基于元胞自动机的交通流模型研究.pdf

《基于元胞自动机的交通流模型研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、基于元胞自动机的交通流模型研究田园摘要：本文研究了当前一些主流元胞自动机交通流模型，并对各种不同模型从单、双车道和更新规则进行了分类与评价。通过计算机数值模拟各种模型，探索模拟结果中出现的非线性现象，并结合实测交通现象，验证模型的适用性，对各种元胞自动机交通流模型的特性及各自的优缺点进行了分析和讨论。关键字：交通流模型；交通仿真；元胞自动机；亚稳态；相分离Abstract:Inthispaper,avariouskindsofpopulartrafficcellularautomatonmodelsarestudied

2、;Classificationandevaluationofboththesinglelaneanddoublelanemodelsareaccomplished.Simulationisdonetocomparethenonlinearphenomenonofthemodels;Fitnessofthemodelstoactualenvironmentisexamined.Andcharacteristicsofdifferentmodelsarediscussedandcompared.Keywords:Traff

3、icflowmodel,Trafficsimulation,Cellularautomaton,Metastablestates,Phaseseparation1前言1.1研究背景和意义在我国，城市人口众多、交通工具多样化加剧了交通问题的尖锐性，科学管理和控制混合交通流是必须解决的迫切问题。而利用交通流模型研究、模拟交通状况，是解决[1]这一问题的有力手段。近年来元胞自动机交通流模型的研究受到了广泛关注。元胞自动机是一种时间、空间和变量均离散的数学模型，和以往的模型相比，它不需要具体的公式，只需要给出对应的演化规则，具

4、有算法简单且灵活可调、计算效率高等特点，更适合于计算机模拟。通过元胞之间的微观交互作用，可以模拟出宏观的交通流演变规律，是研究交通流特性的有效工具。1.2元胞自动机交通流模型概述[1]元胞自动机是时间和空间都离散的动力学系统。散布在规则网格中的每一元胞取有限的离散状态，依据确定的局部规则作同步更新，大量元胞通过简单的相互作用而构成动态系统的演化。将元胞自动机赋予车辆交通的含义：在建立元胞自动机交通流模型中，时间、空间以及速度都被整数离散化。道路被划分为若干个离散的格子（即元胞），一个元胞对应一辆或几辆汽车，或是几个元胞

5、对应一辆汽车，每个元胞状态或空或是容纳车辆的速度（每辆车的速度可取0到Vmax），每辆车都同时按照所建立的规则运动。这些规则由车辆运动应遵守的运动规则和交通规则组成，并且包含驾驶行为、外界干扰等随机变化规则。由于交通元素从本质上来说是离散的，用元胞自动机理论来研究交通，就避免了离散—连续—离散的近似过程，因此有[2]其独特的优越性。其主要优点是：（1）模型简单，特别易于在计算机上实现。[3]（2）能够再现各种复杂的交通现象，反映交通流特性。2数值模拟程序流程设计及参数设置本文用matlab对各种元胞自动机交通流模型在周

6、期性边界条件下的演化进行数值模拟，并对得到的结果进行比较和分析。假设车辆行进拥有理想的交通条件和道路条件：每部车都在一条道路上连续不断的行驶，不受其他方向车辆的干扰；每条车道的宽度均大于等于3.65m，道路的侧向余宽大于等于1.75m；路面状况良好、视野开阔等等。在模拟中取单车道由1000个格点（元胞）组成，每个元胞对应的实际长度为7.5m，则对应的实际道路长度大约为7.5km。假设道路上由单一类型的车辆组成且最大车速Vmax=5cell/s，对应的实际车速约为135km/h。采用周期性边界条件，总演化时步为1000步

7、，为了消除初始位形的随机性对结果的影响，取后500步的数值结果作时间平均。仿真程序的流程图设计见图1：开始输入参数随机产生车辆输出车辆位置与速度根据更新规则车辆运动N运行步数等于T?Y结束图1仿真程序流程图3元胞自动机交通流模型仿真结果对比分析(1)单车道交通流模型仿真及分析①NaSch模型的仿真及分析(a)自由流堵塞现象(b)行走波现象图2NaSch模型时空图图2显示的是NaSch模型的时空图，两图参数中仅初始车辆数不同，图(a)中初始车辆总数为140，图(b)为250。图中均匀部分表示车辆行驶在自由状态，黑色区域表

8、示车辆处于拥堵状态。由图可知，NaSch模型可以模拟出自发产生的堵塞现象以及拥挤交[2]通情况下的时走时停波等。行走波在时空图中是一系列的带状分布，如图(b)所示，在带状之内车辆密度较高，而在带状之间车辆密度较低。反映在实际问题中，对应在路面常常出现的时走时停的交通现象，即一辆车离开拥挤区之后不久又由于前面的堵塞[3]而停下来。图