道路交通流元胞自動機模型研究.pdf

1、交通流理論的研究對現(xiàn)實生活非常重要。它吸引了各個不同領(lǐng)域的學者的關(guān)注，從而逐漸發(fā)展成了一門自然科學和工程技術(shù)相結(jié)合的交叉學科。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機模型因為簡便易用、運算速度快等優(yōu)勢，得到了越來越廣泛的應用。這會在文中重點闡述，包括在高速公路和城市交叉口模擬的應用。另外對于交通流理論的發(fā)展而言，實測數(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)于元胞自動機模型的

2、建模分析。首先提出了一個新的元胞自動機模型，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。因此本文認為虛擬速度效應可能是這一相變的核心機理。
　　接著通過引入一些新參數(shù)，同時將期望減速度AD拆成了兩個參數(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），自由流分支會縮小，然后F→S相變會逐漸從一階的轉(zhuǎn)化為連續(xù)的。
　　然后研究了這個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機模型很相似，但在移動同步流模式(MSP)上有區(qū)別。本文模擬出來的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，這和很多實測數(shù)據(jù)是吻合的。這些有趣的特征都來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。這個模型可以成為一個很好的同步流建模框架，因為它有足夠的彈性;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測數(shù)據(jù)分析。視頻

5、數(shù)據(jù)來自南京機場高速，是用Autoscope設備進行分析處理的，可以提取出來微觀單車數(shù)據(jù)和宏觀的統(tǒng)計量。首先研究了常見的雙車道交通流，發(fā)現(xiàn)當慢車以接近恒定的速度行駛時，形成了典型的移動瓶頸。這種瓶頸會導致流量-密度平面上的統(tǒng)計數(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。這種準線性分布體現(xiàn)出移動瓶頸對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度和強度的穩(wěn)定程度，并且有一定的隨機性。另外，在一個20

6、12年的小型交通流實驗中發(fā)現(xiàn)了和實測數(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)生準線性分布的核心機理。真正的原因應該是，在一定的速度和車頭間距范圍內(nèi)，車輛對小速度差并不敏感。所以當車輛的速度改變不大時，車頭間距和瞬時的流率會發(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)如何一直有爭議。通過分析機場高速某些嚴重擁堵時段的視頻，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)實中并不存在。然后本文通過分析一個2013年進行的交通流實驗的結(jié)果，進一步確認了這一點。另外還發(fā)現(xiàn)，堵塞的微觀結(jié)構(gòu)會隨著位置輕微地變化，這可能意味著小堵塞會逐漸匯聚成大堵塞，而大堵塞有時候也會分裂成小堵塞。
　　由于在2010年7月到9月間，南京機場高速每天有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的單車道公路，此時換道行為就不存在了?；跍y得的單車速度數(shù)據(jù)和車頭時距數(shù)據(jù)，可以研究純粹的

8、車輛跟馳行為。當車隊的頭車速度大于70km/h時，突然的速度下降是有一定概率發(fā)生的。相反，當頭車速度較慢時，這種速度下降就不會出現(xiàn)了。這一現(xiàn)象表明這種單車道上的交通擁堵應該是典型的F→S一階相變，進一步支持了Kemer的三相交通流理論假設。另外，在同步流傳播的過程中，發(fā)現(xiàn)同步流的瞬時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，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，當速度很慢時，交通流總會變得不穩(wěn)定，并且產(chǎn)生堵塞;但在單車道條件下，很多司機會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，因為即便車頭時距很大，也不可能在單車道上進行超車。本文把這種現(xiàn)象稱為“平滑化效應”，它使交通流變得更均勻，于是單車道交通流會比多車道更穩(wěn)定。這一發(fā)現(xiàn)意味著，當交通較擁堵時，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)點的左側(cè)和下方。所以從Kerner的三相交通流理論假設來說，它們確實更難以發(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信號控制的T型交叉口，使用的元胞自動機模型是在經(jīng)典的NS模型基礎上改進得到的。在模擬中令車輛沿1/4圓弧運動，細化了車輛避讓條件，同時考慮到了交叉口的幾何尺寸影響。接下來主要研究了交叉口的狀態(tài)相

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

12、的平均行程時間，以及相應的分布;同時也展示了進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口道流量和左轉(zhuǎn)車輛比例。另外還發(fā)現(xiàn)，信號控制方案中的最小綠燈時間可以通過尋找平均行程時間的臨界值來確定。
　　總而言之，雖然本文在元胞自動機交通流模型模擬、高速公路實測數(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展，但未來還有很多工作需要開展。其中包括更好的交通流實測數(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