09年美赛A题优秀论文翻译.docx

A题 设计一个交通环岛在许多城市和社区都建立有交通环岛，既有多条行车道的大型环岛（例如巴黎的凯旋门和曼谷的胜利纪念碑路口），又有一至两条行车道的小型环岛。有些环岛在进入口设有“停车”标志或者让行标志，其目的是给已驶入环岛的车辆提供行车优先权；而在一些环岛的进入口的逆向一侧设立的让行标志是为了向即将驶入环岛的车辆提供行车优先权；还有一些环岛会在入口处设立交通灯（红灯会禁止车辆右转）；也可能会有其他的设计方案。这一设计的目的在于利用一个模型来决定如何最优地控制环岛内部，周围以及外部的交通流。该设计的目的在于可利用模型做出最佳的方案选择以及分析影响选择的众多因素。解决方案中需要包括一个不超过两页纸，双倍行距打印的技术摘要，它可以指导交通工程师利用你们模型对任何特殊的环岛进行适当的流量控制。 该模型可以总结出在何种情况之下运用哪一种交通控制法为最优。当考虑使用红绿灯的时候，给出一个绿灯的时长的控制方法（根据每日具体时间以及其他因素进行协调）。找一些特殊案例，展示你的模型的实用性。标题：一个环来控制一切:优化交通圈。安德里亚利维亚伦安德烈娅利维拉塞尔梅里克哈维姆德学院顾问:苏珊摘要我们的目的是利用车辆动力学考虑在圆形交叉路口的道路情况。我们主要根据进入圆形道路的速度决定最好的方式来控制车流量。我们假设在一个车道通过圆形道路循环，这样交通输入量能够被调节。（也就是，不会有优先的交通输入量）对于我们的模型，可改变的参数是排队等候进入的速率，进入圆形道路的速率（服务速率），这个圆形道路最大的容量和离开这个道路的速率。我们使用带有队列和交通圈的隔室模型作为隔间。来自外界的车辆首先进行排队等候，然后进入圆环交叉路口，最后离开到外界。我们把服务速率和离开速率作为在圆环交叉路口的车辆数量参考。另外，我们利用计算机来拟态一个可见表示，发生在不同情形下的圆环交叉路口。允许我们检验不同的情况，例如不平等的交通流量由于不同的队列，一些十字路口比其他车辆有一个更高的概率。这个拟态模仿实施栩栩如生，例如如何当前面是空道路时进行加速，而当前面有其他车辆时进行减速。大多数情况下，我们发现：一个高服务效率能够保持交通顺畅的最佳方式，这意味着对于进入交通的效率是最有效的。然而，当交通变得拥堵时，较低的服务率更好的适应了交通，这指示应该使用一个红绿灯。所以，在不同时间段，依靠预测中的交通流量，一个信号灯应该被安装进行循环实现。图1注：一个简单的交通圈，交通圈可能有一个以上的车道,并可能有不同数量的十字路口。我们方法的主要优势是，模型简单，能够清楚的看到动态系统。而且，在模型不容易展现的情况下，关于交通流量，电脑的拟态仿效提供了非常深入的信息，也确保了交通的可视化观察。我们方法的一些缺点是没有分析多个车道的影响，也没有红灯控制这个循环道路的交通流动。另外，我们没有方法分析一些意外的情形，例如比起其他交通圈或者行人，车辆有时驱动快，有时慢。前言交通圈，也叫旋转圈，通过十字交叉路口来控制车辆流动。根据这个目标，一个交通圈可能要采取不同的形式。图一战士了一个简单的模型。一个圈可以有一个或者多个车道；进入交通圈的车辆会见到停车标志，或者一个让车标志；一个交通圈可以有一个大的或者小的半径。一个交通圈包含不同数量的道路交通。这些特性影响了交通圈修建的成本，当循环流动，车辆会面对拥堵，所需时间就会增加，队列的大小车辆就会等待进入。这些每个变量可以作为一个度量评估交通圈的标准。我们的目标是决定如何最好的控制车辆交通的进口，出口，以及遍历一个交通圈。我们需要考虑交通循环能力，每个路口的到达和离开速率，以及最初循环下的车辆数。在每个进入路口，我们的指标是队列的长度。我们试图根据队列进入循环的变化，通过进入速率，减少队列长度。对于一个车辆有效地穿过交通圈，在队列中所花费的时间应该最小。我们做出这样的假设：1. 我们假设一天特定的时间，所以参数是常数。2. 有一个简单的交通流通车道（都朝一个方向流动）3. 在这个交通圈里，没有什么阻止交通出口处。4. 没有意外情况，比如行人突然穿过。5. 循环速度是常数（没有车辆加速或者减速，或者推出交通圈）6. 只有在进入交通循环，任何交通灯在一些位置可以调节。模型：一个简化的模型我们认为这个系统是连续的。这个模型假设了，进入队列后面的到达速率和从这个队列进入交通圈的速率在时间上是相互独立的。所以这个队列长度的变化速率是 （1）表示从这个队列中车的数量，表示进入这个队列车辆到达的速率，表示移动的速率，也叫做从这个队列进入交通圈的速率。我们引入di这个参数，表示车辆离开交通圈的速率。C表示在这个交通圈里车辆行驶的数量。通过车辆流入流出，我们去刻画这个交通圈中的改变，其中车辆的流出根据交通圈中通行的数量。 （2）模型二：上面的模型简化了交通圈的动力装置。最显著的简化是没有指出这个圈有一个最大的容量，在交通圈中的流动速率并不依赖于已经积累的通行数量。通过进一步的改进，交通圈有了最大的容纳量，当车辆的循环数量到达最大的容纳量，对于另一个车辆进入这个交通圈里将非常困难。最大程度下，交通圈在最大容量下运行，不在会有车辆进入。这时，在最初的模型中si可以被表示为：其中ri表示在没有车辆减速时，加入这个交通圈的速率。所以，这个等式控制着队列长度的变化速率 （3）在这个交通圈中车辆数量的等式是 （4）拥挤模型的建立以上两种模型仍没有考虑到拥挤状况，对流通速度的影响，以及对车辆离开速率di的影响。方程式（3）依然成立，但是我们需要改变di。如果没有拥挤，车辆行驶会更快，因此他们能够以最快的速度di.max离开。当这个交通圈以最大容量运作，离开的速度将会减少到最小di.max，所以，目前在这个交通圈中车辆的数量必将影响等式（4），但减少因素的改变可以取最大值和最小值的平均数。（5）利用计算机仿真进行宽展模型我们用matlab创建了一个电脑模拟，目的是解释在数学模型中复杂的参量。当在交通圈里时，数学模型不能解决车辆的速度，所以电脑模拟主要关注车辆速度。最大的速度，确保司机加快速度填补交通差距。迫使司机减速来保持车辆之间的距离。当进入和退出交通圈时，要求司机加速和减速。对于不同的同行方向，给出概率权重。对于每一个车辆，保持跟踪时间花费在交通圈内对每个十字路口，给说不同的车辆速度图2在252页。显示了一个轮廓的程序流程和设计。模拟假设这个模型对车辆和交通圈做了许多关键的假设。所有车辆都是相同的大小，相同的最高速率和以同样的速度加速和减速交通圈有四个十字路口和一个单一的交通车道。所有司机有相同的容忍限制没有行人横穿这个交通圈图2 程序流注：每个路口被建模为一个队列的车辆交通控制装置。车辆被添加到队列以恒定速率。车辆离开队列,进入交通圈,在圈中的该区域必须清除其他的交通工具。另外,如果队列有一个红绿灯,灯必须是可以使用的。因为我们不考虑不同的车辆属性(大小、加速度、最大速度等),所以我们在交通流量中不以大卡车、摩托车、或其他非标准工具(如大型和笨拙的紧急车辆)做模型。给所有的车辆相同的加速度和最高速度,以及迫使所有的驱动程序都必须有相同的空间公差,防止好斗的的司机和胆小的司机发生摩擦。此外,由于模拟中汽车在出口前已经减速,即使他们已经缓慢的移动,我们生成一个小比例的虚假流量备份。限制大小和十字路口的数量的圈子并不真正限制我们来模拟现实世界中的交通圈。因为我们主要是看计算机模拟中司机的行为,我们将按照相同的行为和相应的交通来扩大交通圈的规模。分析模型最简单的模型在所有上述模型,在第i路口强制限定速度r。一个接近于零的r表明一个交通灯正在使用当中;一个更大的r表明一个让车标志,调节只有适当的传入车辆。 因此,考虑到系统的输入,我们可以预测队列长度。为了使队列长度最小化,当队列长度逐渐减到(dQildt 0，此外，B0。这意味着的曲线是一个y轴截距在一些C 0的点是整体最小值的上凹的二次曲线。此外，对于，有对于总是负面的。因此,全局最低的曲线必须在第四象限。图3展示了这样一个使用样本参数的曲线。从图3中,我们注意到有两个平衡积分微分方程：是一个稳定的平衡点，并且是一个不稳定的平衡点。而且因为，我们有0,汽车的数量最终会减少到一个平衡值小于的值。因为我们衡量一个交通圈运营好坏的指标取决于队列中有多少交通工具,我们希望队列从(）到尽可能小。换句话说,我们希望尽可能大。在拥塞模型，（3）中给出了队列流量。不失一般性，我们分析队列1。对于每个队列方程只因为他们的和不同,模拟中我们保持每个队列的相同性。因为(3)中的每个改变变量都是C。当时队列长度也会在它的平衡。根据这个事实，我们可以评估交通灯是否以及多久应该是红色的。我们比较不同的服务速率的值，和在时的值。结果在图4中可以看到,这表明,当增加时减少。图 4和之间的关系适合于时的拥堵模型。参数值为并且从1到60变化。一个真实情况中拥堵的交通圈。减小会导致有更多的拥挤的时候车辆退出圈子更慢。使用较低的接近于车辆在圈内车辆的速度的启动速度,我们可以检查当减小时发生了什么。结果如图5所示。对于，的最小值不是在时而是一个更小的值。另一种情况,堵塞模型可以近似是额外的车道。一个粗近似值在每个车道增加的容量。图6显示了结果，对于不同数量的车道与相对。由于前面的情节,相关性是负的。模拟结果一个有趣的效果,我们看到在我们的模拟中车辆的前方形成了一个出口。因为车辆减速退出,这迫使在他们后面的车辆与其保持安全距离。这形成在十字路口退出前创建一个更长的队列,阻止这些车辆进入交通圈。在图7中,我们看到大量的车辆在第四队列和一个集结在第四象限。图 5和之间的关系适合于时的拥堵模型。参数值为，并且随着的不同值从1到60变化。图 6和之间的关系适合于时的拥堵模型。参数值为，并且从1到60变化。图7注:当有车辆放慢速度出来时，车辆先集结在第一个十字路口前。此外因为车辆无法进入交通圈，所以在第四个路口的车队会很长。在现实生活中模拟显示的另一个有趣的因素是车辆会经历的聚结和扩散效应。因为车辆减速比加速更快,车辆聚成一团排在一个移动缓慢的车子后面，然后当车辆加速到前面空的道路后车辆又散开了。图8简洁地显示了这样一个示例。图8注：位于第二象限的箭头指出了一个真实的效果，成群效应，这个发生在减速比加速要快的情况下。 我们测试几个旋转和车辆设置探索最优循环设计:尽管车辆目的地是随机的，但一个单个的高到达率和服务速率的交叉路口会在紧随它的一个象限中形成一个大型交通集结。 *我们测试几个旋转和车辆设置探索最优循环设计:尽管车辆目的地是随机的，但一个单个的高到达率和服务速率的交叉路口会在紧随它的一个象限中形成一个大型交通集结。 图9表明当第一个交叉路口（在角0）具备高到达率和服务速率时，它会在第一象限形成交通集结。然而，队列1不会明显的长于其他队列。图9注：具备高到达率和服务速率的第一个交叉路口会在下一个交叉路口之前形成一个交通集结。但是因为从后一个交叉路口的车辆是有限的，所以第一个交叉口的队列不会增加。*一个有一个更大的几率成为目的地的交叉路口会在可能的出口前形成大量的交通集结（图10）。然而，当车辆被禁止进去交通圈时，它也会在之前的出口形成大量的交通集结和一个急剧增加的队列。当在一个高容量的十字路口构建交通圈时，在相邻的道路发生的交通集结必须要考虑进来。*如果一个路口有一个高的服务速率和标准的到达率，另一个十字路口有一个高到达率和标准的服务速率，交通分布主要是随机零散的，有轻微的倾向备份在紧挨着维修率高的交叉路口的这个象限里。我们期待这样一个结果，在服务率高的交叉路口添加尽可能多的车辆，车辆会被交叉路口的低到达率所限制。同理，完全如预期那样，具备高到达率和低服务速率的十字路口可以比其他路口的队列更长。图10注：第一个十字路口有一个更高的概率被选中作为一个目的地。这会在那个路口前形成一个聚集，在之前的路口前也会形成聚集。由于车辆不能进入完整的交通圈，它也会造成之前的十字路口的队列一个非常大的增加。结论：我们模型的动态交通圈来确定如何最好地调节交通圈。正如图6所示：增加容量减少队列流来减少队列长度。这个结果表明一个多车道交通圈可能会更好的调节更多的车辆通过减少在队列里等待车辆的长度。然而，在同一个图中也指明增加最大容量的边际效用也没有减少。当应用一个成本函数（成本和占据的空间圆成正比例），就会找到一个最佳规模的交通圈。虽然简单的模型表明让车辆尽可能快地进入轮流处是最佳的选择，但对拥塞模型的分析表明如果充分小，那么最高的服务速率将不再是较好的选择。这个结果的含义是红绿灯可以通过轮流让旅行更有效率。当许多车辆进入交通圈，比如在早上和晚上上下班,这时会有足够多的车辆使得能够到达。在这种情况下，使用红绿灯将有助于缓解拥堵。然而，红色灯的持续时间应根据特定交通圈的值进行调整。除了数学模型，我们创建一个计算机仿真模型，它会通过交通转盘跟踪个人车辆的行进路线和他们对其他车辆的影响。 我们的模拟显示一些可以在现实生活中观察到的交通影响，即当司机刹车和加速时在出口前形成的车辆聚集效应和分散效应。我们也测试一些交通圈配置（结构）。建议 ：基于我们的数学和计算机模型，我们建议：1、让车标志应该是标准的交通控制设备。大多数时候，让车辆尽快进入交通圈是比较好的选择。2、对于一个高流量的旋转圈，应该使用交通信号灯。高流量的地方，减速进入交通圈有助于