基于元胞自动机的城市道路交通流模型

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1、.基于元胞自动机的城市道路交通流模型　　【摘要】以元胞自动机（CA）为基础，针对一维单车道采用Nasch模型，对于双车道采用STCA模型，当双车道发生拥堵时，采用挤车变道元胞自动机CACF模型。并且利用上述模型，模拟分析了当车道被占用时，不同车流密度的车辆排队时间及车流平均速度情况。　　【关键词】元胞自动机；Nasch模型；STCA模型；CACF模型　　0引言　　偶发性交通拥堵对城市交通网的负面影响越来越大，引发了国内、外相关专业人士的深入研究。这些研究主要集中在两个方面：①车道被占用引起的偶发性交通拥堵的漂移规律，主要研究了车道被占用时，交通拥堵漂移在时间和

2、空间上的特点[1]；②偶发性交通拥堵时车辆疏散策略，研究了车道部分路段禁行、信号灯引导在疏散偶发性交通拥堵路段的作用[2]。本文基于元胞自动机模拟城市偶发性交通拥堵路段车辆的交通行为，透彻分析拥堵的发生规律和漂移机理，对交警处理车道被占用等偶发性事件而诱发的拥堵有一定的指导意义。　　1基于元胞自动机的城市单车道交通流模型..　　Nasch模型是研究单车道CA交通流的最典型的一种。在此模型中，车辆或者空闲位置代表一个元胞。设xm和vm分别描述第m辆车的位置和速度，vm（t+1）表示下一时刻的车速；vmax表示车辆的最大速度。xm（t）是第m辆车的时间位置函数，d

3、m（t）为t时刻，第m辆车与前方车辆两车车头与车尾的间距。Nasch模型将车辆的行驶过程初步划分为加速、减速、随机慢化和位置更新四个过程。对于一维单车道的情况，每个元胞只需关注它前、后方的邻居元胞的状态，在以下规则下进行状态变化。规则如下：①车辆加速：若车辆速度小于vmax，vm（t+1）=min（vm（t）+1，vmax）；②车辆减速：如果第m辆车和它前面的车辆的的车速之差乘以时间t后的值大于前车车尾和后车车头的间距dm（t），那么vm（t）减少为vm（t）-1，而vm（t+1）=min（vm（t），dm（t）-1）；③随机慢化：车辆速度以概率q减小1，则v

4、m（t+1）=max（vm（t）-1，0）；④位置更新：车辆在城市道路上以新的速度向前行驶，xm（t+1）=xm（t）+vm（t）。　　假设城市单车道上的车辆随机分布在一维离散的元胞空间上，在上述规则的作用下的车辆行驶过程便可以模拟单车道中车辆运行速度的变化。　　2基于元胞自动机的城市双车道交通流模型　　因为现实中的城市交通流的状态一般为双车道，所以..Chowdhury在NS单车道模型的基础上设计了STCA对称双车道元胞自动机模型。STCA模型按照NS单车道模型进行状态更新，并且按照如下规则进行变道：　　1）第m辆车在现在的车道被阻碍：dm，now

5、vm（t）+1，vmax）。　　2）该受阻碍车辆在另一车道上可以更快的行驶：dm，another，now>dm，now。　　3）变道时车距可以满足安全换道，dm，another，back>dsafe。　　在上述规则中，dm，now表示第m辆车和前方车辆的车距，dm，another，now表示第m辆车和相邻车道前方及后方车辆的车距，dsafe表示STCA模型中的安全变道间距。在该模型中，vmax=dsafe。并且只有上述规则同时满足时才可变道。即cm（t+1）=1-cm（t），其中cm表示第m辆车现在所在的车道。　　3挤车变道的双车道模型　　当发生偶发性交通拥堵

6、时车辆变道所需要的间距大部分时候不存在，于是国内学者对STCA模型进行了优化，建立了挤车变道的双车道CACF..模型。在拥堵的城市交通流中，当相邻的两辆车之间不存在安全变道间距时，会导致道路发生堵塞，车辆短时间内无法向前行驶。当相邻车道的车辆慢速行驶时，车辆之间存在着空间，这时就可以强行变道来不断前行。　　CACF模型中的拥堵变道规则要求同时符合拥堵条件和相邻车道空间条件，即本车辆在当前车道的前方最少要有3台车停滞不能前行，并且相邻车道及前方元胞空间同时空闲。挤车变道的过程如图1所示：　　图1挤车变道示意图　　图1中v代表车速，t时刻0车道车辆m符合挤车变道条

7、件，打转向灯准备变道，同时1车道后方车辆n减速防止和变道中的m车追尾，车辆m在t+1时刻完成了变道。　　1）非拥堵城市道路交通流变道规则　　非拥堵城市道路交通流按照STCA模型确定的规则进行位置更新，以概率p发生变道（设p=0.65）。　　①vm（t+1）=min（vm（t）+1，vmax）。　　②若vm（t+1）>dm（t）dm，another，now（t）>dm（t）dm，another，back（t）>vmax-min（vm（t），dm，another，now（t））+1pr

8、m（t）-1，0）。　　在城市道路非拥