基于多值元胞自动机的自行车流模型模拟及分析研究.doc

北京交通大学硕士学位论文基于多值元胞自动机的自行车流模型模拟及分析研究姓名：李艳霞申请学位级别：硕士专业：系统理论指导教师：王喜富20071201 为 了 隧进一 步 地掌 握 自行 车 交通 流特 性 ，本 文按照自行 车 最 大车 速的 不 同，把巍 霉 亍 车 分为 侠 自纷 车 和 慢鑫 行 车 ，建 立 了 混 合 自裙车 滚 多 值 元 胞囊 动 规 模 型 。邋过 模 拟 分析及曲 线 拟 合 得出了 流缀 随 密 度 的 函 数关系 ，且模 拟 结聚 和 理论分析绪果基本 上 是 一 致 的 ； 同时 ，模 拟 公 柝了 流星 随 时 阀 的 变 化 关系 ，遇 过 分瓠鑫 行 军运 行 对 空图，详 细地阿述了 自行 率交通 堵 塞 “产 嫩 一 恶 化 一 疏散一 消 失”的 原 因 。关键词： 自弦车 交通 ； 多 缀 元 腿 斑动 机 楔 裂 ； 交逐 特 性 ； 随 机 慢 化 规 则分类号： 顲 譨 妇 挛 閏 五 閟 淄 院 砪 綼 艿 难 宦 畚脑诮 饷 芎 笫实颈 臼谌得导 师签 名； 够 在学 校专心 完 成学 业 。最爱 ， 瘩漆 审 阅 论文豹 各盛 专家和译委 ， 落 落 各位 老褥 。 引 言车 邀 路褥 加以 合理 的兢翊设计 、 对自 行车 交 通 加以 科学 的管理 对治 理 城 市 交 通 、随 着 社 会 经 济 的 发 展和 人民生 活水 平 的 提 高 ， 近 年 来 我 圈 机 动 事 保 有量持续生 ， 交 通 治 理 相 当 困难。尽 篱 近 年 来 我 国 的 城 市 道 路建 设取 德了 很大 的 成就 ， 城市 交 通 条 件 有了 很大 的改善， 但往 往 随 豢 一 秘矛 盾的 群决 ， 另 一 秘矛 羼 接 踵薅至 ，整体 交 通 状况 的改善导 致 局 部 交 通 状况 聪化 ， 并没骞从根 本 上鳃 决 阗 题 【 。暇 此 ，单 毙 经 验卷解 决 城 市 交 通 闫 题 是 不 够的 ， 必绥 透过 现 象著 本 质 ， 从擞 本 上去 认识阀 题 、 解 决 阉 题 。 表 堂鲎塞出 租 车摩托 车 】表 上海居 民出 行方 式构成出 租 车瓷 辩可 以 看 出 ， 尽 管近年 来 机 动 化 水 乎 有所 提 裹， 但 以 皂 行车 为 主 的 机 动 攀 交遴 方 式仍 占 主 嚣 地位 ， 爨行方 式由骞行军 囱 小 汽 车 、 嚷动 自 行事 、 摩托 车 等个 人交 逶 方 式转 移给 城 市 交 遴 带 来 了 缀 大 的 悉力。嚣 诧 ， 要 解 决 城 市 交 通 闷 题 ， 必须立足 于 城 市 客 运 交 通 结 构低 效 、 祝劝 优 程 度 不 高 而 菲 机 动 化 交 通 院 重 偏 高 嘲 、 备 种交 通 方 式将 长 期 并存这 一 现 实 ， 协 调 处 理 好备 种交 通 方 式之 间 的 关系 ， 使 我 国 的城 市 交 通 向着 健 康 的方向发 展。表 罩 菔 谐 鞘锌驮私 煌 峁 公 交 车大 客 车 缓 低 静 遭 路霹 密度 越高 ，焉 我阑大 城市静 路褥 络 丰 鼋却是 “镶兰 凳 ”竣 “仿锤”登 ，“中 问”太 “两 头 ”小 ，普 遍缺少 次 千 路和支 路。因此 ，要 解 决 城 市交通问题，除 充 分利用 现 有交通资 源 外 ，更 重 要 的 是 用 科学的 交通流理 论来进行 食理 的 交通规划 、 控制和管 理 ，加强 对 以 自 行 车 为生 的非 机 动 车 交通理 论与 方法 的 硒究 ，孵决 枫 、 非 混合 严 壤的 问题。 此 外 ，要 硬究 我疆熬混会交逶滚 ，必须 研究 以 是 褥 车 为圭黪低 速交逶滚 ，然居 穰客 运 系 统 、 交逶管 璎以 及 务种 基础 设 施结合 ，解 决 自 行 车 交逶阔题。 褥 骈 究 自 行 车 交逶流，蔷娶 枧 动车 与非 执 动车 之 间 的 影响国 外 自行 车 交通 流 理 论 研究 现 状 的辫究 ，毽帮 怒 我 国 城 市 交 避进行 锖号控 翎 盛须考 虑懿。 论 文 各 章静具 体 内容细 下 ：豹 主要 内容、 方 法和 戆路 。第 三章自 行 车 流多慎元 胞 自 动 机 模 型 改 进及 模 拟 分 析 研 究 。首 先详细 分 析 了模 型 参数 藜 懵蔖 及 对 透 纷 毙 力 的 影 嚷 。第 妞章基手多篷 元 飓 自 动 极 酶混 合 自 符 车 漉 模 型 摸 羧 及 分 析 研 究 。撮 撂 实际 塞土堂 焦豹 建 议。 本耄 奎 缕现 坟， 针对 鑫 露车交遴 滚 理 论婿 存 在 翦溺 题 ， 缝 合 我莺 城带变避 结 掏帮磷 巍 现 旋 对 元胞 空 间 内 的元胞 ，独立旋 加上述 局 部 函 数 ，即可 得到全 局 的演 化 ： 元躯格 意义上 ， 元胞 自 动 机 的元胞 只 毙 肖一 个 状 态 ， 但在 实 际 应 用中 ， 往往将 其扩 殿为 多 个 状 态 。 2 乜蛰 榉瞷 碍翔分 0 远 涸 0 占 渫 腥 只 址 绞 剑 丛 0 嗜 切闻排 圈 远 胞 自 麴 扭 攥翟 丞 自 短 垩 窑 适 挂挂公扳酗 一 维元胞 自 动 机 的空 间 结 构盈口 圆 邻 居为 将 “ 动 态 ”引 入 到 系 统 中 ， 必 须 加 入 演化 规 则 ， 这些规 则 是 定 义在 空 间 局部范 围 内 的， 即一 个 元胞 下 一 时刻的状 态 取决 于 自 身 及其邻 居的状 态 。一 缨 元腿囊动 机 的邻 居通常 虫 半 径 ， 来 确定 ， 一 个 半 径 范 疆内 豹 所鸯 元躯均是 烧 翔棱据 元施及其 邻 屠当嚣 的校 态确定 该元胞 下 一 时 刻状态的溯 力 学 萄 数 ， 印状 时 瀚过 粗 粒 化处理 就 可 以 直 接转 化为 符 号 序列。机 的处理 是同 步 进行的， 特 别 适合于 并 行运 算 。 时 空 局 域 性 丞照自动飙 堪型 厘 宜 簸 望 銮 墩鼗 饿垃 擞宠 全 不 瓣 懿 元 熬 壹 凌辊 模墅 ， 嚣魏瓣 元 藤 壹 凄 羧鹣 势 类 难 发 魄 较 大 。 基 予 苓嚣熬根 搬 党 胞 自动机 的 基 本理 论 知 识 ， 将 元 胞 自动机 模擞 的 建 悫 过 程 分为 以下 哩一维憾 凝 下 ， 以把 熬 令 凭 骢 自动戡豹 状态表示成 鼯熟 # 裕 的 澎 粼 ， 冀在 一个 绘 定 静 嚣臆点 蓐 孛， 豢 须 篾定 每 个 嚣麓 在 谤冀 苄 一霹 雩裁 赞 状悉 盼 熙要 提 出丁 一 种 多 车遵 之间 的换谴机 制 ，多 车邀 模型褒 掰 奔 模掇 梳凄车流 豹 模攫 孛，每 令 元稳 要 么 秀空 ， 要 么 铰一 辆 车占 据 ； 率辆 在每 个 时 闻 步 长 内 最 多 只能 囱 裁 移 动 一 个 元腿 。 夔蓉 磅突豹 深入 ， 人 织逐 濒 地扩展了 研 究 的范围， 将每 个 元胞 内所 能 容 纳的车辆 数 扩大到五 辆 ，对 具 有上个 车道的道 路 进行建 模时 就 可以 不 考虑 车辆 之间 具 体 的换道 规 则 而使模 溅 模拟 起来简单艇 能 够再瑗 复 杂豹 交 通魂 象 ，逸一 类模 登 统 称 为 多 值 元脆 自 动 机 模型 饫 锵 暧 稚 苋 疃 嗯 裨4嘧远 疲 築 模鳖 豦模型 及 。 乃 跣 多 值 元胞 自 幼机 馥 搴 惩 步 妖 蠹 车 辆尽 绽 媳向 裁 运麓。设 表 示瓴 米 搿 俑 鱿 腊 瓿盗 臼 鵷 时簸 方 稳 麴式 掰 示。鹄 踯 蚕籼圜 踉m 把 燠 屏矗 舒 饕 畦 戮 下一 令嚣稳 肉； 蠡 孬 擎交遴特 煮阉 糍 括 趋 来圭要 有 滋下 蔻点 ： 摇 摆性 自 纾 车 专用 遭 分类鳓 潮 线 分隔静自 行 车 专用 道： 磁单幅路 上与杭 动 举道沼划 线 分黼，布 置 于 视 懿 车 遂 搿 测 瓣 鑫襻 攀 遴 。 s 豧 曲 醅姆 搏 簖 氐 毫 够 溅 汽牵 簿疆漾壤 瓣 诗募按 照 簌蓐车 辆 之瓣 靛 安 全净窆避行 计 算 。安 黛 糍距 戆取 煎 燕 猯趣之游， 谤雾选择 路 段 高峰 时 期 某 一 段 时 间内 密集车 流，观察 其 通过 斯 丽 的最 大 交 邋 量 ，霹按 式 谤雾 。 以上两 种 方法实际上魑对 机 动 车 通行 能 力 计 算 方法的 推 广 由 于 自 行 车 常灵活 ， 常不 按 照 车 遒 惫 贯 稀 行 ， 褥 楚 襁 互穿 插 缓 并 排 行 彀。因 箍 ， 这 两 种 方法计 差 甚 远 档 某 邓 僖 话 惚 豢醋 即 。 年 ， 蚑 将最 大 车 速 扩 大 到 岢隽肆 礁 隼 沟 亩 嘀 翟 0 远 停 碋 模型 和 汀 孀 抛畲 蟪 邓 俚 脑鎏 钔 攘 诰 佣 赵 龃 螅 媪景驹 硕 榭 霰 淙 欤 鬻笺杂 ， 模攒 结 渠不 是十分瑾 憨， 僵 胃 班 描述 裔行 车 流 ， 原 因主 要 有戳下 凡 点 ； 自 行 车 的速 度 特 性 自 行 车 率道难 以 划分 赞仡 确 鲜 堤颍钟 信 蔶 予编 稷 模 羧 和 模 搔结栗的 分析 。 流量 、速 度 、密 度 是 描述 交 通流基 本特征的主 要参 数， 这 三 个参 数之 间 相互如 所 述 ， 自 行 车 交 通比 较 复杂， 而且国内 的自 行 车 专用道 多 是 人 、自 行 车本文所 研究 的自 行 车 专用道 为 独立的自 行 车 专用路 ， 有 绿 化 带 或护栏 与 机 动车 道 分 开， 不 允 许机 动车 和 行 人 进入 ， 专供 自 行 车 通行 。根 据 城市 道 路 规划设 计 规范 的条 文说明 ， 这 种 白 行 车 专用道 路 段每 条 车道 的规划通行 能 力应 按 痟计 算， 其 平 均 车 速 在 痟。 道 路 离散化 占 淅 肷 把 自行 车 专用道 以 元 胞 为 单位加以 描述 与 计 算， 并 以 网 格 的有 序 性 来 畉 撼 自 狰 车的运 动 援 则恒 有 哆 秛 ； ，三 一 哆 “， 一 牵 ” 蟛 ， 一 喇 每个 元 腿 内 车锈数 救 更灏嫂 则 取 一 段基 本 路 段，其长度用 元 胞 个 数 硎 尽 跏 蓟 保 婊 匚 U 釱 个 元 胞向前 移动两 个 元 胞 的 车 辆数以概 率 ，即 猯 ， ； ，三一 一 哆 琇 换 片可 以了 ，也是 造 成 统计 的 车 流量 偏 小 的 一 个 很重 要的 原因 。 暌 籷 “【 械 趈个 元 胞 内的 自行 车 运动 示 意图第 三项 三一 一 硝 从 另 一 个 角 度表示 莉 个 元 胞 内尚未 被 自行 车 占 据 的 空 因 在 于有口： ； ： ： 辆自行 车 从 第 卜 0 谑 怀鋈缤 所示 。 鎏 予 上述 分 祈 ， 零 模 墅将商 前 运动 一 个元 稳 的 车 辆 数 修 教为 公式 蟂 为 了 叙述 简单 ， 以 褒来 阐 述 模 型改 进 前 艏 的 差 别。韵个元 胞内 向 前 运动 两个元 胞自行 率经过 紧邻 的 元 胞时 占 据 空 间行 车 经过 紧邻 的 元 胞时 不占 据 空 问彝蔫 运裁 一 令嚣 胞鹩车 辆 数廷 要 满足 车 辆 更 新方程 便 可向 前 行 驶 程 序输 出包 括道 路 上的 车 ， ，每 个元 胞内 的 自 行 车 车 辆 数，其模 型采 取的 边 界 条 件程 序设计 流程 及主要 代 码 如下 图所示 。 之 间的 关系可用以 下 关系表； 数麓趣壤 大 辩 霹步 长 参 数为 酝 嘲 椒 柘 耞 醹忝 ： 疆 范 貅 南 麓故愠 倒 雒 芏 流 量 关 系 曲线 鼙 辩 入密 度 ，经 过一 段时 间 ，整 个 交通 系 统 逐 渐 达 到 稳定 状 态 ，自彳 亍 车 运 畖 蹿。唬 唬 骸 保 甀 溺 灌 ： ； ： 搿 臻： ： ： 饿 ； ： ： ；首 先 考 察 禤 那榭 觥 皇 话 沣 荆 即向 前 燧 动 两 个 丽 胞 的 的增 大 而 增 大 。攘 个 道 路 系 统 内自行 车 的平 均 车 速 增 大 了 ，但 还 有 部分 鱼行 车 由于 随机 慢 化 概 攀 甞 ： ； ； 海 海 羒鬃爨一 辆聚集严重 ，出现了密 集的 堵 塞 相 ，车 流的 运动 相 与 堵 塞 相 交替 出现，“ 时 走 时停 波 ”现象 更 加 明显 ，且 两 个波 峰之 间 的 距 离 更 小。一 ； 等 等 一 对！ 海缓 一 二海琠 海忽尽骸畉，荩 篿 一 ，蕊： ： 。： ： 随着 档 脑龃 螅 芏 萴流 量 曲 线 逐 渐 变得平 滑 。 黄 渲 校 畲 笏俣 的 自 行共 同 行驶 在同 一自 行车 专 用 道上 ，形成混 合 自 行车 流 。 设 琌 眭 箃 时 刻 第 歹 个元胞 内 肉 藏 运动 嚣 个元腿 的 基 磐车 的 车 辆 数，勺 髟 一 话 住 玲 十 矗 瞤 陡 辊 慢 亿 麓粥极稷 耗 概 率 ，尹 ，表幂 侠 宣 行车 静 蔽 梳 後亿 概 率 ，掰有 向 前踅 豸 卜 拿 元胞 的慢 自 行车 六嗣 峨 ” 一 ” 一 ” 癘 川 瞗 璃 。靠 图 自 行车 总 体运动 示 意图 萨 将 公式 ，剐 有公式 成立 。 琛 秎 幔 籺 弧 丁 墩 弧 丁 秥 簧 铸 计算 和 的 值； 绻 蚯霸 硕 桓 鲈0 穆 孕 谐凳 齜 ： 笥 类似 地 ， 选取 一定 的 时 间 步 长 栉 ! ， 计算 过 程如 下按 照 公式 计算 的 值：则 ， 系统 初 始 化 绦 蚴 淙最 多 容 纳 的 车辆 数 闹导 暗 缆烦 元胞个 数 闹 ； 程 序输 出根 据密 度 和 流量 的 含 义 定 义 ：道 路 系统 的 密 厦 土 髁縌分别 由式 确 定 】 甴 噼 蚍 薰唬当 掰 取 鼹 段 较短 篕 薅 ， 自 行 车 运 韵 对 空甏 弼 图 所 示 。为 了 能够 一 一 卸 塞 区域 ， 没有 出现 多 重 状 态 效 应。 k 谟 辆 囊行 车权 ， 形成了 一个堵 塞 瓶 颈， 后 面 的快 裔 行 军 无 法超 越 前面 的慢臼行 车 而 冀 能以 速 0 谟 辆 慢自 行 车小关 系分两 种 情 况讨论 所 示 五 丽 菏 保 缆 飞 系 淖 孕谐刀际 强 熳 孕谐担 运俣 向 葡 行驶 ， 道路 流量图 不 同 随机 慢化概率的 基 本 关系 图 救 “图 给 出 了 此 种 情 况下 的 基 本 图， 由图可 知 ： 快 率以 概率 婊 狄 愿 怕 始 婊 即 秎 ， 本章 结合实际 的交 通 状 况， 将 自行 车 分 为 快 自行 车 和 慢 自行 车 ， 建立混 合自行 车 流多 值元 胞 自动机 模型 。模拟 结果 表 明 不 考虑 随机 慢 化 概率 时 ， 在自由 流区域 道路 交 通 呈 现“多 重 状 态 效 应” ， 结合自行 车 运 动时 空图 及流 量 随时 间 的变 化 关系 分 析 了 自由 流区 域“多 重 状 态效 应”产 生 的原 因 。考虑 随机 慢 化 概率 时 “多 重状 态 效 应” 消 失， 这 说 明 白 行 车 交 通 的这 种 “多 重 状 态 效 应” 具 有不 稳 定 性 。 戴 夏 窑 垣太蹩 亟纛 堂 越 途 塞进 方 法 并澍 改 进 臌 的模 型 加以模 拟 ， 德 出模 拟 结 果， 主要结 论如下； 当 慢 自 行 车 以一定的 概 率随