第五章系统动力学模型

平均自由程λ 为分子在连续两次碰撞之 间所自由走过的路程的平均值：

v Z

v 2nd v
2

1 2 nd
2

kT 2 d P
2
（1）对于同种气体，λ与 n 成反比，而与 v 无关； （2）在温度一定时， λ仅与压强成反比。
例2：设原子有效直径 d = 10–10 m 求 （1）氮气在标准状态下的平均碰撞次数 （2）若温度不变气体压强降到1.3310–4 Pa 平均碰撞次数又为多少？ 解：
?牛顿黏性（viscosity）定律
在相邻两层流体中，相对速度较大的流 体总是受到阻力，即速度较大一层流体受到 的黏性力的方向总与速度梯度方向相反，故
f du dz A
速度梯度即流速在薄层单位间距上的增量。
旋转黏度计:测定气体的黏度而设计仪器 扭丝悬吊了一只外径为R、长为L的内
M
圆筒，筒外同心套上一只长亦为L、内径为 R+δ的外圆筒，内外筒的隔层内装有被测气 体，夹层内的空气对B 筒施予黏性力。A 筒 保持一恒定的转速ω,B 筒相应地偏转一定的 角度，偏转角度的大小由附在扭丝上的小镜 M 所反射的光线测得。从偏转角的大小可计 算出黏性力。
三、气体扩散（diffusion）的微观机理 扩散是在存在同种粒子的粒子数密度 空间不均匀的情况下，由于分子热运动所 产生的宏观粒子迁移或质量迁移。 它与流体由于空间压强不均匀所产生 的流体流动不同，后者是由成团粒子整体 定向运动产生。 扩散也向相反方向进行，因为在较高密 度层的分子数较多，向较低密度层迁移的分 子数就较相反方向多。
dN 1 dt D n1 n 2 L A
dn 1 dt D n1 n 2 VL A
CO 粒子数守恒，即

菌体的生长比速：
dx
(h-1)
dt X
每克菌体在一小时内的生长量，它表示细胞繁殖的 速度或能力。
产物的形成比速： dp
(h-1)
dt X
每克菌体在一小时内合成产物的量，它表示细胞合
成产物的速度或能力，可以作为判断微生物合成代
谢产物的效率。
得率(或产率，转化率，Y)：指被消耗的物质和所合 成产物之间的量的关系。包括生长得率(Yx/s)和产物 得率(Yp/s)。 生长得率：是指每消耗1g(或mo1)基质(一般指碳源) 所产生的菌体重(g)，即Yx/s=ΔX／一ΔS。 提高微生物生长得率的措施： 1 要筛选优良的菌种，其本身就应具备高的生长得率。 2 要选择合适的培养基配方，提供略微过量的其它营 养物质，使碳源成为最终的限制性物质。 3 还须选择和控制合适的培养条件，使得微生物的代 谢按所需方向进行。 4 在发酵的操作过程中要尽量防止杂菌污染。
细胞所生存的环境恶化，细胞开始死亡，活细胞数量不断 下降。
二 细胞生长速率与底物浓度的关系
1、莫诺方程 当培养液中不存在抑制细胞生长的物质时，细胞的生长速
率是限制性底物浓度 s 的函数：
dx f s
dt
莫诺方程（Monod）：
s m Ks s
描述比生长速率与单一限制性底 物之间的关系。
——比生长速率，hr-1 Ks——细胞对底物的半饱和常数，g/L s——单一限制性底物的浓度，g/L
x
x x0 et 或
x 1 dx
t
dt
x0 x
0
x ln t
x0
③世代时间td：
也称倍增时间（doubling time），是细胞浓度增长一倍 所需要的时间，也即细胞分裂一次，繁殖一代所用的时间。

T，前车在t时刻的动作，后车要经过（t+T）时刻才能做 出相应的动作，这就是延迟性。
3、传递性
由制约性可知，第一辆车的运行状态制约着第二辆车的运 行状态，第二辆车又制约着第三辆车，…，第n辆车制约 着第n+1辆。一旦第一辆车改变运行状态，其效应会一辆 接一辆的向后传递，直至车队最后一辆，这就是传递性。
Weidman的研究则认为车头间距小于等于150m时，车辆 处于跟驰状态。
在跟驰理论中，目前常用的判定跟驰状态的方法有两种。
➢ 一种是基于期望速度的判定方法，它是通过判断前车速度 是否小于后随车的期望车速来判定车辆是否处于跟驰状态；
➢ 另一种是基于相对速度绝对值的判定方法，它是利用前后 车速度差的绝对值随车头时距变化规律定量地判定车辆行 驶的状态。
其中，L-1表示拉普拉斯的逆变形。 类似地，可以得到车辆速度和车辆间距的变化情况。
因此，可将拉普拉斯逆变换表示成e a 0 t 、e ib 0 t 。对于不 同的C值，跟驰行驶两车的运动情况可分为四类：
a）如果C≤e-1(≈0.368)，a0≤0，b0=0，间距不发生波 动，振幅呈指数衰减；
b）如果 e-1 ＜C＜π/2， a0 ＜0，b0＞0，间距发生 波动，振幅呈指数衰减；
左图为利用计算机模拟的方
法给出的相关运动参数曲线。 C=e-1，由前面所讲可知，属第一 类，即车头间距不发生波动的情 况。头车先减速行驶，然后加速 到起始速度，采用恒定的加速度 和减速度。实线代表头车，虚线 代表跟车。由于C 在车辆局部稳 定的限制范围内，所以跟车的加 速度和速度以及车头间距都没有 发生波动。
紧随要求、车速条件和间距条件构成了一对汽车跟驰行驶 的制约性，即前车的车速制约着后车的车速和车头间距。

线性跟驰模型假定驾驶员的反应强度与车间距离无关，即 对给定的相对速度，不管车间距离大小(如5m或100m）， 反应强度都是相同的。 实际上，对于给定的相对速度，驾驶员的反应强度应该随 车距间距的减少而增加，这是因为驾驶员在车辆间距较小 的情况相对于车辆间距较大的情况更紧张，因而反应的强 度也会较大。 因此，严格来说，反应灵敏度系数并非常量，而是与车头 间距成反比的，由此得到非线性跟驰模型。

1950年赫尔曼（Herman）博士运用动力学方法 建立跟车模型，进而提出了跟驰理论。随后， Reuschel 和Pipes 研究了跟驰理论的解析方法。 北京工业大学应用混沌论开展了城市快速路交通 流行为阈值模型以及车辆跟驰模型研究。 吉林大学研究了模糊跟驰行为等等。


一、跟驰状态的判定

跟驰状态临界值的判定是车辆跟驰研究中的一个关键，现 有的研究中，对跟驰状态的判定存在多种观点。 国外的研究中，美国1994年版的《道路通行能力手册》 规定当车头时距小于等于5s时，车辆处于跟驰状态； Paker在研究货车对通行能力的影响时，采用了6s作为判 定车辆跟驰状态的标准；
第一节 跟驰理论概述

特点：车辆跟驰模型是交通系统仿真中最重要的 动态模型，用来描述交通行为即人—车单元行为。

意义：车辆跟驰模型的研究对于了解和认识交通 流的特性，进而把这些了解和认识应用于交通规 划、交通管理与控制，充分发挥交通设施的功效， 解决交通问题有着极其重要的意义。
第一节 跟驰理论概述

第二节 线性跟驰模型
一、线性跟驰模型的建立

跟驰模型实际上是关于反应-刺激的关系式，用方 程表示为：
反应= 灵敏度×刺激

驾驶员接受的刺激是指其前面引导车的加速或减 速行为以及随之产生的两车之间的速度差或车间 距离变化； 驾驶员对刺激的反应是指根据前车所做的加速或 减速运动而对后车进行的相应操纵及其效果。