（交通信息工程及控制专业论文）基于元胞自动机的轨道交通流预测研究.pdf

中文摘要 摘要：本文运用元胞自动机模型的理论，针对轨道交通系统中交通流的复杂 现象进行研究。分析了轨道交通系统中的车辆跟驰，列车的追踪运行，列车延误 的传播等现象，并讨论了这些现象形成的原因和对这些现象产生影响的因素。列 车控制系统主要包括：固定闭塞系统和移动闭塞系统。目前铁路普遍采用的是固 定闭塞系统，但是移动闭塞系统可以有效的缩短列车在区间和车站运行的时间间 隔，提高轨道线路的通行能力，移动闭塞系统已成为列车信号控制系统的发展趋 势。 本文结合轨道交通系统和元胞自动机模型的特点，建立固定闭塞系统和移动 闭塞系统的元胞自动机模型，模拟轨道交通流，分析系统中的列车运行特性，讨 论了在四显示固定闭塞系统和移动闭塞系统中列车运行延迟的传播特性及影响传 播的因素。 主要内容为： 1 、根据元胞自动机和轨道交通的特点，建立了四显示固定自动闭塞系统元胞 自动机模型，并分析了模型中的时间与速度、位移之间的关系，验证了模型能较 真实的反映轨道交通系统中的列车运行特性。 2 、建立移动自动闭塞系统的元胞自动机模型，利用模型，通过考虑列车长度， 列车出站速度的方式，使模型与实际情况更接近，同时分析列车延迟对整个轨道 交通系统的影响。模拟结果表明，模型能模拟出轨道交通中的列车追踪运行和列 车延误传播的特性。 3 、比较固定自动闭塞系统和移动自动闭塞系统中的列车运行特性，如发车时 间间隔，列车运行速度，模拟结果验证了移动自动闭塞系统更能提高轨道交通系 统的运行效率。 关键词：元胞自动机；四显示固定自动闭塞系统；移动自动闭塞系统 j 匕京交道厶堂亟堂位论塞旦墨! b ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：i nt h i st h e s i s ，c e l l u l a ra u t o m a t at h e o r yi su s e dt os t u d ys o m ec o m p l e x p h e n o m e n ao fr a i lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m t h ep h e n o m e n ao fc a rf o l l o w i n g ，t r a i n f o l l o w i n g o p e r a t i o na n dd e l a yp r o p a g a t i o no f t r a i n si nr o a dt r a f f i ca n dr a i l w a yt r a f f i ca r e r e s e a r c h e d t h ei n h e r e n tl a wa n df o r m i n gm e c h a n i s mo ft h e s et r a f f i cp h e n o m e n aa r e d i s c u s s e d t r a i nc o n t r o ls y s t e mm a i n l yi n c l u d e s ：f i x e db l o c ks y s t e ma n dm o v i n gb l o c k s y s t e m a tp r e s e n t ，f i x e db l o c ks y s t e mi sg e n e r a l l yi nu s e ，b u tt h em o v i n g b l o c ks y s t e m c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ei n t e r v a lb e t w e e nt r a i n si nb l o c k sa n ds t a t i o n s ，a n di m p r o v e t h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fr a i lt r a f f i c m o v i n gb l o c ks y s t e mh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n t t r e n do ft r a i ns i g n a lc o n t r o ls y s t e m c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a i l t r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma n dc e l l u l a r a u t o m a t am o d e l ，m o v i n gb l o c ks y s t e ma n df i x e db l o c ks y s t e mo ft h ec e l l u l a ra u t o m a t a m o d e la r ee s t a b l i s h e dt os i m u l a t er a i lt r a f f i cf l o wa n da n a l y s i st h er a i lt r a f f i cf l o w f e a t u r e u s i n gt h e s em o d e l sw ei n v e s t i g a t ea n ds t u d yt h et r a i n sd e l a yp r o p a g a t i o na n d t h ea c t sw h i c hi n f l u e n c et h i sp r o p a g a t i o nu n d e rm o v i n gb l o c ks y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ef o l l o w e d ： 1 、a c c o r d i n gt ot h ec e l l u l a ra u t o m a t aa n dt h er a i lt r a n s p o r t a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e m o d e lo fc e l l u l a ra u t o m a t af o rf o u r - a s p e c ti se s t a b l i s h e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i m e a n ds p e e d ，s p a c eh a sb e e na n a l y z e d ，c o n f i r m e dt h em o d e lt ob ea b l et or e s p o n s et h e t r a i n sr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c si nt h er a i lt r a f f i cs y s t e mr e a l l y 2 、w eb u i l tc am o d e l sf o rm o v i n gs p a c eb l o c ks y s t e m u s i n gt h i sm o d e l ，b yt a k i n gi n t o a c c o u n to ft h el e n g t ho ft h et r a i n ，a n dd e f i n i n gt h es p e e do ft h et r a i ns t a r t i n g ，s ot h e m o d e li sm u c hl i k et h ea c t u a ls i t u a t i o n ，s t u d yt h ei m p a c to fd e l a y e dt r a i n st ot h ee n t i r e r a i lt r a f f i cs y s t e m s t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e lc a ns i m u l a t e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a i nt r a c ki nt r a n s p o r ta n dt r a c k i n go p e r a t i o no ft h et r a n s m i s s i o n d e l a y s 3 、m a k ec o m p a r i s o no ft h et r a i n sr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i c si nb o t hf i x e db l o c ks y s t e ma n d m o v i n gb l o c ks y s t e m ，f o re x a m p l e ，t i m eb e t w e e nt w os t a r t i n gt r a i n s ，t h ev e l o c i t yo f r u n n i n gt r a i n t h es i m u l a t i n gr e s u l tv a l i d a t e dt h a tt h em o v i n gb l o c ks y s t e mc a ni m p r o v e t h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h er a i lt r a f f i cs y s t e m k e y w o r d s ：c e l l u l a ra u t o m a t a ；f o u r - a s p e c tf i x e db l o c ks y s t e m ；m o v i n gb l o c k s y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 5 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孙劾箩导师签名：7 弘司 签字日期：劈年多月弓同 签字日期： d2 年6 月了e l 致谢 本论文的工作是在我的导师张三同老师的悉心指导下完成的，张三同老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 张三同老师对我的关心和指导。 张三同老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在我的科研和论文写作 中都给予了精心的指导。张三同老师渊博的学问和独特创新思路为我打开了科学 的大门，我在学习、科研中取得的进步和成果都离不丌张老师的悉心指导。同时， 张老师在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向张三同老师表示 衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，感谢实验室的同学对我论文中的各个方面的 工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 、l 匕。 1 引言 1 1 研究的背景 近年来，随着我国经济的迅速发展，人们的生产、生活水平都有前所未有的 提高，对交通基础设施的需求也有更高的要求，但是目前我国的交通基础设施建 设和日益增长的交通需求之间存在一定的差距，造成交通的拥堵问题日益严重， 交通事故的发生频率增加，交通问题成为社会普遍关注的大问题，尤其是在人口 密集的大中城市，这种问题尤为突出。而交通是否现代化，交通管理是否先进， 是一个国家现代化建设的重要标志【l 捌，交通问题得不到很好的解决，将严重影响、 阻碍着国家的现代化建设进程，妨碍人们生活质量的提高。 交通运输有多种方式，如道路交通、轨道交通、民航、水运等【5 】。我国由于资 源分布和地区发展的不平衡，尤其是改革开放以来，客、货运输的需求都在不断 增长【6 】。道路交通系统和轨道交通系统作为两种主要的陆上交通系统，承载着交通 运输系统中的大多数运输需求，并且，道路和轨道交通系统物理上相交，二者之 间存在相互影响。在城市，由于城市不断扩张等历史原因，轨道穿越城市中心与 道路平交。当有列车通过时，道路上的交通流形成排队现象，如果在高峰期还可 能造成这种排队向其它道路和路口蔓延，不仅引起道路网络通行能力下降，而且 会带来环境污染等一系列问题【7 】。 在人口密集的地区，尤其是在大城市，可提供给基础设施建设的空间是有限 的，而且单单靠增加交通基础设施建设并不能真正改变目前的交通问题，要解决 交通问题，除了要充分利用现有的交通资源外，更重要的是利用科学的交通流理 论来进行合理的规划。 1 2 交通流理论研究现状及其发展 交通流理论是一门交叉学科，涉及力学、应用数学、系统工程和交通工程学 等诸多学科，是交通工程学的基础理论【2 】，其研究目的是发现制约交通系统运行的 基本规律。其目标是在于改善交通流的质量，提高交通运输效率，确保交通运输 的安全性。它以理论分析与数值仿真模拟相结合的方法阐述交通现象及其机理， 从而使我们能更好地理解交通特性及其本质，并把这些知识用于交通实践，使道 路交通与轨道交通的设计与运营管理更具科学性，充分发挥交通“资源”的能效【5 】。 交通流理论在二十世纪三十年代才开始发展起来【3 】，最早采用的是概率论方 法，四十年代，由于受第二次世界大战的影响，交通流理论发展缓慢。五十年代 以来，汽车工业大发展，道路上行车数量几居增加，相继出现了跟驰理论、交通 波理论和车辆排队理论，交通流理论进入了一个快速发展时期，人们对交通系统 的运行规律逐渐有了较为清晰的了解，人们认识到，交通系统是复杂的系统，具 有明显的随机性、动态性和复杂性。七十年代，统计物理和非线性科学的进展， 特别是相变与临界现象、非平衡过程、自组织临界性、非线性动力学等理论的引 入，使交通流理论蓬勃发展；九十年代以来，元胞自动机、复杂网络等新理论的 提出，为交通流这一复杂系统的研究打开了新的思路【2 3 】。 交通流理论是研究交通流变化规律的方法体系，是一门边缘科学，它通过分 析的方法来阐述交通现象及其机理，探讨交通流各参数间的相互关系及其变化规 律，从而为交通规划、交通控制、道路设计以及智能运输系统提供理论依据和支 持【3 】。交通流理论作为交通运输各应用领域的理论支撑，是研究在一定环境下交通 流随时间和空间变化规律的模型和方法体系。研究内容涵盖了描述交通流现象的 各种理论思想、模型和方法。交通流理论的核心内容是描述各种交通流现象的模 型。模型有宏观与微观之分，研究一个路段或交叉口的模型称为微观模型，描述 整个道路网交通流的模型称为宏观模型；根据交通流状态模型还可以分为稳态流 模型和非稳态流模型；此外从模型形式上又分为数学模型和模拟模型【4 】。 随着科学的进步，特别是计算机技术的发展，交通流理论的内容也在不断更 新和充实。在传统交通流理论的基础上，出现了现代交通流理论。所谓的传统交 通流理论是指以数理统计和微积分等传统数学和物理方法为基础的交通流理论。 其明显的特点是交通流模型的限制条件比较苛刻，模型推导过程比较严谨，模型 的物理意义明确。而现代交通流理论是指以现代科学技术和方法，如模拟技术、 神经网络技术，不追求严格意义上的数学推导和明确的物理意义，而重视模型或 方法对真实交通流的拟合效果【8 】。 1 3 元胞自动机的发展与应用 元胞自动机 5 , 1 0 , 1 3 】( c e l l u l a ra u t o m a t a ，c a ) 是时间和空间都离散的、物理 参量只取有限数值集的物理系统的理想化模型，提供一个虚拟的微观世界，能够 在粗粒化程度上再现符合一般性规则的物理现象，其演化规则是局部的，对指定 的元胞的状态进行更新只需要知道其邻近元胞的状态。 元胞自动机最初由s t a n i s l a wm u l a m 与j o h nv o nn e u m a n n 于5 0 年代所提出， 在表现上，元胞自动机是一个离散型的动力系统( d i s c r e t ed y n a m i c a ls y s t e m s ) 。元 2 胞自动机是研究复杂系统行为的最初理论框架，也是人工智能的雏形。元胞自动 机真正得到广泛关注是在c o n w a y 于1 9 7 0 年提出生命竞争之后，由于这种简单的 模型，能十分方便的复制出复杂的现象，元胞自动机丌始被广泛应用于各个领域。 元胞自动机的出现将人们带进一个全新的世界，引发元胞自动机的研究热潮【2 7 1 。 当元胞自动机在计算机上仿真时，几乎可以复制出自然界里实际发生的动力 系统运作，这使得元胞自动机成为了研究复杂系统行为的最初理论框架，罗沙拉 摩斯的博士后研究员c h r i s t o p h e rl a n g t o n 因而提出了“人工生命( a r t i f i c i a ll i f e ) 这个名词，元胞自动机便是人工生命的第一个雏形，并且变成复杂性科学，或者 说是适应性复杂系统的其中一支。元胞自动机模型由于其规则的简单性、模拟的 高效性在仿真复杂性系统方面发挥越来越重要的作用，己被广泛地应用到各个方 面。元胞自动机在2 0 世纪5 0 年代还应用于图像处理中。1 9 7 0 年，数学家j o h n c o n w a y 提出了著名的生命游戏机的概念，根据v o nn e u m a n n 规则，生命游戏机是 一个具有计算通用性的元胞自动机。2 0 世纪8 0 年代初，s w o l f r a m 详细的研究了 一系列简单的一维元胞自动机规则，即当今著名的w o l f a m 规则，他注意带元胞自 动机是一个离散的动力系统，因而即使在非常简单的架构下，它亦显现出许多连 续系统中遇到的行为【l o 】。 把元胞自动机看作是简单的动力系统，元胞自动机虽然是由极其简单的演化 规则规定的，却能在较大程度上呈现出复杂的动力特性【l6 1 。在物理学中，物理参 量随时间的变化往往是由非线性偏微分方程支配的，由于非线性的特点，这些动 力系统的解法可能很复杂，尤其是这些方程的解可能对初始条件极为敏感，从而 引出所谓的混沌行为【l 】。类似的复杂情况可能发生在离散动力系统中，基于元胞自 动机的模型为研究动力系统行为提供了另一种可供选择的方法，由于元胞自动机 模型的简单性，潜在的比连续动力系统更便于分析。 1 4 论文的主要内容 交通系统是一个复杂的系统，交通流的演化是一个非线性的、离散的过程， 目前对交通流的模拟还没有形成统一的理论，没有哪一个理论可以证明自己比其 它模型更具有优越性。元胞自动机模型是由极简单的演化规则规定的，但是却能 在较大程度上显示出复杂的动力特性，因此被广泛应用与各种物理系统的模拟 5 , 1 3 , 1 6 】。其具有算法简单，节约内存，特别适合于大规模的计算机仿真等特点【6 1 ， 尤其是在道路交通及轨道交通的模拟中，该模型被广泛应用。本论文的主要内容 在于，通过建立轨道交通系统的元胞自动机模型，分析轨道交通系统的交通流特 性，针对轨道交通系统中车辆的跟驰，进出站时的速度特性列车延误的传播等问 题进行建模与仿真，通过模拟车辆延误，车辆停车时间的不同特性及增加车站时 的列车运行特性的分析研究，模拟出更接近实际的是轨道交通运行中存在的现象。 本文的主要内容： 第一章：作为绪论，介绍了交通流理论的研究现状及发展，并介绍了交通流 理论的发展及元胞自动机模型的发展应用。 第二章：研究分析了交通流模型的基本概念，特点及主要的交通流模型。同 时针对本研究的主要方向，轨道交通系统追踪模型的模拟，研究了轨道交通系统 的基本概念，介绍自动闭塞系统的基本控制原理。 第三章：首先介绍了元胞自动机模型的定义，接着分析介绍了元胞自动机模 型的原理，并详细介绍了基于一维元胞自动机模型的交通流仿真的研究，并对各 模型的特点原理进行详细的研究。 第四章：结合二，三章介绍的元胞自动机模型和轨道交通的基本知识，建立 基于元胞自动机模型的四显示固定自动闭塞系统轨道交通模型，并对其微观交通 特性进行分析，通过分析仿真特性并与实际道路中的列车特性相比较，验证模型 的真实性。 第五章：在第四章的移动自动闭塞系统的元胞自动机模型的基础上，建立移 动自动闭塞轨道交通模型，同时考虑了列车长度，列车出站时速度的变化，使模 型更加接近实际，对仿真结果进行进一步的分析，并同固定自动闭塞系统的元胞 自动机模型进行交通流特性的比较，证明了移动自动闭塞系统更能提高系统的运 行效率。 4 2 交通流模型及轨道交通系统 2 1 交通流理论 交通流理论是研究交通流随时间和空间变化规律的模型和方法体系，是交通 运输工程的基础理论支撑。多年来，交通流理论被广泛的应用于交通运输的众多 领域，如交通规划、交通管理与控制、道路与交通工程设施设计等【4 1 。交通流理 论为这些领域的研究基础。 2 1 1交通流的定义及特性 交通流理论是运用物理学和数学定律来描述交通特性的理论，是研究交通流 随时间和空间变化规律的模型和方法体系，应用数学的或物理的原理对交通流的 各参数及其之间的关系进行定性和定量的分析，以寻求道路交通流的变化规律， 从而为规划交通管理和道路设计及运政、路政管理提供理论依据【3 1 。 交通流的定性和定量特征，称为交通流特性。交通流特性包括交通量、速度 和密集度三个方面的特性。描述宏观交通流特性的是交通量、平均速度和密度； 描述微观交通流特性的是车头时距、地点车速和车头间距【3 1 。 交通量是指单位时间内，通过道路某一点或某一断面的时间交通参与者( 含 车辆、行人、自行车等) 的数量，又称交通流量或流量。 速度即车辆行驶路程与相应的时间的比值。是交通管理与控制中的一个重要 指标，它对交通规划、道路设计、车辆运行效率、交通管理与控制等均具有重要 意义。 密度就是在单位长度的路段上瞬间存在的车辆数，通常用每公里车辆数或每 车道每公里车辆数表示。交通密度是衡量道路交通拥挤程度的指标，根据定义， 密度不仅随时| 、日j 的变化而变动，也随测定区间的长度而变化，因此测量比较难， 但可以通过速度和交通量计算出来。 交通密度p 的表达式如下： 户：一g( 2 1 ) 矿 p 表示密度( 辆车道) ，q 表示交通流量( 辆j 、时) ，矿表示车辆在路段 内的平局速度( k 州小时。) 5 描述微观交通流特性的参数： 车头时距( t i m eh e a d w a y ) ：是指相邻车辆的车头经过同一地点的时间差。 地点车速( s p o ts p e e d ) 是指某辆车通过某一地点或路段的瞬时车速。地点 车速用于研究车速在某一地点或路段上的分布规律及发展趋势。 车头间距( d i s t a n c eh e a d w a y ) ：列车流中相邻两辆车车头之间的距离。 2 2 交通流模型分类 交通流的模拟理论可分为两个概念性框架体系，即“宏观”和“微观”。在 “宏观 层面上，交通流被视作由车流形成的一个整体，忽略个体行为，以车队 为研究对象，把车辆整体上看成一种可压缩的流体，独立的车辆并不作为研究对 象。在“微观”层面上，以单个车辆的行为作为研究对象，模拟个体车辆在道路 上的运动状态，最终由车辆群体的运动真实地再现路网中的交通流情况。“宏观” 和“微观 并不是相对立的，“宏观”描述的场景也可以通过“微观 粒子的相互 作用表现出来【3 1 。 目前，现代交通流理论中道路交通流最主要的三种交通流模型为：流体动力 学模型、车辆跟驰模型、元胞自动机模型。其中前者属于宏观模型，后两者属于 微观模型【引。 2 2 1 流体动力学模型 1 9 5 5 年，英国学者特希尔( l i g h t h i l l ) 和惠特汉( w h i t h a m ) 将交通流比拟为 流体流，在一条很长的公路隧道里，对密度很大的交通流的规律进行研究，提出 了流体动力学模拟理论【4 】。其主旨是将交通流比拟为一种流体，研究车流高密度 情况下交通流的规律。这种理论应用流体动力学的基本原理，模拟流体的连续性 方程，建立车流的连续性方程，将车流密度的变化比拟成流体的波动，从而将车 流抽象成车流波，比较准确地描述车流的拥挤消散过程。该理论自提出后，发展 较快，对宏观交通流的分析具有较高的理论价值。交通流与流体流的比较如表2 1 所示。 6 表2 1 交通流与流体流的比划4 】 t a b l e2 1 ：t h ec o m p a r i s o no ft r a f f i cf l o wa n dl i q u i df l o w 物理特性流体力学系统交通流系统 连续体单项不可压缩流体单车道不可压缩车流 离散元素分子车辆 变量质量m密度k 速度v车速u 压力p流量q 动量 m 1 ，砌 状态方程p = c m t q = k u a m lo ( m v ) ：o+ = i i u ) ：0 连续性方程 a敏a t魂 + = m ：o 一 d u + 后r 塑、1 2 丝：o 运动方程 d tmo x d t 、d k ) 敲 流体连续模拟理论是一种宏观的模型。他假定在车流中各单个车辆的行驶状 态与它前面的车辆完全一样，这是与实际不相符的。尽管如此，该理论在其“流” 的状态较为明显的场合，如分析瓶颈路段的车辆拥挤问题时，有独特的用途。 2 2 2 车辆跟驰模型 在道路上，当交通流的密度较大的时候，车辆间距较小，车队中任一辆车的 车速都受到前车速度的制约，驾驶员只能按照前车提供的信息采用相应的车速。 我们称这种状态为非自由运行状态。跟驰理论就是研究这种运行状态车辆的行驶 特性。 车辆跟驰模型认为交通中的车辆如同由离散的粒子所组成粒子之间有相互影 响的关系。车辆跟驰模型研究通过观察各个车辆的跟驰方式来了解单车道交通流 的特性。跟驰理论是运用动力学方法，研究在无法超车的单一车道上车辆列队行 驶时，后车跟随前车的行驶状态，即只研究非自由行驶状态下车队的行驶特性， 是微观交通流仿真研究的代表最早由派普斯( p i p e s ) 1 9 5 3 年提出【1 4 1 ，它主要采用 刺激反应模式，利用微分方程分析和阐明追随状态中发生的各种现象。 如图2 1 示，在时刻t 为确保两车不相撞，车头间距必须满足下列条件【3 】： 饬o ) = 吒o ) 一x n + l o ) = d i + d 2 + 三一以( 2 2 ) 7 玎+ 1聆 国j 白r n ： 二= i 、 o d ， 、 k + l ( f ) 一 箸n 辆车开始减速的位置 _ 7 v ，、 一 以 一 “n v ， 一一 r 刀+ l i 嬲o 。i ：一一 1i 睦；= j 【也一一 刀+ 1 i 一 一 以 一 4 一 三 图2 1 车辆跟踪示意酬3 j f i 9 2 is k e t c ho ft r a c k i n gv e h i c l e s 九( f ) 时刻t 的车头间距； x ( t ) 第n 辆车在时刻t 的位置； d l 第n + 1 辆车反应时间内行驶的距离； 以第n + 1 车从减速到停止行驶的距离； 破第n 辆车从减速到停止行驶的距离； 三停止状态的车头间距。 其表现形式为： 跟踪反应= 敏感度刺激因素 ( 2 3 ) 记速度为： “( f ) ：_ d x - ( t ) ：戈( f ) ( 2 4 ) d t 加速度为： ) = 华刊 ( 2 5 ) 设反应时间为r ，则后车驾驶员看到前车减速后，在反应时间内行驶的距离 为： d l = 玩+ i ( f + 丁)( 2 6 ) 两辆车从减速到停车所行驶的距离分别为： d 2 ：嬲：熙 ( 2 7 ) 2 a 。+ l o + 丁)2 艺+ l o + 丁) 、 7 以：蝶：黑 ( 2 8 ) 勉。( f )2 艺+ l ( f ) 、7 为： ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) z 一称为敏感度，表明驾驶员对刺激的敏感性程度，一般的线性跟车模型表示 艺+ 。o + r ) = a e k ( t ) 一屯+ 。( f ) 口敏感度系数 2 2 3 元胞自动机模型 ( 2 1 2 ) 元胞自动机模型，以一种自定义的规则模拟交通流【l o 】。在元胞自动机中，某 一时刻的一个元胞的状态只与前一时刻该元胞的状态以及前一时刻相邻的元胞的 状态有关，这些特性与交通系统中车辆的行驶特性有相似之处。 单车道模型【8 1 ，可以由一维的元胞自动机模型来进行模拟，将道路看作由一 系列元胞组成，元胞状态表示道路上某一位置的状态。在简单的单车道模型中， 元胞的状态只有1 和o 【8 】。有车，则该元胞的状态为1 ，无车则该元胞的状态为0 ， 复杂的单车道模型中，元胞自动机的状态还可以代表速度等，假设速度的最大值 v m a x ，则定义元胞的状态为k 。，+ 2 ，空格，表示无车，或有一辆速度为v 的车，其 中v ( o ，1 ，v m 。，) 0 3 1 。还可以更进一步的丰富元胞的状态来模拟交通流，例如通过 规则定义车不同时刻，进行加速、减速、转向操作等等，使模型的状态更接近实 际，更逼真的对交通流进行模拟，例如n s 模型，f i 模型等。 双车道模型，在实际交通系统中，道路由多条车道组成，道路上的车辆按一 定的规则既可以在本车道上行驶，也可以在条件许可的情况下进行换道。为了更 加真实的模拟实际交通，科学工作者引入了双车道模型。n a g a t a n i 首先利用一种 完全确定性的规则考察了。，= 1 的双车道系统，车辆在一个时间步内，要么换道 要么向前行驶。一般来说，双车道元胞自动机模型的更新过程中，一般是把每个 时间步划分为两个子时间步，在第一个子步内，车辆按照换道规则进行换道；第 二个子步内，两条车道上的车辆分别按照单车道的更新规则进行更新，这个子步 9 万一一 一2 删一一一 一 帆 忉 辅出得电 一 m 腓胁扮 q 柳 馓 从 沪 砖沪槲私 用到了第一个子步的结果【8 1 。图2 2 所示为基本的双车道模型。 车道 车道 车道 车道 某时刻t 图2 2 双车道模型8 】 f i 9 2 2m o d e lo f t w o l a n e 交通流模型可以划分为道路交通流模型和轨道交通流模型，本文主要针对轨 道交通系统的交通模型进行仿真，对轨道交通中的列车运行特性进行研究。下面 介绍轨道交通的相关原理。 2 3 轨道交通系统 轨道交通系统包括干线铁路系统，城市地铁和轻轨系统等。在一个城市的交 通系统中，在一个区域的综合交通系统中，轨道交通系统都发挥着重要的骨干作 用【l9 1 。轨道无论是轮轨列车，还是磁悬浮列车，无论是城市地铁轻轨铁路还是干 线铁路，轨道交通作为一种社会可持续发展的陆上交通工具，已经得到普遍的公 认。特别是上个世纪六十年代高速铁路的出现以及人类对即将要面临的能源危机 的觉醒，使得人们对轨道交通的认识不断发生变化【5 j 。由于轨道交通系统具有运 量大，占地少，单位运量能耗小，有利于环境保护等诸多优点，因此，目前世界 各国均将轨道交通的建设作为其综合交通系统建设中的重点，特别是高速铁路的 建设和城市轨道交通的建设更是如此。尤其是在北京这样的城市，选择地铁出行 是比较快捷的出行方式，更多的人选择地铁出行，因此，提高城市轨道交通运行 效率，可以更加方便人们的生活。 轨道交通是由活动设备车辆与各种固定自动闭塞系统设备，线路、车站、车 辆基地、控制系统、供电与环控设备等组成的复杂系统【l9 1 。针对本论文的主要内 容，在下一节对轨道交通的控制系统进行详细介绍。 l o 线路，机车车辆走行的通路称为线路。按其在运营中的左右，轨道交通的线 路分为j 下线、辅助线和车场线。 正线是连接两个车站并从区间伸入、贯穿车站、行驶载客列车的线路。 辅助线一般不行驶载客列车，是指车站内进行列车的到发、通过、折返作业 的线路，停放列车的线路，列车出车辆段的线路，以及将线网中的不同线路、车 辆段与铁路连接起来的线路。 车场线是车辆段内进行车辆停放、编组、列检、检修、清洗、和调试等作业 的线路。 轨道交通车站是乘客上下车、换乘的场所，也是列车到发、通过、折返或临 时停车的地点。 2 3 1轨道交通区间控制系统 轨道交通的控制系统的作用是保障列车运行安全、提高线路通行能力、保证 作业协调与运营效率。区间列车运行控制系统是指挥列车在车站之间的区间运行 的系统。其作用是保障列车运行安全，提高线路通过运行能力的、保证作用协调 与提高运营效率。控制系统主要有信号系统、通信系统和控制中心组成【l 引。区间 列车运行控制系统也称之为区问闭塞控制系统。闭塞控制就是列车的间隔控制。 对于轨道交通系统来讲，列车的运行主要发生在区间。所以，列车在区间的间隔 控制是列车运行控制的核心，是确保列车安全运行的关键，间隔控制的方式直接 影响轨道交通的通行能力【2 。 铁路以车站为分界点将铁路线路划分为若干区间，区间的界定，在单线上一 两个车站的进站信号机柱的中心线为车站与区间的分界线；在双线或多线上，分 别以各线路的进站信号机柱或站界标的中心线为车站与区间的分界线。为了提高 运行能力，在自动闭塞区段又将一个区间划分为若干个闭塞分区，以同方向两架 通过信号机柱为闭塞分区的分界线。 2 3 2 轨道交通闭塞区间类型 组织区间行车的基本方法，一般有以下两种【1 8 】： 1 、时间间隔法：列车按照事先规定好的时间由车站出发，使前行列车和追踪 列车之问必须保持一定的时问i 、日j 隔的方法，这种行车方法因追踪列车不能确切的 得到前行列车的运行状况，所以不能确保列车在区间内的运行安全，目前已不再 使用此种行车方法。 2 、空间间隔法：把铁路的线路划分为若干个区间或闭塞分区，在每个线段内 同时准许一列列车运行，这样使前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离的行 车方法。这种行车方法能严格的把列车分隔在两个区间内，可以有效的防止列车 追尾和正面冲突事故的发生，确保列车的运行安全。这种行车方法是我国目前所 采用的闭塞方法。 固定闭塞是目前在世界上大部分轨道交通系统仍在使用的列车运行控制模 式。它以轨道电路为基础，经历了从人工闭塞，半自动闭塞到自动闭塞的发展过 程【1 8 , 1 9 】。 人工闭塞：采用电气路签或路牌作为占用区间的凭证。它是通过操作人员检 查区间是否空闲，按一定规则办理闭塞控制，以确保在区间同一方向上只有一列 列车在运行。例如，一个区间只有一个路牌，进入区问的司机必须持有这张路牌。 当列车到达车站后，司机交出路牌，另一个列车的司机才能持有这张路牌，才有 进入这个区间的可能。早期的区间控制只是考虑列车在区间运行的安全，根本谈 不上运行效率。这种闭塞方法在我国已经很少使用。 半自动闭塞：是通过人工和设备共同来确保列车在区间的安全运行。人工办 理闭塞手续，列车凭信号显示发车后，出站信号机自动关闭的闭塞方法。它将两 站之间的区间作为一个闭塞分区。同人工闭塞的原理相同，意味着在两站之间一 条线路同一方向上，只能有一列列车运行，在车站的入口设置有进站信号机，以 出站信号机的开放显示作为行车凭证。在车站的每条股道上设置有出站信号机， 在道龠区段和股道上设置轨道电路。只有当这列车出清这个区间，进入车站，另 一列车才有可能在出站信号机指挥下，进入这个区间。同人工闭塞相比，其效率 要高。但是，一般来讲，两个车站之间的距离均在1 0 公里左右，这种闭塞方式的 效率显然还是比较低【l 引。因为在上述的闭塞系统中，在两站之间只有- - y o y o 车运 行，既没有列车的追踪运行，也没有间隔控制。不过，它对于列车的安全运行是 绝对必要的。这一方式，至今仍在世界上一些国家不繁忙的轨道线路上使用着。 自动闭塞系统：根据列车运行及有关闭塞分区状态，自动变换通过信号机的 显示，而司机凭信号显示行车的闭塞方法【l8 1 。针对本文研究的主要内容为轨道交 通系统的自动闭塞的模型模拟，在2 4 节中对自动闭塞系统进行详细的研究分析。 2 4 自动闭塞系统的原理及分类 2 4 1自动闭塞系统的构成及原理 自动闭塞系统。利用信号机将一个区间划分为若干个闭塞分区( 一般不小于 1 2 1 2 0 0 米) ，每个闭塞分区内部都装有轨道电路或列车检测设备。通过轨道电路将 列车和通过信号机显示联系起来，使信号机的显示随列车运行或区问状态自动变 换的系统【3 9 1 。原理框图如图2 3 所示： 图2 3 自动闭塞系统框图 f i 9 2 3 t h ep r o g r a mo fb l o c ks y s t e m 自动闭塞系统的每个分区的始段都设置一架通过信号机，防护其后方的闭塞 分区。这些通过信号机平时显示绿色灯，即“定位开放式”，只有当列车占用该信 号机所防护的闭塞分区或线路发生故障时，才显示红灯停车信号。 以图2 4 进一步说明自动闭塞系统的工作原理【3 9 1 。 卜拦f l 拦塑 卜 掌崮 由 单 l 广j 麝l 一一嚣 l 一 臌导f - - - - 1 图2 4 自动闭塞系统信息传递原理图 f i 9 2 4p r i n c i p l eo ft r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o ni na u t o m a t i cb l o c ks y s t e m 2 4 2 自动闭塞系统的分类 自动闭塞分为固定自动闭塞和移动自动闭塞。 ( 1 ) 固定自动闭塞( f i x e db l o c ks y s t e m ，简称f b s ) 是将两个车站之间的区间 分为若干个闭塞分区【2 6 1 。在每个闭塞分区的入口有一个防护信号机。一般来讲， 在一个闭塞分区只允许一列列车存在。同半自动闭塞相比，固定自动闭塞的运行 效率显然要高的多。因为在一个区间同一方向上可以运行两列以上的列车。但是， 固定自动闭塞的闭塞分区长度，是根据区段的线路条件和机车牵引能力，制动能 力等条件，通过牵引计算来决定的。对于任何一个闭塞分区，它的长度必须保证 在最不利条件下，列车可以安全制动。而且，一旦分区的长度被设计完成，信号 系统被建成，就很难更改，或者讲，其更改费用十分昂贵。在一个运输区段，往 往存在着不同种类的列车，列车的速度，牵引重量均会不同。但闭塞分区的长度 是按该区段的最不利条件计算和设计的，一旦确定就往往不易改变。这样就会造 成通过能力和运输效率的下降。 固定自动闭塞系统按通过信号机显示制式可分为二显示，三显示，四显示自 动闭塞。图2 5 给出一个基本的三显示自动闭塞系统图【1 8 ，3 9 1 。 信号机 礴藤霾蒸 列车l 喇 。魏一 歹r j 9 2 图2 5 三显不自动闭塞系统 f i 9 2 5t h r e e - a s p e c ta u t o m a t i cb l o c ks y s t e m ( 2 ) 移动自动闭塞系统，只有车站和区间。车站作为一个特殊的闭塞分区处 理，在区间不再划分闭塞分区，也不存在闭塞分区的防护信号机。事实上，前后 两列列车之间，在任何时候，只要确保有足够的制动距离的条件，就可以追踪运 行。 对于移动自动闭塞系统，其最大的优点在于，列车运行追踪控制可更加灵活。 区间的通过能力和效率均可以提高。而在固定自动闭塞系统中，列车之间的追踪 距离是固定的。这是因为闭塞分区的长度是固定的。对于在区段运行的不同列车 的适应性强。不同的列车可以有不同的运行追踪间隔。显然，移动闭塞对控制系 统有更高的要求。列车的控制重心将向车载控制系统和地面控制中心转移。而且， 列车与列车之问，列车与地面控制中心之间的通讯系统，特别是可靠的移动通讯 系统，是移动闭塞系统实现的必要条件。后续列车必须实时具有前行列车的速度 1 4 和位置信息，从而才能保证后续列车计算出安全的追踪距离和运行速度。 在移动自动闭塞系统中，轨道电路已经不再使用。列车的占用己经用精确的 定位系统来代替。车地之间信息的传输由无线通讯系统来代替。列车的完整性检 查也用其他技术代替。轨道电路的取消，对于信号系统造价的降低，特别是取消 了大量的地面系统，使整个系统的运营和维护造价大幅度的下降。这也是移动自 动闭塞的重要优点之一【2 1 1 。 移动自动闭塞系统分为车载系统，包括车地移动通讯的通讯系统，地面控制 系统，车站及调度中心控制系统。图2 6 描述了移动自动闭塞控制系统的原理。 调度中心通过车站控制在线路上的列车运行。车站下面的一层是无线通讯中继站。 线路下方的小方格表示沿线路的传感器。根据列车运行图，也即运行计划，产生 的调度命令，通过车站，下达给在线路上运行的列车。列车通过车站和调度中心 交换信息。如列车的速度和位置等。在调度中心可以实时了解在线路上运行的列 车状态。以便知道列车是否按运行图运行。每列列车均要和它的前方列车和后续 列车保持联系，交换信息。以确保列车按规定速度运行，并保持安全的追踪距离。 每列列车同时也必须和它运行区间的两端的车站实时交换信息。只有完全进入车 站内部的列车，只和所在的车站保持联系。每个车站负责与他所属的站内的所有 列车保持联系，并将有关信息传给调度中心。站内股道，道岔和信号机的联锁也 是车站系统的功能。同时车站要与它所相连的两个区间内运行的所有列车保持联 系，如图2 6 所示【2 6 】。 无线中继口口口口口口l 匦i臣!豇i皿】回| = 耍1 列车1列车2列车3列车4列车5列车6 图2 6 移动闭塞系统 f i 9 2 6m o v i n gb l o c ks y s t e m 列车的车载控制系统负责实施列车的运行控制。它要实时计算列车的允许速 度，与前方列车的安全运行追踪距离等。必须实时地与它前后的列车进行通讯