基于减速效应的城市道路交通流元胞自动机模拟

摘要

减速是城市道路交通中最常见的现象。车辆减速往往会影响后续车辆的行驶状态，甚至可能改变道路交通流的状态。在研究城市道路交通流时，减速是一个不可忽视的重要因素。深入研究减速环境下城市道路交通流的微观属性，能够为交通拥堵管理、交通系统优化提供更准确的参考数据和决策依据。为此，考虑到元胞自动机具有规则灵活、算法简单、能有效模拟各种复杂的道路环境等特点，本文运用元胞自动机建立基于减速效应的交通流模型，并应用于交通系统交通流的模拟。本文主要工作如下：
　　(1)分析了多因素影响下城市道路车辆行驶特点，根据车辆减速的特征，建立了更符合城市环境和车辆运动规律的道路交通流元胞自动机模型－基于减速效应的元胞自动机模型（简称DECA模型）。与NS模型中以当前时步的速度作为车辆位移不同，DECA模型在定义车辆“记忆”速度的概念的基础上，采用以记忆速度与当前时步速度的平均值作为车辆位移的位置更新规则，保持了车辆行驶的连续性；引入减速效应，重新定义了车速更新规则，使得车辆间的安全距离符合物理规律。仿真结果显示，DECA模型中车辆的位置变化曲线更加平滑，车头距波动更加平缓。
　　(2)基于 DECA单车道模型，建立考虑减速效应的元胞自动机双车道交通流模型（DL-DECA模型）。模型中采用更加符合实际交通的换道条件：车辆通过在当前车道和目标车道上的预期速度决定换道动机，通过与目标车道上后车的相对速度决定安全条件。模拟仿真发现，与STCA模型的换道规则相比较，本模型的换道规则更加宽松，在相同密度的条件下，换道率更高，更加符合实际的换道条件。
　　(3)根据交叉口交通特点，简化了DECA模型，建立考虑减速效应的二维元胞自动机交叉口混合交通流模型。模型首次考虑了车辆在信号变化时选择快速通过交叉口的现实，并重新定义车辆的冲突规则。模拟了单点交叉口、长连线交叉口和短连线交叉口交通流的时空演化特性，分析了连线长度、信号周期、相位差对交叉口交通流的影响，得出实现绿波带控制时连线长度与相位差的关系。
　　(4)研究了无信号控制和不同信号控制模式下人行横道处机动车的动力学特征和行人的行为特征，定义了临界安全间隙和临界决策间隙概念，建立了人行横道元胞自动机模型。模型使用临界安全间隙和临界决策间隙计算行人的通过概率，根据行人过街等待时间计算行人的冒险概率。模拟了无信号人行横道的行人通过概率随着车速和车距动态变化情况，以及行人的冒险概率随着行人过街等待时间阈值变化的规律。分析了不同信号控制对人行横道上车流与行人流的影响。
　　(5)建立不同公交停靠站模式的元胞自动机模型。模型中考虑公交车强制换道的减速效应，采用新换道规则，使得车辆换道方式更加接近现实。模拟分析了非港湾式、港湾式和多站台式公交停靠站模式下车辆的行为特征和以及站台长度、站台间距等因素对交通流的影响，并给出了各种公交停靠站的适用范围。
　　(6)建立港湾式公交停站和交叉口组合的交通流模型，研究了不同机动车在设有公交停靠站的交叉口连接路段的运动特征，对比分析了在不同信号周期、相位差、公交站位置和转弯概率的情况下，公交停站与交叉口对交通流量的叠加影响。

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1 绪论

1.1 选题背景

1.2文献综述与分析

1.3论文创新点及章节结构

2 基于车辆减速的城市干道交通流模拟

2.1城市干道道路交通流分析

2.2考虑车辆减速的单车道交通流模拟

2.3考虑车辆减速的双车道交通流模拟

2.4 本章小结

3 基于车辆制动的信号交叉口交通流模拟

3.1 引言

3.2单点交叉口的交通流模拟

3.3 长连线交叉口交通流模拟

3.4 短连线交叉口交通流模拟

3.5 本章小结

4 考虑车辆惯性的人行横道交通流模拟

4.1 问题分析

4.2无信号人行横道交通流模拟

4.3信号控制人行横道交通流模拟

4.5 本章小结

5 考虑减速换道的公交车停靠站交通流模拟

5.1 问题分析

5.2 公交车停靠站交通流元胞自动机模型

5.3数值模拟结果与分析

5.4 本章小结

6 公交停站和交叉口叠加影响的交通流模拟

6.1 问题分析

6.2 公交停靠站和信号交叉口组合模型

6.3 数值模拟与分析

6.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果