道路交通流元胞自動(dòng)機(jī)模型研究.pdf

1、交通流理論的研究對(duì)現(xiàn)實(shí)生活非常重要。它吸引了各個(gè)不同領(lǐng)域的學(xué)者的關(guān)注，從而逐漸發(fā)展成了一門自然科學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的交叉學(xué)科。交通流模型目前主要分為宏觀、中觀、微觀三類。而微觀模型中的元胞自動(dòng)機(jī)模型因?yàn)楹?jiǎn)便易用、運(yùn)算速度快等優(yōu)勢(shì)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這會(huì)在文中重點(diǎn)闡述，包括在高速公路和城市交叉口模擬的應(yīng)用。另外對(duì)于交通流理論的發(fā)展而言，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和分析是至關(guān)重要的，這也將在文中加以闡述。
　　第一部分是關(guān)于元胞自動(dòng)機(jī)模型的

2、建模分析。首先提出了一個(gè)新的元胞自動(dòng)機(jī)模型，并且展示了周期邊界下的模擬結(jié)果。它可以模擬出自由流(F)，同步流(S)，堵塞(J)三個(gè)交通相，以及它們之間的一階相變。在以往的模型中，只有引入慢啟動(dòng)規(guī)則才能模擬出S→J一階相交，但在本文的模型中，這并不必要。因此本文認(rèn)為虛擬速度效應(yīng)可能是這一相變的核心機(jī)理。
　　接著通過(guò)引入一些新參數(shù)，同時(shí)將期望減速度AD拆成了兩個(gè)參數(shù)，從而分別調(diào)整了模型中的期望速度和加速閥值。繼而發(fā)現(xiàn)同步流的流量主要

3、取決于期望速度，而F→S相變特征主要取決于加速閥值。隨著加速閥值左側(cè)取值的增加（或者右側(cè)取值的減少），自由流分支會(huì)縮小，然后F→S相變會(huì)逐漸從一階的轉(zhuǎn)化為連續(xù)的。
　　然后研究了這個(gè)模型在開放邊界下的孤立上匝道堵塞模式圖。本文的結(jié)果和多數(shù)符合三相理論框架的元胞自動(dòng)機(jī)模型很相似，但在移動(dòng)同步流模式(MSP)上有區(qū)別。本文模擬出來(lái)的MSP既可以向上游傳播，也可以向下游傳播。它的方向取決于自由流和同步流的流量和密度大小。另外在本文的模擬

4、結(jié)果中，堵塞或瓶頸出流既可以是自由流，也可以是同步流，這和很多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是吻合的。這些有趣的特征都來(lái)自于全局基本圖上同步流分支的非單調(diào)性。
　　最后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)引入更多的參數(shù)可以讓模型特征發(fā)生根本性的變化，甚至是改變相變的屬性和交通相的數(shù)目，例如變回經(jīng)典的兩相模型。這個(gè)模型可以成為一個(gè)很好的同步流建?？蚣?，因?yàn)樗凶銐虻膹椥?使用者可以根據(jù)自己的具體需要，任意地調(diào)整模型特征。
　　第二部分是關(guān)于高速公路交通流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析。視頻

5、數(shù)據(jù)來(lái)自南京機(jī)場(chǎng)高速，是用Autoscope設(shè)備進(jìn)行分析處理的，可以提取出來(lái)微觀單車數(shù)據(jù)和宏觀的統(tǒng)計(jì)量。首先研究了常見(jiàn)的雙車道交通流，發(fā)現(xiàn)當(dāng)慢車以接近恒定的速度行駛時(shí)，形成了典型的移動(dòng)瓶頸。這種瓶頸會(huì)導(dǎo)致流量-密度平面上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，不再是通常觀察到的二維散布，而是幾乎落在一條直線上。這種準(zhǔn)線性分布體現(xiàn)出移動(dòng)瓶頸對(duì)交通流能起到均勻化和穩(wěn)定化的作用;這種作用的大小取決于瓶頸的強(qiáng)度和強(qiáng)度的穩(wěn)定程度，并且有一定的隨機(jī)性。另外，在一個(gè)20

6、12年的小型交通流實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)類似的情形，這意味著交通流的各向異性并非是產(chǎn)生準(zhǔn)線性分布的核心機(jī)理。真正的原因應(yīng)該是，在一定的速度和車頭間距范圍內(nèi)，車輛對(duì)小速度差并不敏感。所以當(dāng)車輛的速度改變不大時(shí)，車頭間距和瞬時(shí)的流率會(huì)發(fā)生較大的改變。
　　然后，由于缺乏精確的單車數(shù)據(jù)，關(guān)于堵塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何一直有爭(zhēng)議。通過(guò)分析機(jī)場(chǎng)高速某些嚴(yán)重?fù)矶聲r(shí)段的視頻，發(fā)現(xiàn)堵塞內(nèi)部的微觀數(shù)據(jù)（包括單車速度和車頭時(shí)距）都是不均勻不穩(wěn)定的。這意味著所謂

7、均勻堵塞交通(HCT)在現(xiàn)實(shí)中并不存在。然后本文通過(guò)分析一個(gè)2013年進(jìn)行的交通流實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)一步確認(rèn)了這一點(diǎn)。另外還發(fā)現(xiàn)，堵塞的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)隨著位置輕微地變化，這可能意味著小堵塞會(huì)逐漸匯聚成大堵塞，而大堵塞有時(shí)候也會(huì)分裂成小堵塞。
　　由于在2010年7月到9月間，南京機(jī)場(chǎng)高速每天有5-10公里的路段是封閉一條車道施工的，于是形成了難得一見(jiàn)的單車道公路，此時(shí)換道行為就不存在了?；跍y(cè)得的單車速度數(shù)據(jù)和車頭時(shí)距數(shù)據(jù)，可以研究純粹的

8、車輛跟馳行為。當(dāng)車隊(duì)的頭車速度大于70km/h時(shí)，突然的速度下降是有一定概率發(fā)生的。相反，當(dāng)頭車速度較慢時(shí)，這種速度下降就不會(huì)出現(xiàn)了。這一現(xiàn)象表明這種單車道上的交通擁堵應(yīng)該是典型的F→S一階相變，進(jìn)一步支持了Kemer的三相交通流理論假設(shè)。另外，在同步流傳播的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)同步流的瞬時(shí)流量既有可能比自由流高，也有可能比自由流低，這和本文模型中的模擬結(jié)果相吻合。
　　與此同時(shí)，也研究了單車道條件下的S→J—階相變，發(fā)現(xiàn)其中的交通現(xiàn)象和

9、多車道情形有很大的區(qū)別。在多車道條件下，當(dāng)速度很慢時(shí)，交通流總會(huì)變得不穩(wěn)定，并且產(chǎn)生堵塞;但在單車道條件下，很多司機(jī)會(huì)選擇更放松的駕駛方式。為了避免頻繁的加速和減速操作，他們會(huì)傾向于不緊跟前車。這種不緊跟的駕駛行為是可以理解的，因?yàn)榧幢丬囶^時(shí)距很大，也不可能在單車道上進(jìn)行超車。本文把這種現(xiàn)象稱為“平滑化效應(yīng)”，它使交通流變得更均勻，于是單車道交通流會(huì)比多車道更穩(wěn)定。這一發(fā)現(xiàn)意味著，當(dāng)交通較擁堵時(shí)，使用禁止超車的管理策略可以降低堵塞出現(xiàn)的

10、概率。另外，單車道條件下同步流數(shù)據(jù)點(diǎn)在流量-密度平面上的分布位置，往往位于多車道條件下數(shù)據(jù)點(diǎn)的左側(cè)和下方。所以從Kerner的三相交通流理論假設(shè)來(lái)說(shuō)，它們確實(shí)更難以發(fā)生相變。
　　第三部分是關(guān)于城市道路交叉口的交通流模擬。一方面本文研究了無(wú)信號(hào)控制的T型交叉口，使用的元胞自動(dòng)機(jī)模型是在經(jīng)典的NS模型基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。在模擬中令車輛沿1/4圓弧運(yùn)動(dòng)，細(xì)化了車輛避讓條件，同時(shí)考慮到了交叉口的幾何尺寸影響。接下來(lái)主要研究了交叉口的狀態(tài)相

11、圖，以及各個(gè)進(jìn)口道的通行能力。另外還使用OpenGL框架創(chuàng)造了三維的仿真動(dòng)畫，這樣可以呈現(xiàn)出更真實(shí)、界面更友好的模擬效果。
　　另一方面本文也研究了信號(hào)控制的十字交叉口。當(dāng)交叉口不存在左轉(zhuǎn)專用道時(shí)，信號(hào)燈也只能使用經(jīng)典的兩相相位配置。此時(shí)直行車輛和左轉(zhuǎn)車輛就需要共用車道，它們之間的沖突就需要重點(diǎn)分析。這里使用的基本模擬方法和前文所述的無(wú)信號(hào)控制交叉口相同，但是將元胞自動(dòng)機(jī)模型替換成了第二章中具體討論過(guò)的新模型。主要研究了左車道車輛

12、的平均行程時(shí)間，以及相應(yīng)的分布;同時(shí)也展示了進(jìn)口道通行能力圖和交叉口狀態(tài)相圖，發(fā)現(xiàn)它們的特征主要取決于進(jìn)口道流量和左轉(zhuǎn)車輛比例。另外還發(fā)現(xiàn)，信號(hào)控制方案中的最小綠燈時(shí)間可以通過(guò)尋找平均行程時(shí)間的臨界值來(lái)確定。
　　總而言之，雖然本文在元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型模擬、高速公路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析和城市道路交叉口模擬等幾方面取得了一些進(jìn)展，但未來(lái)還有很多工作需要開展。其中包括更好的交通流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集方式、更好的交通流數(shù)據(jù)分析處理方法、更好的交通流實(shí)