曼哈顿型城市道路网络路径选择和自适应交通灯的影响.doc

： 中国科 学 技 术大学 学 位 论文 授 权 使用 声 明导导师签名师虢题：趟签字日 期： 及 完 善 现 实交通网 络。 ： 车 辆 在面 临 路 径 选 择时 ，选 择即 将驶 入 的 路 段中平 均 速 度 比较 大的那一 条 驶 入 。 在该 方法 下，车 辆 密 度 分布呈 现 出 风车 形状 ，峰 值位 于 网 络对角线 上 。 不 同 方向 行驶 的 车 辆 分布在不 同 的 角落 中，每 个 路 口 一 般 只有两个方向 的 来流 比较 大，形成 相 互竞 争 ，一 定 程度 上 减 轻 了 路 口 负担 。 只是 改 变系统 中车 辆 的 分布，对 平 均 速 度 和 平 均 流 量 的 影 响 可以 忽略。 而 且执行时 需 要 进 行额 外 的 观 测和 统 计 道路 上 车 辆 信息，并把 这 些 信息传递 给道路 匕 的 头 车 。 交通灯 周 期 合 低 扯越煌 浦 芷 赥 的 变化相 当敏感 ，体现 在网 络运 行可靠性 孀 胖芷 诒涠 牟 煌 慕 煌 浦 芷 赥 能 够 显 著影 响 平 均 速 度 甌 ， 琣 ， ： 瑃 甋 ， 瑃 琣 痶 ， 琣 模 拟结 果 及 分析 蔡 痰剖 奔銽 对 系统 的 影 响 芷 赥 对 系统 的 影 响 本 章小 结 第 一 章绪论济 发 展，影 响 人们 的 工作 生 活 ，成 为 全世界面 临 的 难 题 。 在中国，城 镇 化和 汽 车普及 双双加速 ，各 大城 市中道路 交通网 络不 堪重 负，交通安全、堵 塞 及 环 境 污 染成 为 困 扰 我 国道路 交通领 域 的 三 大难 题 。 据 有关 统 计 显 示，我 国城 市人均 道路 面 的 水 平 ： 与 此同 时 ，城 市中机 动 车 保 有量大幅 增 加了 上 下班时 间 ，人们 在通往 工作 的 路 上 花 费 了 大量 时 间 ，使得 工作 的 时 间 减 少，一 定 程度 上 影 响 了 堵 塞 区域 经济 发 展。 此外 ，排 队过 程中车 辆 不 会熄 火 ，引 擎 继续 运 转 ，不 断 地耗 费 着 燃料 。 车 辆 在排 队行进 过 程中，不断 地加速 ，刹车 ，进 一 步加剧 了 燃料 的 耗费 。 这 样浪费 了 能 源，也造 成 了 空 气污染。 了 万 元。 复杂网 络环 境 、生 态 等大量 的 学 科 和 领 域 。 在复杂网 络的 研 究 过 程中，人们 从 微观 角度 出发 ，观 察 个 体之 间 的 相 互作 用 是 怎 样影 响 系统 的 宏 观 表现 。 这 种 研 究 方式 把 系统看 作 一 个 整 体，很 好 的 避免 了 传统还原 论方法 的 限制，并成 功 的 预 言 并复现 了 复杂系统 表现 出 来的 复杂而 丰 富的 整 体行为 。 也使得 以 网 络方式 研 究 复杂系统 成 为大家 关 注的 焦点。当我 们 研 究 显 示生 活 中的 某 个 网 络，如 通信网 络，社 交网 络以 及 交通网 络等时 ，通常 把 网 络中的 个 体 缃煌 缰 械 穆 房 冢 嫡 镜 抽象 为 一 个 个 节点，将个 体与 个 体间 错 综 复杂的 联系 缌 恿礁 雎 房 诘牡 缆 抽象 为 网 络 连 边，这样就 可以 将复杂网 络归 结 为 由数目庞 大的 网 络节点以 及 沟通节点的 连 边共 同 构成 的 网 络结 构。 ：也称 为 聚 集系数，用 以 表征 网 络中任意三 个 节点 ： 6塾 第 一 章绪论数的 平均 值 。沙 堆 斜 率 的 波 动 就 是 一 个 简 单 的 自 组 织 临 界现 象 。 沙 漠 中，在风的 作 用 下，沙 丘 千姿 百态 ，连 绵 不 断 ，然而 每 个 沙 堆 的 斜 率 却基 本 上 是 相 同 的 。 原 因 在于 当沙 堆 表面 的 斜 率 过 大时 ，沙 堆 顶 部的 沙 粒支持力 不 足 ，会向 下滑 落 。 而 如 果 沙 堆的 斜 率 很 小 ，则 在风的 作 用 下，沙 粒会向 上 滚动 ，不 断 积 累在沙 堆 顶 部。 所 以 ，存 在一 个 稳 定 阂 值，当 沙 堆 的 斜 率 小 于 该 阈 值时 ，沙 粒运 动 无 序 ，不 会出 现 宏 观的 流 动 现 象 。 反 之 ，当 沙 堆 的 斜 率 大于 该 阈 值时 ，沙 堆 的 机 构不 稳 ，会出 现 明显的 宏 观 流 动 ，表明有序 运 动 。 系统 会自 己 组 织 该 阈 值，使得 该 阈 值所 对 应的 状 态是 稳 定 的 。 当有微小 扰 动 使系统 偏 离这 个 状 态 ，则 偏 离会自 动 地逐 渐 消失 ，所 以该 现 象 被 称 为 “自 组 织 临 界现 象 ”。 更新 规 则 如 下： 涸 硕 琗 聏 ； 车 辆 对 速 度 做 出 调 整 后向 前 行驶 。一。一一灞鬻 ，简 称 是 一 种 高效 的 路 线的 选 择。 种 各 样的 自 适应交通灯 ，并在单 个 路 口 以 及 道路 网 络中对 这 些 模 型 进 行测试 。络，研 究 发 现 两个 因 素 决 定 其性能 ： 交通网 络的 结 构特 点以 及 车 辆 的 路 径 选 择方 型 的 基 本 特 征 ，并通过 模 拟研 究 三 种 不 同 的 路 径 选 择策略对 系统 各 项 指 标 如 车 流量 ，平 均 速 度 ，网 络运 行可靠 性以 及 系统 中车 辆 密 度 分布的 影 响 。 道路 网 络中的车 辆 可以 被 抽象 为 一 个 个 自 驱 动 粒子，所 以 整 个 网 络与 其中的 所 有车 辆 的 演 化过程可以 视作 复杂网 络中的 自 组 织 临 界现 象 ，而 不 同 的 驱 动 规 则 可以 演 化出 很 多 不同 的 结 果 。 另一 方面 ，我 们 将智能 交通系统 的 思想应用 到道路 网 络中，根 据 道路上 车 辆 信息传播 范 围 的 不 同 而 对 应发 展出 不 同 的 路 径 选 择方案，这 也与 现 实生 活中交通实际相 符合 。 通过 大量 数值模 拟，指 出 各 选 路 方案的 优缺点以 及 适用 范 围 。模 拟结 果 显 示，当 车 辆 在路 口 面 临 路 径 选 择时 ，对 当前 位 置 与 目的 地之 间 的 道路车 辆 信息了 解 越多 ，整 个 行驶 过 程就 会越顺畅，系统 的 整 体稳 定 性也就 越高。 缺点在于 更 多 的 信息就 要 求更 多 、更 复杂的 道路 车 辆 信息采 集系统 ，大量 的 信息同时 也带来的 庞 大的 计 算量 ，对 计 算方法 以 及 设 备提出 更 高的 要 求。第 三 章主 要 研 究 自 适应交通灯 对 道路 网 络的 影 响 。 在本 章中我 们 提出 了 自 适 影 响 显 著，合 适的 交通灯 周 期能 够 使系统 维 持较 长 时 间 稳 定 。第 四 章，对 本 文 研 究 内 容 进 行总 结 ，概括本 文 中主 要 创 新 点，并对 未来城 市道路 网 络的 研 究 进 行展望。 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络 中路 径 选 择的 研 究：她畁； 璢 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中路 径 选 择的 研 究 杭 铀 伲海 耺 雗 ； 杭 跛 伲海 籱 ， ； 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中路 径 选 择的 研 究 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中路 径 选 择的 研 究 辆 向 网 络中心 聚 集的 状 况 得 到了 抑 制，因 此在车 辆 密 度 分布图 中，中心 密 度 峰 值 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络 中路 径 选 择的 研 究图 交通灯 周 期 酝 缙骄 俣 鹊挠跋 臁贾 谐盗 久 芏萷 不 是 平 稳 进 行的 ，平 均 速 度 在下降 过 程中伴 随 着 波 动 。 热 薣 】 曾 在单个 路 口 模 型 中对 该 现 象 进 行了 模 拟研 究 ，发 现 当 交通灯 周 期 模 型 改 进 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络 中路 径 选 择的 研 究因 此，在本 章的 模 型 中，对 边界上 路 口 交通信号灯 的 变化做 了 特 殊 处理 ，安号灯 周 期内 会亮起一 次 绿 灯 ，与 网 络中同 方向 绿 灯 一 同 亮起；分别 与 网 络中该 方向 以 及 相 反 方向 绿 灯 相 对 应。 等人从 一 些 真实的 城 市道路 网 络数据 出 发 ，发 现 局 部个 体决 策的 优化可以 提升 整 体系统 的 性能 。 等人通过 采 用 单 道 ，将道路 上 的 车 辆 平 均速 度 信息反 馈给车 辆 ，帮助车 辆 在路 口 面 临 选 择时 选 择出 更 优 的 路 线。 结 果 显 示系统 的 稳 定 性有了 大幅 的 提升 。 本 章将在改 进 的 模 型 上 继续 采 用 ，并对 其做 出 进 一 步的 拓 展。 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中路 径 选 择的 研 究量 的 计 算。 因 为 整 个 网 络模 型 是 方形的 ，所 以 最短 路 线数目 尽 与 源点和 目的地之 间 的 距离 越窍呱 戏礁 袷 氏殖雒 葜 甘 叵担 碞 。 当道路 网 络系统 比较 大时 ，最短 路 线数目是 非 常 惊 人的 ，这 就 对 计 算过 程提出 了 很高的 要 求。 此外 ，则 由于 最短 路 线原 则 的 限制，如 果 车 辆 己 经处于 拥堵 之 中，则只能 等待拥堵 的 消散 而 无 法 绕开这 个 区域 。 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络 中路 径 选 择的 研 究均 速 度 将最终 降 为 零 。 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中路 径 选 择的 研 究平 均 速 度 降 到零 也就 意味 着 网 络中形成 了 全局 锁 死 。 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中路 径 选 择的 研 究络中的 分布有关 。 更 为 合 理 的 车 辆 分布能 够 推迟 饱 和 状 态 的 出 现 。图 显 示了 在三 种 不 同 的 选 路 方案下平 均 速度 随 着 车 辆 密 度 变化的 关系。每 个 方案仍 然对 应边界路 口 交通灯 修 改 前 后两条 曲 线。 从 图 中可以 看 出 ，边界路口 交通灯 规 则 的 改 进 对 平 均 速 度 基 本 上 没 有造 成 什么影 响 。 这 是 由于 平 均 流 量 和平 均 速 度 的 统 计 方法 不 同 ，因 而 相 比于 整 个 网 络中所 有车 辆 ，边界道路 上 这 一 小部分车 辆 速 度 的 优 化并不 明显 。类似于 图 ，我 们 从 图 中能 够 得 到很 多 相 同 的 结 论，不 在赘述。 此外 ，无 论是 自 由流 状 态 还是 饱 和 状 态 下， 都要 略优 于 随 机 选 路 方案。 在饱 和状 态 中， 所 对 应的 平 均 速 度 比 要 有较 大幅 度 的 提升 。 这 说明车辆 了 解 到的 道路 网 络信息越多 ，范 围 越大，就 越是 能够 选 出 合 理 的 路 线，有效 地避免 了 道路 网 络中拥堵 的 出 现 ，提高了 网 络运 行可靠 性。 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中路 径 选 择的 研 究图 三 种 不 同 选 路 方案下系统 平均 流 量 与 车 辆 密 度 关系图 。图 三 种 不 同 选 路 方案下系统 平均 速度 与 车 辆 密 度 关系图 。烹攀 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中路 径 选 择的 研 究瑚瀵瓣簟。琲熬蘩图 不 同 选 路 策略下几 个 典 型 的 车 辆 密 度 分布图 。 各 图 中选 路 方法 ： 随 机 选 路 方法 ： 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中路 径 选 择的 研 究 本 章小 结 第 二 章曼哈 顿 城 市道路 网 络 中路 径 选 择的 研 究辆 来流 都很 大，道路 上 车 辆 队伍很 长 ，非 常 容 易 形成 拥堵 进 而 招 致 全局 锁 死 ；在应用 方面 ，随 机 选 路 方法 直观 简 便，车 辆 可以 自 行完 成 ，无 需 额 外 的 工作 ，适合 于 网 络中车 辆 密 度 比较 低 的 情 形。 需 要 额 外 的 观 测统 计 道路 上 车 辆信息，并把 这 些 信息传递 给道路 上 的 头 车 ，适用 于 中等车 辆 密 度 情 形。 在观 测统 计 道路 上 车 辆 信息的 基 础 上 ，还涉及 到大量 的 计 算，对 计 算能 力 以 及 算法 提出 了 较 高的 要 求，适合 于 前 两种 方法 不 能 胜任的 高密 度 情 形。 本 章工作 主 要 研 究 了 自 适应交通灯 策略对 道路 网 络系统 的 影 响 。 在本 章工作中，系统 在各 路 口 采 用 自 适应交通信号灯 ，每 条 进 车 道分到的 绿 灯 时 间 和 道路 上车 辆 密 度 呈 指 数相 关 ，此外 还研 究 了 不 同 的 交通灯 周 期对 系统 的 影 响 。 我 们 发 现在自 适应交通灯 策略中，当 道路 上 车 辆 密 度 指 数倪 的 大小 介 于 一 个 指 定 区间 时 ，在基 本 不 影 响 平 均 速 度 和 平 均 流 量 的 前 提下，道路 网 络运 行可靠 性达 到最大。 另外 ，采 用 自 适应交通灯 后，道路 网 络对 交通灯 周 期非 常 敏感 ，不 同 的 交通灯 周 期能 够 极 大的 影 响 到系统 中稳 定 运 行时 间 长 短 。 自 适应交通灯 规 则在静 态 系统 中，交通信号灯 的 变化是 根 据 该 路 口 的 车 辆 信息所 预 先 设 定 好 的 。由于 采 用 的 是 经验 数据 ，导 致 静 态 交通信号灯 策略忽视了 当前 路 况 信息，所 以 当道路 上 出 现 突 发 事 件时 ，系统 无 法 做 出 相 应的 紧急 处理 。 因 而 在本 章中系统 采 用自 适应交通的 策略，以 确 保 路 口 交通灯 能 够 根 据 路 况 做 出 及 时 地调 整 ，真正开发出 道路 网 络容 量 潜力 。为 确 保 各 个 方向 通行的 道路 绿 灯 时 间 大致 同 步，网 络中所 有路 口 的 交通灯 周绿 灯 时 间 。 认 嗤 痰剖 奔銽 。 和 各 条 进 车 道上 的 车 辆 密 度 相关 ，服从 一 下规 律： ， 则 欢 杂诒呓 缟 系穆 房 冢琺 ； 对 于 角落 上 的 四 个 路 口， 甈 。 甶流 密 度 线性相 关 。 则 每 条 进 车 道总 的 绿 灯 时 间 为 ： 数值模 拟结 果 分析 进 车 道上 实时 车 辆 密 度 ，对 应的 网 络就 越是 稳 定 。图 中对 比了 在相 同 的 自 适应交通灯 规 则 下， 和 两种 选适应交通灯 对 系统 的 优 化程度 。 第 三 章曼哈 顿 城 市道路 酬 络中自 适应交通灯 的 研 究薏豢。 第 三 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中自 适应交通灯 的 研 究知道在随 机 选 路 方法 中，随 着 车 辆 密 度 的 增 加，道路 网 络中的 车 辆 会向 网 络中心集中，很 容 易 就 会形成 全局 锁 死 。 而 采 用 自 适应交通灯 策略后，在造 成 车 辆 一 定为 了 验 证 这 一 结 论，我 们 对 各 个 车 辆 密 度 在不 同 的 静 态 绿 灯 时 间 。 。 下，网 络中车 辆 密 度 的 峰 值进 行统 计 ，结 果 如 图 所 示。 从 图 中我 们 可以 看 出 ，在密 度 较 低 ，系统 处于 自 由流 状 态 时 ，各 条 曲 线相 互重 合 。 系统 从 自 由流 转 向 饱 和状 态 时 ，网 络中车 辆 分布的 密 度 峰 值会出 现 激增 ，而 自 适应交通灯 主 要 作 用 于 系统的 饱 和 阶 段。 第 三 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中自 适应交通灯 的 研 究仍 然以 本 章开始 时 在 中举得 例子进 行讨论。 己 知路 口由四 条 进 车 道组 成 ， 了 一 僭 痢 一 因 为 交通灯 时 间 步长 只能 是 整 数，所 以 将所 有的 小 数部分截 取下来，然后随机 的 加到某 一 个 方向 的 绿 灯 时 间 中，这 样能 够 将误 差 分散 到各 个 方向 中，避免 了 由于 总 的 交通灯 周 期固 定 ，因 此低 密 度 方向 绿 灯 时 间 被 压 缩。 第 三 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中自 适应交通灯 的 研 究可知对 系统 的 影 响 并不 大。 当 绦 龃 笫保 琋 开始 下降 ，并随 着 口 的 增 大降幅 也越来越大。 值得 注意的 是 ，当 口 保 珹 椒 峦 缭 诵锌煽啃 訬 要 优 于 方法 。 而 当 保 珹 椒 峦 缭 诵锌煽啃 訬 不 仅在数值上 要 低 于 方法 下对 应值，并且 其下降 幅 度 也更 大，这 在本 文 中还是 第 一 次 出 现 。 由此可知 方法 适用 于 变 量 仅 比较 低 的 情 况 ，而 降为 代 价的 。平 均 速 度 的 差 距也越来越小 。图 不 同 选 路 策略下平 均 速 度 随 变量 口 的 变化图 。 第 三 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中自 适应交通灯 的 研 究 和 方法 下变 量 口 与 网 络 运 行可靠 性关 系峨 舅 。雾 躵。 豢 。 番 薅 羹 ； 鳞 麓 縤 篱 诲 鳌 襥霉篱 霆燮鬻囊鬻。 或 椤 ：。 彭 糍 埽 弧磅 憾 緅 ，篝 汹 舞 攀蠖镬 臻 擎 鬻嚣 囊 鞠麟 攀囊 鹱 黧麟 瀵 鬻雾 蘩 蒺 麟 辫 鐾 鍪 辫 鬻嚣 辫燮戆鬻豢篓 嚣：萄 鬻鬻；誊 瓣 妻鬻雾 雾 黼 是 稳 定 性比较 好 的 交通灯 周 期。 第 三 章曼哈 顿 城 市道路 网 络中自 适应交通灯 的 研 究一 作 用 有助于 提升 道路 系统 稳 定 性。 淞 磕 吣 芄桓