随着我国高速公路基础设施的进一步建设和完善,车道数逐步增加至多车道,车道固定瓶颈带来的扰动对交通流的影响越来越小,但车流内部随机扰动的影响却越来越大,这种扰动不易被人们发现且难以预估,其产生的一个主要原因就是高速公路混行车流中存在较多性能较差的重载大型货车,这些车辆与快速车辆在混行过程中产生大量的“移动瓶颈”效应。“移动瓶颈”效应一般由大型车自身的扰动行为引起,与高速公路固定瓶颈不同,移动瓶颈导致的道路时空资源损失随时间、空间是动态变化的,并在一定程度上引起交通流内部速度的随机扰动,扩散导致拥挤交通的形成。对移动瓶颈扰动产生的形式和机理进行分析,揭示其对交通流的影响规律,对于制定合理措施消除我国高速公路上“移动瓶颈”的现象有重要意义。本文在三相交通流理论框架下,对高速公路移动瓶颈进行建模仿真,探讨移动瓶颈扰动产生的形式并对其进行数值模拟,揭示其对交通流通行能力的影响规律。研究要点概括如下:(1)首先介绍研究背景及国内外对“移动瓶颈”的研究现状,然后详细阐述了三相交通流理论的相关内容,在“移动瓶颈”扰动下以交通流临界相变特征为研究的切入点,结合三相交通流理论提出了研究方法与技术路线。(2)在介绍与本研究相关的经典三相交通流模型基础上,以MVDE模型为例,从实际交通特征视角分析了模型规则中存在不足,结合驾驶员敏感特性,考虑了动态同步作用距离下车辆加速幅度的因素,在模型规则的加速步过程中将恒定的加速值具体细分,修改了模型中的更新规则,建立了一个新的元胞自动机模型并进行拟合验证。计算出了模型的稳态解,其结果类似于三相交通流理论的基本假设,定性分析上结合时空演化图对统计得出的流-密图和速-密图进行数值分析,最后从同步流态的局部基本图和相关性角度定量验证了对应同步流存在区域的微观特征。结果表明:该模型能模拟出三种交通流相及一阶相变现象,并且同步流下的自相关和互相关不存在长程相关性,说明改进的模型是一个三相交通流理论下的元胞自动机模型。(3)在改进的单车道三相交通流模型中加入移动瓶颈,调整大小车基本参数,从移动瓶颈不同进口概率、不同最大车速和不同车长等三个指标衡量移动瓶颈固有属性引起的扰动效应,研究其对交通流的扰动特性。结果表明:最大流量随着移动瓶颈比例的增大而减小,当混合车流中移动瓶颈的比例大于一半时,其比例的继续增大对中低密度区的流量影响一致,车道平均车速随移动瓶颈比例的增大而下降,在中低密度区下降较明显,当移动瓶颈的比例大于一半时,其比例的继续增大对车道平均速度的影响较小;移动瓶颈最大速度越小,对应的最大流量越小,这种影响效应在中低密度区并不明显,车道的平均车速则随移动瓶颈最大速度的减小而下降;车道的最大流量和平均速度均随移动瓶颈车长的减小而下降,在高密度区移动瓶颈车长越长,其扰动效应越明显。(4)在移动瓶颈固有属性扰动模型上进行扩充,提出了双车道三相混行交通流模型,并对其进行基本图验证,验证结果同样符合三相交通流理论的基本假设。基于移动瓶颈的主要扰动行为特性,建立了移动瓶颈换道与组合两类主要扰动行为的元胞自动机模型,分析其对交通流的影响。在移动瓶颈换道扰动模型中,分别设置大、小车的换道规则进行数值模拟,结果表明移动瓶颈换道对自由流和宽运动堵塞影响较小,在同步流状态下,移动瓶颈的换道行为具有导致拥堵发生和拥堵消散的双重作用。在移动瓶颈组合扰动模型中,探讨移动瓶颈组合行为发生的条件及形式,模型中添加相应规则进行数值模拟,结果表明移动瓶颈的串行扰动效应对自由流和同步流均有影响,随着移动瓶颈的串行数增多,慢车道的占有率就越高,整个车道的流量和平均速度均处于下降趋势。移动瓶颈的并行扰动效应对自由流的影响最为显著,影响范围取决于移动瓶颈并行车间距的大小,研究发现移动瓶颈的并行车间距在30米至90米范围内流量和速度的变化最明显。并行扰动效应对同步流的影响不大,不是导致同步流下产生相变的主要因素。