Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
CHAPTER 1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Traffic Flow Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Vehicle Trajectory Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Detector Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Traffic Flow Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Flow Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Density and Occupancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3 Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Fundamental Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.1 Homogeneous, Stationary and Equilibrium Traffic Flow . . . . . . 6
1.4.2 The Fundamental Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4.3 Some Common Fundamental Diagram Models . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 The Characteristics of Traffic Flow Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.1 Congested Traffic and Phantom Jam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.2 Synchronized Traffic Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.3 Traffic Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Outline of the Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
CHAPTER 2
Traffic Oscillation Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 Some Previously Observed Results of Traffic Oscillations. . . . . . . . . . . 19
2.2 The Platoon Experiments with 25 Cars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.2 Spatiotemporal Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.3 The Concave Growth Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Traffic Oscillation Simulations by Traditional Models . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1 Traditional Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 The Initial Convex Growth Pattern in Traditional Models . . . . 28
2.4 Empirical Oscillation Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5 The Platoon Experiment with 50 Cars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.1 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.2 Corroborating Empirical Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6 The High-Speed Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.2 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.7 The Lightly Congested Flow Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.2 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
CHAPTER 3
Car Following Behavior Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1 The Velocity Distribution Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 The Spacing Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.3 The Platoon Length Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4 The Acceleration Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.5 The Wave Travel Time Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.1 Some Observed Features of ~snðtÞ Time Series . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5.2 New Experimental Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.6 Indifference Region Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.7 Sensitivity Factor Analysis in Car Following . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.8 Stochasticity Factor Analysis in Car Following . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.9 Analysis of Competition Between Stochastic and Speed Adaptation
Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
CHAPTER 4
Cellular Automaton Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1 The Basic CA Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.1 The NaSch Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.2 The Slow-To-Start Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.1.3 The Kerner-Klenov-Wolf Model for Synchronized Traffic Flow . . 101
4.2 The Generalized NaSch Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2.1 The Comfortable Driving Model and Its Variants . . . . . . . . . . . 104
4.2.2 Two-State Model and Its Improved Version . . . . . . . . . . . . . . . 109
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
CHAPTER 5
Car Following Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.1 The Extensions of Traditional Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2 The Insensitivity Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.3 The Speed Adaption Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.4 The Variants of Newell Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.4.1 Empirical Congested Pattern Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4.2 Vehicle Trajectory Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4.3 Platoon Oscillation Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.5 The Improved 2D-ID Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.6 The E2D-ID Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
CHAPTER 6
Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
