基于元胞自动机的城市快速路雨天交通流模型

摘要

城市交通拥堵已成为城市发展过程中的突出问题。降雨环境下路面摩擦系数减小、车辆速度降低，不但降低了道路的通行能力、加重了交通拥挤，还特别容易形成链式拥堵效应，引发道路网络的局部拥堵。因此，本文立足于我国大中城市“逢雨必堵”的特点，建立雨天元胞自动机交通流模型，研究雨天环境城市快速路交通流特性。
　　首先，通过收集文献资料、安全停车距离实验数据的分析，总结雨天道路环境特点，量化雨天最大制动减速度、可视距离、安全停车距离等车辆运行环境参数。基于雨天道路行车环境的特殊性、复杂性，考虑车辆紧急制动情况，定义加速安全距离、减速安全距离和巡航安全距离，建立基于安全距离的雨天城市快速路元胞自动机交通流模型。
　　其次，在基于安全距离的雨天元胞自动机交通流的基础上，建立周期边界元胞自动机交通流模型，对城市快速路交通流进行模拟仿真，从交通流特性、速度特性、通行能力等方面分析快速路雨天交通流特性。结果表明，降雨环境对自由流交通流影响较小，对高密度区域影响较大，降雨强度越大，影响越大;降雨强度增大，临界密度和阻塞密度减小;相较于无雨天气，小雨、中雨和大雨环境最大流量分别降低2.4％，5.5％和10.3％;高密度区域，降雨强度越大，速度离散越小;降雨强度越大，通行能力折减越大。
　　然后，在基于安全距离的雨天元胞自动机交通流模型的基础上，设置交通瓶颈，建立开放边界元胞自动机交通流模型，模拟仿真雨天环境下的三相交通流，从相位图、各相位交通流特性等方面分析对比不同降雨天气下的三相交通流特点。结果表明降雨强度增加，自由流区域变小，同步流和堵塞流共存区域变大。降雨环境对交通自由流相影响相对较小;影响同步流中窄堵塞的形成，降雨强度越大，形成窄堵塞的频率越大，消散越慢;对于同步流与堵塞流共存状态，降雨强度越大，堵塞持续越长，消散越慢。
　　最后，为了进一步分析同步流特性，对周期边界和开放边界元胞自动机交通流模型的模拟数据进行相关性分析，结果显示同步流中交通三参数的自相关系数均趋近于0，而流量与平均密度的互相关系数也趋近于0，均无长程相关性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的及意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 降雨对道路交通系统的影响

1．3．2 交通流理论模型

1．3．3 元胞自动机模型

1．3．4 国内外研究现状总结

1．4 主要研究内容与技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

2 雨天快速路元胞自动机交通流模型

2．1 降雨对车辆和道路交通环境的影响

2．1．1 降雨定义及雨环境分类

2．1．2 紧急制动最大减速度

2．1．3 安全停车间距

2．1．4 可视距离

2．2 基于安全距离的雨天元胞自动机模型

2．2．1 安全距离定义

2．2．2 模型演化规则

2．3 模型参数定义及取值

2．4 本章小结

3 周期边界条件下的雨天元胞自动机交通流模型及仿真

3．1 周期边界的元胞自动机交通流模型及设定

3．1．1 周期边界模型

3．1．2 周期边界条件下基于安全距离的雨天元胞自动机交通流模型及设定

3．2 仿真结果

3．2．1 交通流特性

3．2．2 速度特性

3．2．3 速度与车头间距的关系

3．3 通行能力

3．3．1 通行能力折减

3．3．2 雨天通行能力修正系数模型

3．4 本章小结

4 开放边界条件下的雨天元胞自动机交通流模型及仿真

4．1 开放边界的元胞自动机交通流模型及设定

4．1．1 开放边界模型

4．1．2 上匝道交通瓶颈

4．1．3 开放边界条件下基于安全距离的雨天元胞自动机交通流模型及设定

4．2 仿真结果

4．2．1 车辆生成概率对交通流的影响

4．2．2 相位图

4．2．3 各相交通流特性

4．3 本章小结

5 相关性

5．1 相关性分析定义

5．2 周期边界条件下相关性

5．2．1 同步流的自相关函数与互相关函数

5．2．2 宽运动堵塞的相关性

5．3 开放边界条件下相关性

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要研究成果

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文及参与科研情况