元胞自动机最终版

1、基于元胞自动机的右行方式交通的安全性与效率评估模型李昂 熊林云 标注引用 （四川大学电气信息学院，四川省 成都市 610065 ） 摘要 ：针对车辆右行国家的路面安全状况，建立了右行交通方式下的交通安全与效率评估模型。 模型基于驾驶者超车情况下的交通运行状况，提出危险驾驶的概念，并定义交通危险系数指标。 在驾驶者超车时处于不同的驾驶状况下， 给定一定的时速限制， 运用元胞自动机模拟算法进行计 算机模拟， 并得出单位时间内通过某站点的车辆总数以及此时间内的危险系数。 在改变道路的限 制速度下， 再次进行计算机模拟， 分别得出一列危险系数与车辆限速以及交通运行效率与限速的 散点图。通过分析两组散点

2、图，针对交通运行中的实际状况，给出合理化建议。 关键词 ：右行方式 ；超车模型 ;交通 ；安全性；效率；元胞自动机 中图分类号：查找分类号。 （中国图书馆分类法第五版）没有英文Evaluation Model of the Safety and Efficiency of the Keep-Right Traffic Based on Cellular AutomationAbsrtact:An evaluation model is proposed to evaluate the safety and efficiency of the traffic system which takes

3、 the practice of the keep-right rule. The model is based on the presumption of the existence of overtaking, and put forward the concept of dangerous driving, defining the index of danger coefficient. By simulating the overtaking process with different levels of safety awareness and a fixed velocity

4、limit, computer simulation with cellular automation algorithm is conducted and the number of the total vehicles passing through one certain station in the time interval together with the danger coefficient is obtained afterwards. Altering the velocity limit, more computer simulations are conducted,

5、obtaining the scatter diagram of danger coefficient-velocity limit and efficiency-velocity limit. By analyzing the two diagrams, appropriate proposals are given consideration the real situation. Key words: keep-right rule;overtaking model;traffic;safety;efficiency;Cellular automation1. 引 言目前， 世界上大多数

6、国家和地区普遍采用车辆靠右行驶的交通规则，在这种规则下， 正常行驶时， 驾驶员须行驶在双车道的右车道， 只有在超车时， 驾驶者才可以转移至左车道完成超车后 又回到右车道。 而此种交通规则又带来了行驶安全性以及行驶效率的矛盾。 近年来， 关于交通运 行状况的建模收到了诸多学者的关注和重视， 用于交通仿真的软件与算法也层出不穷。其中， 元胞自动机模拟算法受到了大量的关注，并在交通状况仿真中取到重要作用。元胞自动机（ CA ） 是一种具有在时间、空间上离散特性的模型，其算法简单，运行效率高，仿真效果可靠，被广泛 应用于生物学、生态学、物理学、化学和交通科学等领域。本文针对右行国家的交通运行状况， 建

7、立了交通运行安全性与运行效率的评估模型， 并将其 细化为定限速超车模型， 多限速超车模型。 通过定义危险驾驶与危险系数， 对交通状况进行定量 评估。 通过元胞自动机模拟， 最终得出模拟统计数据与散点图。 最终结合实际运营情况给出合理 化建议。1. 安全跟驰距离保持车辆正常行驶的安全距离为安全跟驰距离, 行驶的保证。车辆安全跟驰距离为1安全跟驰距离的确定与保持是确保车辆安全I .Vb2 仏-Vat vatdN 2+ 丄 Vb2 /11V$d(S =二 2 乱2VbVb(td+ts) +2乱)aaVats_ 2VaVb式中：va,v b分别为前后车速,aa, ab分别为前后车辆的刹车加速度， 型，

8、仅考虑va小于vb时的情况2 的条件，这时有：（2）:（1）写在右面2Va2Va: Vb(1)Va =Vb-式-2vaVbts,tD（s,d大写）分别为制动延迟时间及减速时间。为简化模，即前车速度小于后车速度时的情况，因为这正是超车所必需S =Vtd 忙(Vb a)tda d 2ab2根据相关文献，选取正常驾驶时减速时间2 2°3V b - Va , V b - Vas410t d为0.5s3（小写正体），则模型进一步简化为:(5)将跟驰距离化为元胞格点数为（6），此处s0代表格点基准长度，为简化模型,s0取为7m2. 超车模型（1 ）超车条件按照现行交通规则的要求，驾驶者在行驶过程

9、中必须与前后车辆保持在安全距离外。当某车辆与前方车辆即将处于安全距离以内时，此车辆就必须考虑超车或是减速以避开前方车辆。驾驶者选择超车与否与很多因素有关，如驾驶者本人的驾驶习惯，当时的天气状况，路面湿滑程度。通常驾驶者以一个概率 p选择超车，而以p1 = 1 - p选择制动以避开前方车辆。当驾驶者选择超车时，其需要观察自己所驾驶车辆与本车道内前方车辆的距离，自己与本车道内后方车辆的距离，自己与超车道上左前方的最近车辆的距离，以及自己与超车道上左后方的最近车辆的距离，最后，综合四个条件选择超车与否。因此，当以下四个条件同时满足时，就可以实现超车4。（1）diar<S1,（2）cC >

10、S2,（3）cC >S3（4） p >Pran。小写d。（ i是斜体，a是正体，r是正体，ran是正体）rll其中，s1, s2, s3分别为某车辆前、左前、左后方向上的安全距离，dia, di a, dib （ 1是正体Pran表示某一定值,i是斜体，a是正体）分别表示车辆与正前方、左前方，左后方的距离,(Dibl错了，虚线上画一个箭头，几个点去了) 图1超车过程示意图(2) 超车过程的元胞自动机实现首先将连续距离离散化为元胞晶格，则有(7)，其中，s表示上述任何一种距离，n ”表示其所对应的格点数目。速度是影响车流量的一个重要因素，根据参考资料得知，路面车辆的速度在速度限制范围

11、 内大致服从非标准正态分布5，即2(V小写)vN叫二，其中v+v即min max 6。2由于超车的过程通常需要加速，因此,需要对速度进行更新，为简化模型，更新过程采用离散化的方式，其更新过程为：当vit >diar时，叮d r=dadar-1 Pran(7)，当 v：1 - PranVEN扣maxdi；时,vit+1iv 1 pI maxranv 1 _ pmaxran(8)。而位置更新过程为Yt+1Y +v+1(9)Vit+1,其中Y表示第i (I,j斜体)d t+1= vit+1 -di jii j第j辆车在t时刻之间的距离。此外，当换道超车成功后，同样按照这个过程回到原车道。最终，

12、模拟岀的元胞自动机图像如下图2所示。辆车在t (斜体)时刻的位置djjt表示第i与换道过程图像1 1 1 1I1 t 1 /| *11初始化图像图中，黑点代表车辆，此处只考虑双车道。3. 安全性与效率评估(1 )危险驾驶为定量描述路面的安全状况，通常采取一定时间内车祸率作为评估指标。然而，根据车祸率来衡量路段安全性却往往收效不佳，一是因为车祸本身属于小概率事件，相应的车祸率也属于微在此,小的百分数，二是因为仅仅根据已发生的事故来评判路段危险性不能反映潜在的事故可能。定义危险驾驶的概念，即满足以下情况者属于一次危险驾驶：（1）dibl:s3，（ 2）c|a':s2,（ 3）g ：S4,其

13、中S4为车辆与右后方车辆之间的间距，其余变量与前所述一样。定义一个危险系数为Gt = NQk100%（ 10）其中N表示在时间t内岀现的危险驾驶次数，Q表示在时间t内的车流量。考虑驾驶者处于四种安全意识下的状态9表1四种超车驾驶状态驾驶驾驶者关注对象状态左前左后右前右后1+2+3+4+（注：+ 表示关注，-表示不关注）从表1可知，驾驶状态1超车者关注左前方、左后方与右前方的车距情况，显然这是常见的超车驾驶状态。有些驾驶者却有着不同的关注对象。而超车的前提是都必须关注右前方的车辆。以上假设是符合大多数人的安全意识的。驾驶者在行车过程中，往往需要兼顾行车效率与安全性，这时，他就需要采取这种的方式，

14、采取不完全安全的驾驶模式以提高行车效率。（2 ）综合评估交通运行状况的优劣往往在于安全性与效率的综合评估，只有二者兼顾才能使交通安全有效的运行。在时间t某路段的平均运行速度为-12Ntv tv it（11 ）N t j =1 i =1式中，yt表示第i辆车在时刻t的瞬时速度，其余j表示车道数，在本模型中采用双车道，即j=2，而路面平均车辆密度为：匚=L（12）V T通过修改超车规则，进行元胞自动机模拟，统计危险驾驶次数以及车流量，经过1000次模拟以后，得出道路危险系数与高速路车流量之间的关系：在四种驾驶状态下，当车流量被控制在一定范围以内时，道路危险系数会随着车密度的加大而增加；而当车密度超

15、过这个值以后，路面危险系数又会随着路面平均运行速度的减小而有所降低，因为随着路面车流量接近饱和，导致交通系统平均速度大幅下降，使得驾驶员普遍都在较低的速度下能够更加安全的行驶。因此，在车辆密度较小的情况下，车辆密度的提升会增加危险系数；而在车辆密度较大的情 况下，交通流量的提升会降低危险系数。运营系统应在保证一定的交通流量的情况下，根据需要合理控制交通流量以增加交通安全性。4. 改进建议事实上，右行交通规则在保证较高的安全性的同时，降低了交通运行的高效性。为此，可尝试采用左右方向都可行驶并超车的交通规则，即没有右行规则下的行驶。通过改进变道规则， 再次进行元胞自动机计算机模拟，并对两种情况下的

16、安全性以及高效性曲线进行了对比，得岀了如下平均速度与车密度曲线即 V- p（ V，P小写斜体）曲线，见图3。同时还得到危险系数与车密度 曲线，即G- p （ G小写斜体）曲线，如图 4所示。图3车速与车密度曲线（V-P）（横坐标写V，单位）通过对以上两种曲线观察得知，在车流量较小时，采用无右行规则下的行驶时，路面平均速 度显著高于右行规则下的行驶平均速度，而二者的驾驶危险系数相当；当车辆密度超过0.09时,无右行规则下的运行平均速度与右行规则下的运行速度相当，而其运行危险性显著高于右行规则下的运行安全性。因此，在实际运行中，可分时段采用不同的交通规则，即在早晚岀行高峰期时，只能采用右行规则以确

17、保足够的运行安全性，而在其他低峰时段则采用左右皆可行驶的交通规 则。5. 结论长期以来靠右行驶的交通规则在很大程度上保证了交通运行的安全性，但是在一定的程度上 又降低了运行的高效性。因此，适时调整交通规则对于保证运行安全性的同时提高运行效率起到 至关重要的作用。 本文同归对现行交通规则下的元胞自动机模拟，得岀了车流密度关于运行性的关系；同时，考虑无右行交通规则下的模拟，并与右行规则下的模拟结果进行对比，最终提出在此方案能车流低峰阶段采取无右行交通规则， 而在车流高峰阶段采取右行交通规则的运行方案， 保证运行安全性的同时提高运行效率。参考文献1 朱思铭，李尚廉 .数学模型 M. 广州 :中山大学

18、出版社 ,1995.2 姜启源，谢金星，叶俊 .数学模型 M. 第 3 版.北京：高等教育出版社， 2003.3 Nagel K , Schrekenberg M . A cellular automation model for freeway trafficJ. J Phys I( France),1992,( 2 )： 2221-2229.4 Schreckenberg M, Wolf D E. Traffic and Granular flowM. Singapore: Springer, 1998.5 Ramanayya TV. Highway capacity under mixed traffic conditionJ. Traffic Engineering and Control, 1988, 5:269-275.6 YOU F. Study on autonomous lane changing and autonomous overtaking control method of intelligent vehicle D. jilin : jilin University,2005.7 Lee H Y, Lee H W, Kim D. Origin of synchronized Traffic flow on highways and its