基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的交通系統(tǒng)微觀建模與特性研究.pdf

1、交通擁堵是大中城市發(fā)展過程中不可回避的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。其不僅造成人們出行不便,而且還帶來了交通事故頻繁、空氣污染嚴(yán)重等一系列的社會(huì)問題。交通問題嚴(yán)重制約著一個(gè)城市的健康發(fā)展。國(guó)內(nèi)外交通發(fā)展的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)證明,解決城市交通問題,必須在先進(jìn)交通理論指導(dǎo)下,進(jìn)行交通規(guī)劃、控制和管理,充分有效的利用現(xiàn)有的交通資源,挖掘現(xiàn)有交通設(shè)施的潛力?，F(xiàn)代交通流理論就是在這種背景下發(fā)展起來的。上世紀(jì)90年代以來,元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型異軍突起,以其規(guī)則簡(jiǎn)單、易

2、于擴(kuò)展以及計(jì)算效率高等特性越來越受到交通學(xué)者和工程師的青睞。本文主要是針對(duì)我國(guó)交通流的特點(diǎn),綜合考慮駕駛員行為、交通瓶頸等因素,采用元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)交通流進(jìn)行建模與模擬,研究交通流的復(fù)雜特性,從而為交通實(shí)踐提供科學(xué)的理論依據(jù)。本文主要工作如下:
　　 1.采用實(shí)際觀測(cè)的車輛軌跡數(shù)據(jù),對(duì)車輛實(shí)際駕駛行為進(jìn)行分析,從而驗(yàn)證現(xiàn)有元胞自動(dòng)機(jī)模型中演化規(guī)則是否與實(shí)測(cè)駕駛行為一致。結(jié)果顯示:1)VDR模型、CD模型、KKW模型等采用的慢啟動(dòng)

3、規(guī)則與實(shí)測(cè)駕駛行為一致;2)MCD模型中采用的慢啟動(dòng)行為的假設(shè)與實(shí)測(cè)駕駛行為不一致;3)實(shí)際交通中確實(shí)存在速度調(diào)整行為,KKW模型中對(duì)駕駛行為的假設(shè)是正確的。
　　 2.提出了考慮車輛謹(jǐn)慎駕駛行為的單車道元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型和考慮激進(jìn)換道行為的雙車道元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型。
　　 ·在NaSch模型中引入提前減速的規(guī)則,也就是在減速步將當(dāng)前時(shí)刻的車輛間距替換為一個(gè)估計(jì)的車輛間距,以描述車輛謹(jǐn)慎駕駛行為。如果估計(jì)車輛間距時(shí)存

4、在時(shí)間延遲,那么當(dāng)慢化概率比較小時(shí),在中間密度區(qū)域,道路上呈現(xiàn)出同步流的交通狀態(tài);如果估計(jì)車輛間距時(shí)存在期望作用,那么改進(jìn)模型的車流演化特性基本與NaSch模型一致,但是嚴(yán)重交通事故發(fā)生的概率降低了。
　　 ·將快車的理性激進(jìn)換道行為引入到雙車道元胞自動(dòng)機(jī)模型中,如果快車被前方的慢車阻擋,其目標(biāo)車道上的后車間距大于等于兩個(gè)元胞就以較大概率換道,其他情況下按照正常的換道規(guī)則以較小概率換道。引入理性激進(jìn)換道行為之后,可以有效避免雙車

5、道中塞子的形成,從而提高中間密度區(qū)域雙車道系統(tǒng)的流量,同時(shí)降低了快慢車換道的頻率,以及乒乓換道發(fā)生的次數(shù)。
　　 3.對(duì)現(xiàn)有入匝道系統(tǒng)兩種常用建模方法——虛擬匝道模型和加速道模型,進(jìn)行模擬分析,詳細(xì)論述了這兩種模型的差異和優(yōu)缺點(diǎn),最后融合兩種模型中與實(shí)測(cè)入匝道系統(tǒng)交通特征相一致的部分,也就是將虛擬匝道模型中給定插入車輛初始速度這一規(guī)則引入到加速道模型中,將換道車輛的速度設(shè)置為前車的速度,提出改進(jìn)的加速道模型。還模擬分析了車輛加速

6、度和換道行為對(duì)入匝道系統(tǒng)的影響,結(jié)果顯示,隨著車輛加速度的減小,匝道流量顯著減小,匝道上游主路的流量略微增加,系統(tǒng)通行能力降低。而隨著車輛換道行為越來越謹(jǐn)慎,匝道流量略微減小,匝道上游主路的流量顯著增加,而系統(tǒng)通行能力升高。在實(shí)際交通中,車輛的加速性能確實(shí)存在差異,有些車輛加速度過小,而且有些車輛確實(shí)存在激進(jìn)的換道行為,因此匝道系統(tǒng)的通行能力降低與過小的加速度和激進(jìn)換道行為是相關(guān)的。
　　 4.對(duì)典型的A類交織區(qū)系統(tǒng)采用元胞自動(dòng)

7、機(jī)模型進(jìn)行模擬研究,分析了車流演化特性,以及交織區(qū)長(zhǎng)度、交織車輛比例和換道行為對(duì)通行能力的影響。交織區(qū)系統(tǒng)的總流量隨著交織車輛的增多而減小。如果兩種交織車輛的數(shù)目基本一致,那么會(huì)減輕車輛交織對(duì)主路車輛的影響。在主路近似飽和又存在一定量駛出車輛的情況下,系統(tǒng)總流量隨著入匝道進(jìn)車概率的增大先增加后減少:在主路近似飽和又存在一定量駛?cè)胲囕v的情況下,系統(tǒng)總流量隨著出車比例的增大先增加后減少。如果出車比例較大,導(dǎo)致駛出車輛不能及時(shí)進(jìn)入輔路而在主路

8、上排隊(duì),就會(huì)對(duì)主路車流造成嚴(yán)重影響。此時(shí)導(dǎo)致通行能力降低的程度甚于入匝道造成的通行能力降低的程度。模擬結(jié)果還顯示為了減輕車輛交織對(duì)主路車流的影響,交織區(qū)的長(zhǎng)度要大于150米。
　　 5.建立了描述無信號(hào)T型交叉口車流演化特性的元胞自動(dòng)機(jī)模型,分析了系統(tǒng)中左轉(zhuǎn)車輛的影響,不同避碰規(guī)則對(duì)通行能力的影響。交叉口上游主路上兩個(gè)車道為車道A和B,支路上車道為車道C和D,車道B靠近支路。車道C上的左轉(zhuǎn)車輛對(duì)車道B的影響要比對(duì)車道A的影響嚴(yán)重