
图中的斜线代表车辆的运行轨迹，斜率为车速，直线相交表示超车。
穿过车辆运行轨迹的水平直线代表定点调查； 两条非常接近的水平平行直线表示小距离调查；一条竖直直线表示沿路段长度调查（瞬时状态，例如空拍图片）； 车辆的轨迹之一就可代表浮动车调查；ITS 区域调查类似于在不同时间、不同地点进行大量的浮动车调查。
图2—1 几种调查方法的时间—距离图示时间（s ）距离（m ）高速公路车道一、定点调查定点调查包括人工调查和机械调查两种。
人工调查方法即选定一观测点，用秒表记录经过该点的车辆数。
机械调查方法常用的有自动计数器调查、雷达调查、摄像机调查等。
自动计数器调查法使用的仪器有电感式、环形线圈式、超声波式等检测仪器，它几乎适用于各种交通条件，特别是需要长期连续性调查的路段。
雷达调查法适用于车速高、交通量密度不大的情况。
摄像机调查法一般将摄像机安装在观测点附近的高空处，将镜头对准观测点，每隔一定的时间，如15s、30s、45s或60s，自动拍照一次，根据自动拍摄的照片上车辆位置的变化，清点出不同流向的交通量。
这种方法可以获得较完全的交通资料，如流量、流向、自行车流及行人流和行驶速度、车头时距及延误等。
除这些方法以外，还有航空摄影调查法、光电管调查法等。
定点调查能直接得到流量、速度和车头时距的有关数据，但是无法测得密度。
二、小距离调查这种调查使用成对的检测器（相隔5m或6m）来获得流量、速度和车头时距等数据。
交通流理论及其应用第一章交通流理论概述交通流理论研究的是交通系统中的车辆运动、交通管制、道路设施、交通信息和旅行者的行为等方面的问题。
交通流理论在道路规划、公路建设和交通管理等领域有着非常广泛的应用。
交通流理论的一个重要假设是，车辆在道路上的移动速度不仅受到道路设计的限制，还受到其他车辆的影响。
因此，在交通流理论中，车辆被看作是一个组成整体的流体，而不是独立的个体。
第二章交通流模型交通流模型是交通流理论的核心部分。
交通流模型通过建立数学方程，来描述交通系统中的车辆运动和相关因素。
常用的交通流模型有三种：宏观模型、微观模型和混合模型。
宏观模型是指从整体上研究交通流的模型，宏观模型的主要参数是车流量、速度和密度。
宏观模型常用的方法包括现场观测、测量和统计分析。
微观模型是指从个体车辆的行为入手研究交通流的模型，微观模型的主要参数是车辆的位置、速度和加速度。
微观模型常用的方法是仿真模拟和建立基于车辆运动方程的数学模型。
混合模型是宏观模型和微观模型的结合，既考虑了交通流的整体特征，又考虑了车辆个体行为的影响。
混合模型综合了宏观模型和微观模型的优点，是目前研究交通流的主要方法之一。
第三章交通流参数交通流参数是交通流模型中的重要参数，主要包括车流量、速度和密度。
车流量是单位时间内通过某一道路断面的车辆数量，常用的单位是辆/小时。
车流量是衡量交通流量大小的主要指标，它直接影响道路的通行能力和交通拥堵的程度。
速度是车辆在单位时间内通过某一道路断面的平均速度，常用的单位是公里/小时。
速度是衡量交通流运行状况的主要指标，它受到道路状况、车辆性能和交通运行管理等因素的影响。
密度是单位时间内通过某一道路断面的车辆数量和车辆行驶长度之比，常用的单位是辆/公里。
密度是衡量交通流集聚程度的主要指标，它与车速和车流量有着密切的关系。
第四章交通流控制交通流控制是交通流理论的一项重要应用，包括交通信号灯、路口红绿灯、限速标志和车道指示标志等。
交通流理论第⼆章第⼆章交通流特性第⼀节交通调查交通调查：在道路系统的选定点或选定路段，为了收集有关车辆（或⾏⼈）运⾏情况的数据⽽进⾏的调查分析⼯作。
意义：交通调查对搞好交通规划、道路设施建设和交通管理等都是⼗分重要的。
调查⽅法：（1）定点调查；（2）⼩距离调查（距离⼩于10m ）；（3）沿路段长度调查（路段长度⾄少为500m ）；（4）浮动观测车调查；（5）ITS 区域调查。
图2—1中，纵坐标表⽰车辆在⾏驶⽅向上距离始发点（任意选定）的长度，横坐标表⽰时间。
图中的斜线代表车辆的运⾏轨迹，斜率为车速，直线相交表⽰超车。
穿过车辆运⾏轨迹的⽔平直线代表定点调查；两条⾮常接近的⽔平平⾏直线表⽰⼩距离调查；⼀条竖直直线表⽰沿路段长度调查（瞬时状态，例如空拍图⽚）；车辆的轨迹之⼀就可代表浮动车调查；ITS 区域调查类似于在不同时间、不同地点进⾏⼤量的浮动车调查。
图2—1 ⼏种调查⽅法的时间—距离图⽰时间（s ）距离（m ）⾼速公路车道⼀、定点调查定点调查包括⼈⼯调查和机械调查两种。
⼈⼯调查⽅法即选定⼀观测点，⽤秒表记录经过该点的车辆数。
机械调查⽅法常⽤的有⾃动计数器调查、雷达调查、摄像机调查等。
⾃动计数器调查法使⽤的仪器有电感式、环形线圈式、超声波式等检测仪器，它⼏乎适⽤于各种交通条件，特别是需要长期连续性调查的路段。
雷达调查法适⽤于车速⾼、交通量密度不⼤的情况。
摄像机调查法⼀般将摄像机安装在观测点附近的⾼空处，将镜头对准观测点，每隔⼀定的时间，如15s、30s、45s或60s，⾃动拍照⼀次，根据⾃动拍摄的照⽚上车辆位置的变化，清点出不同流向的交通量。
这种⽅法可以获得较完全的交通资料，如流量、流向、⾃⾏车流及⾏⼈流和⾏驶速度、车头时距及延误等。
除这些⽅法以外，还有航空摄影调查法、光电管调查法等。
定点调查能直接得到流量、速度和车头时距的有关数据，但是⽆法测得密度。
⼆、⼩距离调查这种调查使⽤成对的检测器（相隔5m或6m）来获得流量、速度和车头时距等数据。
第二节交通流理论一、机动车交通机动车交通是城市道路交通的主体。
国外城市中的机动车大多是小汽车，车种较为单一，在一定的路段上车速基本相同，交通流相对比较简单。
我国城市的机动车车种复杂，车速、性能差异较大，交通流比国外城市要复杂得多。
1.机动车流速度、流量和密度关系(1)基本关系式如果车流中所有车辆均以相同的车速通过某一段路程，则有下列关系:式中:K为交通密度(辆/公里)；Q为交通量 (辆/小时)；V为车速(公里/小时)。
公式也经常写作：(2)车速与密度的关系Vf为自由车速，Kj为当车速为零时的阻塞密度。
由上式及图可知，当密度逐渐增大则车速逐渐减小，当达到阻塞密度Kj时，车速为零，交通停顿。
(3)交通量与密度的关系Ko称为最佳密度。
由图可知，在Ko之前，交通量随密度的增加而增加，而在Ko之后，交通量将随密度的增加而减少。
(4)交通量与车速的关系Vo称为最佳车速。
由图可知在Vo之前，交通量随车速的增加而增加，而在Vo之后，交通量将随车速的增加而减少。
综上所述，将Q-K, Q-V及V-K关系图作于同一平面上，如上图，全面分析可知:(1)当密度很小时，交通量亦小，而车速很高(接近自由车速)。
(2)随着密度逐渐增加，交通量亦逐渐增加，而车速逐渐降低。
当车速降至Vo时，交通量达到最大此时的车速称为临界车速，密度Ko称为最佳密度。
(3)当密度继续增大(超过Ko)，交通开始拥挤，交通量和车速都降低。
当密度达到最大(即阻塞密度凡)时，交通量与车速都降至为零，此时的交通状况为车辆首尾相接，堵塞于道路上。
(4)最大流量Qmax、临界车速Vo和最佳密度Ko是划分交通是否拥挤的特征值。
当Q＞Qmax，K＞Ko，V＜Vo时交通属于拥挤；当Q≤Qmax，K≤Ko，V≥Vo时，交通属于畅通。
由上述三个参数间的量值关系可知，速度和容量 (密度)不可兼得。
因此，为保证高等道路(快速路、主干路)的速度，应对其密度加以限制 (如限制出入口、封闭横向路口等)。
交通流理论与控制研究第一章交通流理论概述交通流理论是交通运输工程领域的一个重要研究方向，它研究的是道路、高速公路、城市道路等交通干线上车辆的运动规律及其与环境、道路设施等因素之间的相互作用，用数学模型等方法进行描述和分析。
具体来说，交通流理论可分为三个层次：宏观层面的交通流模型、中观层面的交通流理论、微观层面的交通流理论。
宏观层面的交通流模型是指对交通流总体运行状态的描述和分析，如平均速度、车辆密度、道路通行能力等；中观层面的交通流理论研究的是交通流的稳定性、交通容量、交通拥堵等问题；而微观层面的交通流理论主要研究单个车辆的运动轨迹、驾驶员行为及其对交通系统的影响等问题。
第二章交通流控制的方法交通流控制是指利用交通管理手段对交通流进行调控，改善交通运行状况，提高交通安全和效率。
常见的交通流控制方法包括以下几种：1. 车道分隔和限行措施：对于车速较慢的车辆（如卡车、公共汽车等），采取单独的车道分隔或限行措施，以减少其与其他车辆的碰撞机会，提高交通系统的通行能力。
2. 信号控制：交通信号灯是最常见的交通控制手段之一，它可以通过对不同车辆的交通信号进行控制，改变交通流的路权和平衡道路交通流量，从而调控交通拥堵。
3. 交通限速：交通限速是指对某一段路段的最高车速进行限制，以避免不同速度的车辆相互阻碍和交通意外的发生。
4. 车速限制和拦截：交通管理人员可以通过设立临时的车速限制或拦截某些车辆等手段，有效遏制不安全驾驶行为，降低交通事故的发生率和交通拥堵的出现。
第三章交通流控制模型为了更好地掌握交通流控制的原则和方法，交通流控制模型成为了研究交通流控制的重要方法之一。
交通流控制模型可分为马尔科夫过程模型、生产函数模型、瓶颈模型和微观交通流模型等。
其中，马尔科夫过程模型是一种基于概率论的模型，可以对各种状态下的交通流进行判断和分析，从而制定出相应的交通控制策略；生产函数模型则是一种根据交通流量和道路状况等变量来估计交通流容量的数学模型；瓶颈模型则主要研究交通流系统中的瓶颈位置、影响和处理方法；而微观交通流模型则是通过对单个车辆的行为和状态进行建模，分析其对整个交通流的影响和作用。
交通运输中的交通流理论与模型第一章交通流理论的基本原理交通流理论是交通运输学中的一个重要分支，研究交通流的运行规律与特性，为交通规划和交通管理等提供决策支持。
本章将介绍交通流理论的基本原理，包括交通流类型、交通流参数和交通流模型等。
1.1 交通流的类型交通流通常分为三种类型：车辆交通流、行人交通流和混合交通流。
车辆交通流是指由车辆组成的流动车辆群体；行人交通流是指由行人组成的行人群体；混合交通流则是车辆交通流和行人交通流混合在一起。
1.2 交通流的参数交通流的参数是描述交通流特性的量化指标，常用的参数包括车辆密度、车速和交通流量等。
车辆密度是指单位长度道路上的车辆数；车速是车辆通过单位时间所走过的距离；交通流量是单位时间内通过某一路段的车辆数量。
1.3 交通流模型交通流模型是用来描述交通流特性与变化规律的数学模型。
常用的交通流模型有宏观模型和微观模型两种。
宏观模型研究交通流整体运行规律，如流动稳定性和拥堵解除等；微观模型则从个体车辆的角度考虑交通流的行为规律，如车辆加速度和避让等。
第二章常见的交通流模型本章将详细介绍一些常见的交通流模型，包括流量-密度关系模型、速度-密度关系模型和流量-速度关系模型等。
2.1 流量-密度关系模型流量-密度关系模型研究交通流量与交通流密度之间的关系。
常用的模型包括线性模型、理想模型和反S模型等。
线性模型假设交通流量与交通流密度成正比例关系；理想模型采用抛物线函数来描述交通流量与交通流密度之间的关系；反S模型则将交通流量与交通流密度联系起来，并引入饱和流量的概念。
2.2 速度-密度关系模型速度-密度关系模型研究交通流速度与交通流密度之间的关系。
常用的模型包括线性模型、理想模型和广义的Shriver模型等。
线性模型假设交通流速度与交通流密度成正比例关系；理想模型采用抛物线函数来描述交通流速度与交通流密度之间的关系；广义的Shriver模型则考虑了车辆间距和车辆长度等因素的影响。
第二章 交通流特性第一节 交通调查交通调查：在道路系统的选定点或选定路段，为了收集有关车辆（或行人）运行情况的数据而进行的调查分析工作。
意义：交通调查对搞好交通规划、道路设施建设和交通管理等都是十分重要的。
调查方法：（1）定点调查；（2）小距离调查（距离小于10m ）；（3）沿路段长度调查（路段长度至少为500m ）；（4）浮动观测车调查；（5）ITS 区域调查。
图2—1中，纵坐标表示车辆在行驶方向上距离始发点（任意选定）的长度，横坐标表示时间。
图中的斜线代表车辆的运行轨迹，斜率为车速，直线相交表示超车。
穿过车辆运行轨迹的水平直线代表定点调查；两条非常接近的水平平行直线表示小距离调查；一条竖直直线表示沿路段长度调查（瞬时状态，例如空拍图片）；车辆的轨迹之一就可代表浮动车调查；ITS 区域调查类似于在不同时间、不同地点进行大量的浮动车调查。
图2—1 几种调查方法的时间—距离图示时间（s ）距离（m ）高速公路车道一、定点调查定点调查包括人工调查和机械调查两种。
人工调查方法即选定一观测点，用秒表记录经过该点的车辆数。
机械调查方法常用的有自动计数器调查、雷达调查、摄像机调查等。
自动计数器调查法使用的仪器有电感式、环形线圈式、超声波式等检测仪器，它几乎适用于各种交通条件，特别是需要长期连续性调查的路段。
雷达调查法适用于车速高、交通量密度不大的情况。
摄像机调查法一般将摄像机安装在观测点附近的高空处，将镜头对准观测点，每隔一定的时间，如15s、30s、45s或60s，自动拍照一次，根据自动拍摄的照片上车辆位置的变化，清点出不同流向的交通量。
这种方法可以获得较完全的交通资料，如流量、流向、自行车流及行人流和行驶速度、车头时距及延误等。
除这些方法以外，还有航空摄影调查法、光电管调查法等。
定点调查能直接得到流量、速度和车头时距的有关数据，但是无法测得密度。
二、小距离调查这种调查使用成对的检测器（相隔5m或6m）来获得流量、速度和车头时距等数据。
目前常用的点式检测器，如感应线圈和微波束。
调查地点车速时，将前后相隔一定距离（如5m）的检测器埋设地下，车辆经过两个检测器时发出信号并传送给记录仪，记录仪记录车辆通过两个检测器所使用的时间，那么用相隔的距离除以时间就得到地点车速。
这种调查方法还能得到占有率，占有率是指检测区域内车辆通过检测器的时间占观测总时间的百分比。
由于占有率与检测区域的大小、检测器的性质和结构有关，因此同样的交通状态下，不同位置测得的占有率可能不同。
小距离调查同样无法测得密度，但可获得流量、速度、车头时距和占有率等数据。
三、沿路段长度调查沿路段长度调查主要是指摄像调查法，适用于500m以上的较长路段。
摄像调查法首先对观测路段进行连续照像，然后在所拍摄的照片上直接点数车辆数，因此这种方法是调查密度的最准确途径。
但是，由于拍摄胶片的清晰度受天气情况影响较大，调查时应注意选择晴朗的时间。
摄像调查法分为地面高点摄像法和航空摄像法。
这种方法能够测得密度，但由于调查中没有给出时间刻度，因此不能得到流量和速度。
四、浮动车调查浮动观测车调查有两种方法：第一种方法:是利用浮动车记录速度和行程时间（分别作为时间和沿路段位置的函数），浮动车以车流的近似平均速度行驶。
该方法无需精密的仪器就可获得大量有关高速公路车流运动的信息，但是不能获得准确的平均速度。
这种方法有两种常用的形式：一种是人在车上记录速度和行程时间；另一种是使用速度计（通常用于远距离行驶的卡车和公共汽车上）。
第二种方法:可同时进行速度和流量的调查，该方法适用于不拥挤的道路和无自动检测仪器的郊区高速公路。
这种调查方法基于观测车在道路上进行往返行驶，其计算流量和速度的公式如下：（2—1）)/()(w a t t y x q ++= (2—2)q y t t w /-= （2—3）t l u s /=式中：——道路上参考方向的估计交通量；q ——观测车沿参考方向反向行驶时遇到的车辆数；x ——观测车沿参考方向行驶时的净超车数（即超越观测车的车辆y 数减去被观测车超越的车辆数）；——车辆沿参考方向反向行驶时的行程时间；a t ——车辆沿参考方向行驶时的行程时间；w t ——车辆沿参考方向行驶时的平均行程时间的估计值；t ——路段长度；l ——区间平均速度。
s u 进行调查时，驾驶员应事先固定行程时间，试验中要按照这个时间行驶，沿路段允许停车，但要保证整个行程时间跟预定的时间相等。
总的行程时间，根据美国国家城市运输委员会的规定，主要道路为19min/km ，次要道路为6min/km ，一般往返12～16次，即可得到满意的结果。
另外，转弯车辆（离开和进入）会影响计算结果，因此进行这种调查所选择的路段应该尽量避开主要的进出口。
五、ITS区域调查智能运输系统包含诱导车辆与中枢系统的通信技术,这可提供车辆的速度信息。
但是，通过智能运输系统获得的车速信息有的情况是记录点的瞬时速度，有的情况仅是车辆的标识信号（系统根据接收的相邻信号计算出车辆的行程时间），还有的情况是通过一些固定于路旁的信号发射装置（通常称为信标）向车辆发送信号，车辆接收信号进行登记，并向中枢系统返回速度和位置信息。
该方法只能提供速度信息，而无法确定车辆所在路段的流量和密度。
如果配以适当的传感器，每一辆诱导车都能记录车头时距和车头间距，那么就可以通过这些数据求得流量和密度。
第二节 交通流参数道路上的行人或运行的车辆构成行人流或车流，行人流和车流通称为交通流，没有特指时交通流一般指机动车流。
交通流运行状态的定性、定量特征称为交通流特性，用以描述交通流特性的一些物理量称为交通流参数，参数的变化规律即反映了交通流的基本性质。
交通流的基本参数有三个：交通流量、速度和密集度，也称为交通流三要素，常用的参数还有车头时距、车头间距等。
一、流 量流量是指在单位时间内，通过道路某一点、某一断面或某一条车道的交通实体数（对于机动车流而言就是车辆数）。
流量可通过定点调查直接获得，流量和车头时距有以下关系：（2—TNq =4）式中：——流量（veh/h ）；q ——观测时段长度；T ——观测时段内的车辆数。
N 观测时段长度和车头时距有如下关系：（2—∑==Ni i h T 15）式中：—— 第辆车与第辆车的车头时距。
i h 1+i i 将式（2—5）代入式（2—4），就得到流量和平均车头时距之间的关系：hh N h N T N q ii ii 111====∑∑（2—6）式中：——平均车头时距。
h二、速 度1．地点速度（也称为即时速度、瞬时速度）地点速度为车辆通过道路某一点时的速度，公式为：u （2—7）1212012lim t t x x dt dxu t t --==→-式中和分别为时刻和的车辆位置。
雷达和微波调查的速度非常接近1x 2x 1t 2t 此定义。
车辆地点速度的近似值也可以通过小路段调查获得（通过间隔一定距离的感应线圈来调查）。
2．平均速度（1）时间平均速度，就是观测时间内通过道路某断面所有车辆地点t u 速度的算术平均值：（2—8）∑==Ni i t u N u 11式中：——第辆车的地点速度；i u i ——观测的车辆数。
N （2）区间平均速度，有两种定义：一种定义为车辆行驶一定距离s u 与该距离对应的平均行驶时间的商：D（2—∑==Ni is tNDu 119）式中：——车辆行驶距离D 所用的行驶时间。
i t i （2—ii u Dt =10）式中：——车辆行驶距离的行驶速度。
i u i D 式（2—9）适用于交通量较小的条件，所观察的车辆应具有随机性。
对式（2—9）进行如下变形：（2—∑∑∑===i ii itis u N u D N D tND u 1111111）此式表明区间平均速度是观测路段内所有车辆行驶速度的调和平均值。
区间平均速度的另一种定义为某一时刻路段上所有车辆地点速度的平均值。
可通过沿路段长度调查法得到：以很短时间间隔对路段进行两次t ∆（或多次）航空摄像，据此得到所有车辆的地点速度（近似值）和区间平均速度，公式如下：(2—13)∑∑==∆=∆=Ni i Ni i s S t N tS Nu 1111式中：——第辆车平均速度；i u i ——两张照片的时间间隔；t ∆ ——在间隔内，第辆车行驶的距离。
i S t ∆i 研究表明，这种方法获得的速度观测值的统计分布与实际速度的分布是相同的。
（3）时间平均速度和区间平均速度的关系对于非连续交通流，例如含有信号控制交叉口的路段或严重拥挤的高速公路上，区分这两种平均速度尤为重要，而对于自由流，区分这两种平均速度意义不大。
当道路上车辆的速度变化很大时，这两种平均速度的差别非常大。
时间平均速度和区间平均速度的关系如下：(2—14)ss s t u u u 2σ=-式中：；K u u k s i i s /)(22∑-=σ——第股交通流的密度；i k i ——交通流的整体密度。
K 三、密集度密集度（concentration ）包括占有率和密度两种含义。
（一）占有率占有率即车辆的时间密集度，就是在一定的观测时间内，车辆通o T 过检测器时所占用的时间与观测总时间的比值。
对于单个车辆来说，在检测器上花费的时间是由单个车辆的速度，车长和检测器本身的长度决i u i l d 定的：（2—∑∑∑+=+=i ii i i ii i u T d u l T T u d l o 11/)(16）将上式第二项的分子分母同时乘以，再将式（2—4）和式（2—11）代N 入可得：(2—17) si i i i i i i i u qd u l T u N T N d u l T o ⋅+=⋅⋅+=∑∑∑1111将基本公式：(2—s u k q =18)代入式（2—17）：(2—k d u l T o i ii ⋅+=∑119)其中是车头时距的总和，为密度。
将上式的分子分母同时除以得：T k N (2—20)k d hu l N k d h Nu l N k d T u l o i i i i i ii i i i ⋅+=⋅+=⋅+=∑∑∑∑1`11如果假定车身长度取定值,那么上式可简化为：l ∑∑⋅+⋅⋅=⋅+=i i i i k d u N l hk d h u l N o 1111 (2—21)k c k d l k d u ql k s=+=⋅+⋅=)(式中：——车身长度与检测器长度之和。
k c 由于单个检测器的长度是恒定的, 如果假定车辆长度也相同，那么d 该式表明占有率与密度是成正比的，由此可得如下的区间平均速度计算公式：(2—22)oc q u ks ⋅=（二）密度交通密度代表车辆的空间密集度，就是某一瞬间单位道路长度上存k 在的车辆数，即：LK 观测路段长度车辆数交通密度N/=密度只能通过沿路段长度调查法即根据航拍照片来获得：根据图上量得的距离和车辆数计算得出。
