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交通流复杂动态特性的元胞自动机方法研究

作　者: 张炜炜
导　师: 姜锐；吴清松
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 工程热物理
关键词: 交通流元胞自动机双车道换道规则密度倒置入匝道系统
分类号: U491.112
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

当前,社会经济的迅速发展和交通建设的相对滞后,已经构成了非常突出的世界性矛盾。交通拥挤带来的经济损失和环境污染愈演愈烈。仅交通堵塞一项所造成的经济损失就十分惊人,美国得克萨斯运输研究所对美国39个主要城市的研究表明,美国每年因交通堵塞而造成的经济损失以千亿美元计,欧洲每年因交通拥挤和事故造成的经济损失为数千亿欧元。随着经济的发展,交通量的需求持续增加,尽管道路建设投入大量资金,城市及其周围修建大量的交通设施,但是交通拥挤堵塞状况仍然十分严重。因此,如何充分有效的利用当前的交通资源,以科学的理论来指导交通规划、设计、控制和管理,成为亟待解决的问题。现代交通流理论应运而生。交通流理论研究作为一门新兴的交叉性边缘学科,近年来受到众多学科领域的研究人员的关注。交通流理论研究的目标是要建立能描述实际交通一般特性的交通流模型,以揭示控制交通流动的基本规律,从而为更好指导交通工程部门规划、设计和完善其交通网络与交通控制系统服务。高速公路作为一种新兴的交通设施,有着行车速度高,通行能力大,交通事故率小的特点。高速公路的建设和发展是国家经济发展水平的风向标,随着国民经济的快速发展,物流、人流、商品流大幅度增加,提高运输效率、降低运输成本的要求日益迫切。加快高速公路建设是中国经济社会发展的需要。因此,如何减少高速公路的交通堵塞状况,提高道路流量、通行能力、运输能力,降低交通事故的发生率,提高道路运行的安全性,成为了社会亟待解决的问题和研究者工作的重点。本文采用元胞自动机模型方法研究了交通流中关于高速公路运行状况的问题,对实际的交通现象进行建模,计算机模拟。在定性上为交通工程建设及交通管理规则的制定提出了一些建议。本文的主要工作如下。第一章简要的介绍交通流研究的意义、交通流研究的基本内容和基本方法。在此基础上,我们主要介绍以下两个方面的工作。1.根据实际情况,我们以NaSch模型为基础建立了高速公路上,混合车辆的双车道交通流系统的元胞自动机模型。利用模型,我们考察了环形道路条件下,车辆在四种不同的换道规则下的道路运行情况,结果表明:道路占用率不是很大时,巴士禁止换道规则会明显的提高道路流量。这是因为巴士禁止换道规则有效的避免了道路中“塞子”现象的形成。在运输能力方面,巴士在车辆中的比例越大,道路的运输能力就越大。但是,因为巴士禁止换道规则在一定程度上阻碍了巴士的正常行驶,道路的通行能力反而减小。在道路占用率较大时,巴士禁止换道规则减小了车辆的换道频率,而在道路占用率不是很大时,它的实施增加了车辆的换道频率。巴士禁止换道规则避免了非对称换道规则中出现的密度倒置现象。2.我们以NaSch模型为基础建立了在入匝道系统的元胞自动机模型。我们针对主道为单车道和双车道的入匝道系统中所出现的问题提出了一种新的换道规则。并且考察了在新的换道规则下,道路系统的相图,道路流量和通行能力。模拟结果表明:新的非对称换道规则没有定性的改变入匝道系统相图的分区,但在大多数的情况下,非对称换道规则增加了自由流区域的面积,减小了堵塞区域的面积。新的非对称换道规则在一定条件下能够提高入匝道系统的流量,并且在慢化概率较小的情况下,能够明显的提高道路的运输能力。在慢化概率较大的情况下,新的非对称的换道规则阻碍了车辆间的正常换道,道路运行情况反不而得不到改善。两条车道的道路密度图可以很好的解释产生众多现象的原因,新的换道规则在很多情况下有效的减弱了入匝道和右道的相互作用,改善了道路运行状况。因此,本文的结构安排如下:第1部分的工作,双道上高速公路的模拟安排在第二章。第2部分,主道为双车道的入匝道系统的模拟安排在第三章。第四章给出全文工作总结以及对以后工作的展望。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-33
  1.1 交通流研究的重要意义  12-15
    1.1.1 交通流研究的实际意义  12-14
    1.1.2 交通流研究的理论意义  14-15
  1.2 交通实测方法和一些主要结果  15-21
    1.2.1 测量方法  15-17
    1.2.2 基本图与迟滞  17-18
    1.2.3 时间间距，空间间距和速度  18-19
    1.2.4 阻塞，走走停停波和幂律关系  19-20
    1.2.5 瓶颈处的交通模式  20-21
    1.2.6 多车道情况  21
  1.3 交通流理论模型的发展历史  21-27
    1.3.1 连续模型  22-24
    1.3.2 气体动理论模型  24-25
    1.3.3 车辆跟驰模型  25-27
  1.4 元胞自动机及其在交通流领域的应用  27-31
    1.4.1 元胞自动机的物理定义  27
    1.4.2 元胞自动机的构成和基本特征  27-29
    1.4.3 元胞自动机在交通流领域的应用  29-31
  1.5 本文的主要工作  31-33
第二章双道混合交通系统的动力学研究  33-45
  2.1 换道规则  34-35
  2.2 模型  35-36
  2.3 模拟与讨论  36-44
    2.3.1 道路流量  36-38
    2.3.2 运输能力  38-41
    2.3.3 换道频率  41-42
    2.3.4 密度倒置现象  42-44
  2.4 结论  44-45
第三章入匝道系统的换道规则研究  45-62
  3.1 主道为单车道的情况  46-50
    3.1.1 道路系统的建立  46-47
    3.1.2 道路参数和边界条件  47-48
    3.1.3 模拟结果  48-50
  3.2 主道为双车道的情况  50-60
    3.2.1 道路系统的建立  50
    3.2.2 道路系统的换道规则  50-52
    3.2.3 模拟结果  52-60
  3.3 结论  60-62
第四章总结与展望  62-65
  4.1 本文的工作总结和主要创新  62-63
  4.2 对以后工作的展望  63-65
    4.2.1 近期工作展望  63-64
    4.2.2 对交通流研究工作的远景展望  64-65
参考文献  65-70
攻读硕士期间完成的论文  70-71
致谢  71

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