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基于混杂Petri网的城市道路交通网络模型研究及应用

作　者: 王霞霞
导　师: 赵祥模
学　校: 长安大学
专　业: 交通信息工程及控制
关键词: 城市交通系统混杂系统混杂Petri网交通流模型马尔科夫过程
分类号: U491.112
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着城市化进程的加快和车辆的普及,交通拥堵问题显得越来越严重,这直接导致了人们在道路上浪费的时间增多,环境污染严重,经济损失巨大。而城市内可供扩建道路的空间非常有限,因此采用高效的交通预报和交通控制非常必要。城市交通系统是典型的混杂系统,其中交通信号灯动态是离散的,交通流动态是连续的,并且每个交文口的信号灯动态和交通流动态之间相互影响。本文尝试使用混杂Petri网(HPN)为交通系统建模,并结合实际,设计了模型的几种应用。混杂Petri网是一种图形化建模工具,这使得所建模型更加直观且容易理解,并且有严谨的数学分析理论。本文设计的混杂Petri网的离散部分用来表征信号灯动态,连续部分用来表征交通流动态。论文首先给出Petri网及混杂Petri网的理论基础；然后对城市交通系统中的交叉口和支路的物理模型进行了分析,并以十字交叉口的二、四两个相位为基础,用建模工具Visual Object Net++建立了二、四相位的HPN模型,而交通网络由多个交叉口和多条支路组成,每个交叉口的HPN模型包括了该交叉口和组成该交叉口的所有支路,所以整个交通网络的HPN模型可以由各个交叉口的HPN模型组成；最后,为了说明城市交叉口的HPN模型的实用价值,论文以最常见的十字交叉口为例,对HPN模型进行了检验,并在应用方面进行了三个方面的探索。第一点应用是短时交通流的预测,其中引入了马尔科夫过程,经过马尔科夫过程的完善,交叉口的混杂Petri网模型能够根据车流情况预测绿灯信号周期；第二点应用是对HPN模型外是否存在动态车流进行评估,根据模型得出的仿真车流量与实际车流量之间的相对误差是否为零,判断模型外是否存在动态车流；第三点应用为保障交通测量值的准确性,城市交通测量系统发生故障将导致在线控制无法正常进行,论文通过HPN模型对测量数据加以完善。利用混杂Petri网对城市交通系统建模的方法充分体现了交通系统的混杂本质,论文的研究成果,为城市交通的分析、预报、控制及城市拥堵状况的改善提供了一定的理论与技术支持。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章绪论  9-26
  1.1 城市道路交通控制的研究现状  9-10
  1.2 交通流的概念及其建模现状  10-18
    1.2.1 交通流的基本理论  10-11
    1.2.2 交通流模型  11-18
  1.3 混杂系统的概念及其建模现状  18-24
    1.3.1 混杂系统的介绍  18-19
    1.3.2 基于扩展离散事件动态系统的建模方法(DEDS)  19-22
    1.3.3 基于扩展连续变量动态系统的建模方法(CVDS)  22-24
  1.4 混杂Petri网与交通流的联系  24
  1.5 课题的研究意义  24-25
  1.6 论文的章节安排  25-26
第二章混杂Petri网的基本理论  26-43
  2.1 Petri网的简介  26-35
    2.1.1 Petri网的基本定义  26-29
    2.1.2 Petri网的基本特征  29-30
    2.1.3 Petri网的图形结构  30-32
    2.1.4 Petri网的分析方法  32-35
  2.2 混杂Petri网的理论介绍  35-42
    2.2.1 连续Petri网  35
    2.2.2 混杂Petri网的基本定义  35-36
    2.2.3 混杂Petri网的基本性质  36-39
    2.2.4 混杂Petri网的分类  39-42
  2.3 小结  42-43
第三章城市交通网络的混杂Petri网建模  43-62
  3.1 城市交通网络的特征  43
  3.2 宏观交通流模型的规律  43-46
    3.2.1 一般的交通流规律  43-45
    3.2.2 空间离散化和时间离散化  45-46
  3.3 城市交通网络的物理模型  46-51
    3.3.1 城市交通网络的定义与构成  46-48
    3.3.2 交叉口的分析模型  48-49
    3.3.3 支路的分析模型  49-51
  3.4 交叉口的建模分析  51-55
    3.4.1 交叉口相位设计概述  51-53
    3.4.2 四相位十字交叉口的建模分析  53-54
    3.4.3 两相位十字交叉口的建模分析  54-55
  3.5 四相位信号交叉口的HPN模型  55-58
  3.6 两相位信号交叉口的HPN模型  58-60
  3.7 小结  60-62
第四章混杂Petri网模型的检验及应用  62-75
  4.1 混杂Petri网模型的检验  62-63
  4.2 短时交通流预测  63-72
    4.2.1 交通流预测方法概述  63-65
    4.2.2 马尔科夫过程简介  65-67
    4.2.3 短时交通流预测  67-69
    4.2.4 预测结果验证  69-70
    4.2.5 适用范围  70
    4.2.6 交叉口混杂Petri网模型预测交通灯  70-72
  4.3 评估模型外的动态车流  72-73
  4.4 保障交通测量值的准确性  73-74
  4.5 小结  74-75
第五章总结与展望  75-77
  5.1 总结  75-76
  5.2 展望  76-77
参考文献  77-81
致谢  81

基于混杂Petri网的城市道路交通网络模型研究及应用

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