交通流復雜動態(tài)特性的元胞自動機模型研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，人們對交通的需求不斷增長，因此，交通問題日益成為影響人們生活、制約經(jīng)濟發(fā)展的一個的關鍵性問題。如何充分利用現(xiàn)有的交通設施，有計劃地開發(fā)有限的交通資源；如何以科學的理論來管理、指導以及控制交通，以緩解迅速增長的交通需求，就成為現(xiàn)代經(jīng)濟社會中一個突出的問題。于是，交通流理論研究做為當今社會對經(jīng)濟需求的一個方面而隨之產(chǎn)生。交通流理論研究作為二十世紀一門新興的交叉性學科，近年來已受到許多學科研究人員的關注，例如力學、非線性科學

2、、物理學、應用數(shù)學、系統(tǒng)科學、信息科學、交通工程學、統(tǒng)計學、計算機科學等等。交通流理論的研究目的是，利用現(xiàn)代科學知識正確地描述與實際相關的交通流特性，然后建立適當?shù)臄?shù)學模型，經(jīng)過數(shù)值模擬和理論分析，揭示交通流現(xiàn)象的本質(zhì)特征，為實際的交通規(guī)劃以及交通管理提供可靠的科學理論依據(jù)。
　　 本文作者在充分調(diào)查了交通流理論在國內(nèi)外的發(fā)展情況以后，根據(jù)實際的交通狀況，提出了更符合現(xiàn)實交通的模型，并通過數(shù)值模擬和理論分析，研究了交通流中出現(xiàn)的

3、各種非線性現(xiàn)象，揭示了其物理本質(zhì)。本文的主要工作如下：
　　 提出了一個改進的雙通道交通流模型。由于原來雙通道交通模型存在兩個明顯的缺點：(1)在每一時間步，都會有一輛車到達系統(tǒng)的入口處；(2)當車輛不能駛?cè)氲缆窌r，人為地將車輛剔除出去。然而，在高速道路交通中，很少存在每一秒到達一輛車的情況，并且如果車輛不能進入系統(tǒng)，應該停下來等待機會再次進入。鑒于這些實際情況，在本文提出的改進模型中改進了原來雙通道模型的上述兩個缺點：(1)假

4、設在每一秒鐘，車輛以概率λ到達雙通道的入口處，其中λ是介于0到1之間的可調(diào)參數(shù)；(2)若在入口處車輛不能進入系統(tǒng)，則排隊等候，直到能進入所選路徑。
　　 在改進模型中，我們首先假設在其中的一條道路上存在限速瓶頸(例如，行人穿馬路、部分道路封閉施工等情況)。我們采用平均速度信息反饋策略對此模型進行了詳細的數(shù)值模擬和數(shù)學分析。模擬結(jié)果表明系統(tǒng)存在四種物理狀態(tài)：零態(tài)(zero state)、周期震蕩態(tài)(periodic oscilla

5、tion state)、交替態(tài)(alternation state)(即零態(tài)和周期震蕩態(tài)交替出現(xiàn))和等速度態(tài)(equal velocity state)(即系統(tǒng)中兩條道路上車輛的平均速度近似相等)。并且，我們得到了系統(tǒng)處于零態(tài)時車輛到達概率與動態(tài)車比例之間的數(shù)學關系式。
　　 緊接著上面的研究，我們進一步改進了雙通道模型：組成模型的兩條道路是不等長的，并且在較短路徑上存在限速瓶頸，我們稱這樣的由兩條不同道路組成的雙通道系統(tǒng)為非對

6、稱系統(tǒng)。相應地，由兩條完全相同的道路組成的系統(tǒng)稱為對稱系統(tǒng)。由于以前應用在對稱雙通道交通中的信息反饋策略不能直接應用于非對稱雙通道交通中，所以我們采用改進的平均速度反饋和改進的擁擠系數(shù)反饋研究非對稱雙通道系統(tǒng)。模擬結(jié)果表明，出行者平均出行時間與車輛到達概率λ有關，當λ較小時，采用改進的平均速度信息反饋策略能節(jié)省出行時間；當λ較大時，采用改進的擁擠系數(shù)信息反饋策略能節(jié)省出行時間。所以交通管理者要根據(jù)實際的交通情況指導交通，已達到高效的目的

7、。
　　 接著，針對對稱雙通道模型中采用行駛時間反饋策略出現(xiàn)的流量高幅震蕩以及非對稱雙通道交通模型中出現(xiàn)的周期震蕩態(tài)，我們調(diào)查了當部分動態(tài)車不遵守信息指示時的交通狀態(tài)，模擬發(fā)現(xiàn)，對稱系統(tǒng)及非對稱系統(tǒng)中存在的大幅度震蕩被壓制了。系統(tǒng)的通行能力增加了，這說明，在某些情況下(例如雙通道交通中進行路徑選擇時)司機太遵守規(guī)則反而達不到預想的效果。在這個改進模型中，我們首次研究了在何種情況下能降低雙通道交通系統(tǒng)中道路上流量的震蕩。
　

8、　 最后，我們提出了一種耦合演化博弈理論的一維交通流模型?？紤]到實際交通流是由車輛組成的，而車輛是由具有自主意識的司機來操控的，所以組成交通流的個體之間會存在一定的沖突，這種沖突可以用進化的博弈理論來描述。因此，我們將進化博弈理論引進一維交通流模型中。首先采用周期性邊界條件，研究了耦合進化博弈理論的單道交通模型。采用蒙特-卡羅方法對于單道交通模型進行模擬，結(jié)果顯示，當?shù)缆飞狭Ｗ用芏刃∮谂R界密度時，經(jīng)過短暫的暫態(tài)過程后，背叛者比例隨時間

9、呈指數(shù)衰減；當?shù)缆飞狭Ｗ用芏却笥谂R界密度時，經(jīng)過短暫的暫態(tài)過程后，背叛者比例不再隨時間變化，而是保持為一個常數(shù)。我們將本文模型得到的臨界行為與以前文獻中模型的臨界行為做了比較，初步解釋了造成兩種不同臨界行為的原因可能是由于系統(tǒng)經(jīng)歷的過程不同引起的。采用平均場理論，我們分析了系統(tǒng)中合作者比例隨時間的變化及系統(tǒng)中流量的變化。結(jié)果顯示，由于背叛者引入，系統(tǒng)中粒子的流動性降低了。這一模型可以用來描述行人交通或者生物交通(例如分子馬達的運動)。<