基于元胞自动机的车道缩减区交通仿真软件设计与开发

作者:鲁岳;符锌砂;汪烨;梁中岚 刊名:公路工程 上传者:马尼希·巴布纳

【摘要】采用元胞自动机理论,将车辆在车道缩减区内的运动变化规律表述为元胞自动机的演化规则,标定了元胞长度最大速度和安全距离等参数,通过确定元胞变换的原则,设计缩减区元胞自动机的结构,建立了车道缩减区交通流模拟模型;在此基础上设计并开发了基于元胞自动机车道缩减区的交通仿真软件,并将仿真软件应用于长沙市某道路车道缩减区进行仿真分析。通过对仿真结果与实测数据的对比分析,表明:同样的初始输入条件下,车道缩减区的流量仿真结果与实测值相差10.25%,平均车速相差11.5%,仿真结果的综合准确率达到89.125%;同时,仿真软件能得到路段车辆时空分布图、交通流量时变图、动态追踪车辆轨迹图,从而较为准确地模拟了车道缩减区的拥挤消散过程,可以为通行能力分析和交通改善方案意见提供技术支持。

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我国的城市化进程不断加快。一方面,汽车拥有量越来越多;另一方面,城市里施工地段也越来越多,这使得本来就有限的道路空间进一步的被压缩,道路通行能力急剧下降。在现阶段,还没有一个系统的分析软件能够很好地模拟车辆驾驶行为,揭示缩减区拥挤形成、消散的规律,更不能给出定量的描述。究其根源,大部分现有仿真软件忽略了我国驾驶员特殊的驾驶行为与驾驶心理,没有针对性的调查与分析,使得建立的模型不够准确,不能与现有道路缩减区相契合。而采用何种模型以及如何确定详细模型参数,是否能够合理真实的模拟出缩减区交通流现象是软件开发的关键。针对这个问题,我们利用元胞自动机的模型,运用计算机技术开发了缩减区交通流仿真模型,得到了车辆运行时空图,流量图,速度密度曲线图等多个数据分析曲线,从而揭示交通拥挤形成、消散的机理,为保障道路安全提供帮助。1车道缩减区交通模拟及仿真研究方法1.1车道缩减区交通模拟的研究现状和发展动态截至目前,国内外众多学者对车道缩减区的交通特征进行了广泛的研究。Michaels等根据间隙-接受理论分解了驾驶员合流的过程[1];Kou与Ma-chemehl对高速公路车道缩减区司机的合流行为进行了专门的研究[2]。罗霞于对车道缩减区车辆的运行模式进行了研究,采用过程揭示法揭示了混合车流合流运动过程,得到合理合流服务未必遵从先到先服务规则,利用合流接受概率理论,得到在相同的可接受间隙时间不同车型接受合流概率不同,从而产生可接受空隙间费[3];李铁柱、李文权、周荣贵等对车道缩减区的交通统计特性进行了研究,分析了缩减区车辆的速度、加速度、减速度、合流点分布、汇入间隙等交通特征[4];李文权、王炜、邓卫等在对大量调查数据进行分析处理的基础上采用微分法建立了车道缩减区车辆的汇入模型和行驶距离模型,对缩减区匝道车辆的汇入模型进行了研究[5]。1.2元胞自动机在交通仿真领域的研究现状和发展动态最为著名的元胞自动机交通流模型有德国学者Nagel和Schreckenberg于1992年提出的一维元胞自动机NaSch模型[6]与美国Biham、Middleton和Levin同年提出的二维元胞自动机BML模型[7]。在NaSch模型中,时间、空间以及速度都被整数离散化。道路被划分为离散的格子(即元胞),在每个元胞或者是空的,或者被一辆车占据,每辆车的速度可以取0,1,2……Vmax,Vmax为最大速度。BML模型定义于一个NN的方形格点的网络上,每一个格点具有三种状态:没有车辆、被一辆北向行驶的车辆占据或被一辆东向行驶的车辆占据。我国的李克平、高自友等在NaSch模型的基础上,提出一种轨道交通TCA模型,成功的对轨道交通中闭塞系统下的列车追踪运行进行了模拟[8]。2基于元胞自动机的车道缩减区交通仿真研究2.1研究思路首先,项目以车道缩减区为研究对象,通过采集获得合流区驾驶行为参数,对参数进行分析处理,建立一套元胞自动机的规则;然后,基于元胞自动机开发出合流区交通运行仿真软件;最后,通过仿真,模拟和分析合流区的交通拥挤形成、消散的机理和规律。研究思路遵循:数据采集行为特征总结驾驶行为模型构建仿真软件开发合流区交通特性模拟。2.2研究方法本作品采用基于元胞自动机的微观交通仿真模型(见图1),针对城市道路车道缩减区交通流进行模拟。在元胞自动机模型中,将道路空间分成若干个网格,每一个格点表示一个细胞或系统的基元,它们的状态赋值为0或1,在网格中用空格或实格表示,在事先设定的规则下,细胞或基元的演化就用网格中的空格与实格的变动来描述。元胞自动机以其简单的模型方便地复制出复杂的现象或动态演化过程中

参考文献

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