基于元胞自動機模型的交通系統(tǒng)微觀建模與特性研究.pdf

1、交通擁堵是大中城市發(fā)展過程中不可回避的一個現(xiàn)實問題。其不僅造成人們出行不便,而且還帶來了交通事故頻繁、空氣污染嚴重等一系列的社會問題。交通問題嚴重制約著一個城市的健康發(fā)展。國內(nèi)外交通發(fā)展的實踐經(jīng)驗和教訓證明,解決城市交通問題,必須在先進交通理論指導(dǎo)下,進行交通規(guī)劃、控制和管理,充分有效的利用現(xiàn)有的交通資源,挖掘現(xiàn)有交通設(shè)施的潛力?，F(xiàn)代交通流理論就是在這種背景下發(fā)展起來的。上世紀90年代以來,元胞自動機交通流模型異軍突起,以其規(guī)則簡單、易

2、于擴展以及計算效率高等特性越來越受到交通學者和工程師的青睞。本文主要是針對我國交通流的特點,綜合考慮駕駛員行為、交通瓶頸等因素,采用元胞自動機模型對交通流進行建模與模擬,研究交通流的復(fù)雜特性,從而為交通實踐提供科學的理論依據(jù)。本文主要工作如下:
　　 1.采用實際觀測的車輛軌跡數(shù)據(jù),對車輛實際駕駛行為進行分析,從而驗證現(xiàn)有元胞自動機模型中演化規(guī)則是否與實測駕駛行為一致。結(jié)果顯示:1)VDR模型、CD模型、KKW模型等采用的慢啟動

3、規(guī)則與實測駕駛行為一致;2)MCD模型中采用的慢啟動行為的假設(shè)與實測駕駛行為不一致;3)實際交通中確實存在速度調(diào)整行為,KKW模型中對駕駛行為的假設(shè)是正確的。
　　 2.提出了考慮車輛謹慎駕駛行為的單車道元胞自動機交通流模型和考慮激進換道行為的雙車道元胞自動機交通流模型。
　　 ·在NaSch模型中引入提前減速的規(guī)則,也就是在減速步將當前時刻的車輛間距替換為一個估計的車輛間距,以描述車輛謹慎駕駛行為。如果估計車輛間距時存

4、在時間延遲,那么當慢化概率比較小時,在中間密度區(qū)域,道路上呈現(xiàn)出同步流的交通狀態(tài);如果估計車輛間距時存在期望作用,那么改進模型的車流演化特性基本與NaSch模型一致,但是嚴重交通事故發(fā)生的概率降低了。
　　 ·將快車的理性激進換道行為引入到雙車道元胞自動機模型中,如果快車被前方的慢車阻擋,其目標車道上的后車間距大于等于兩個元胞就以較大概率換道,其他情況下按照正常的換道規(guī)則以較小概率換道。引入理性激進換道行為之后,可以有效避免雙車

5、道中塞子的形成,從而提高中間密度區(qū)域雙車道系統(tǒng)的流量,同時降低了快慢車換道的頻率,以及乒乓換道發(fā)生的次數(shù)。
　　 3.對現(xiàn)有入匝道系統(tǒng)兩種常用建模方法——虛擬匝道模型和加速道模型,進行模擬分析,詳細論述了這兩種模型的差異和優(yōu)缺點,最后融合兩種模型中與實測入匝道系統(tǒng)交通特征相一致的部分,也就是將虛擬匝道模型中給定插入車輛初始速度這一規(guī)則引入到加速道模型中,將換道車輛的速度設(shè)置為前車的速度,提出改進的加速道模型。還模擬分析了車輛加速

6、度和換道行為對入匝道系統(tǒng)的影響,結(jié)果顯示,隨著車輛加速度的減小,匝道流量顯著減小,匝道上游主路的流量略微增加,系統(tǒng)通行能力降低。而隨著車輛換道行為越來越謹慎,匝道流量略微減小,匝道上游主路的流量顯著增加,而系統(tǒng)通行能力升高。在實際交通中,車輛的加速性能確實存在差異,有些車輛加速度過小,而且有些車輛確實存在激進的換道行為,因此匝道系統(tǒng)的通行能力降低與過小的加速度和激進換道行為是相關(guān)的。
　　 4.對典型的A類交織區(qū)系統(tǒng)采用元胞自動

7、機模型進行模擬研究,分析了車流演化特性,以及交織區(qū)長度、交織車輛比例和換道行為對通行能力的影響。交織區(qū)系統(tǒng)的總流量隨著交織車輛的增多而減小。如果兩種交織車輛的數(shù)目基本一致,那么會減輕車輛交織對主路車輛的影響。在主路近似飽和又存在一定量駛出車輛的情況下,系統(tǒng)總流量隨著入匝道進車概率的增大先增加后減少:在主路近似飽和又存在一定量駛?cè)胲囕v的情況下,系統(tǒng)總流量隨著出車比例的增大先增加后減少。如果出車比例較大,導(dǎo)致駛出車輛不能及時進入輔路而在主路

8、上排隊,就會對主路車流造成嚴重影響。此時導(dǎo)致通行能力降低的程度甚于入匝道造成的通行能力降低的程度。模擬結(jié)果還顯示為了減輕車輛交織對主路車流的影響,交織區(qū)的長度要大于150米。
　　 5.建立了描述無信號T型交叉口車流演化特性的元胞自動機模型,分析了系統(tǒng)中左轉(zhuǎn)車輛的影響,不同避碰規(guī)則對通行能力的影響。交叉口上游主路上兩個車道為車道A和B,支路上車道為車道C和D,車道B靠近支路。車道C上的左轉(zhuǎn)車輛對車道B的影響要比對車道A的影響嚴重