二维道路交通流元胞自动机模型中的动态特性研究

摘要

随着城市建设的不断发展，城市的经济贸易和社会交往的日益繁忙，城市交通进入了前所未有的快速发展期，传统的道路交通设施已经无法适应现代社会的需要。近年来，我国出台许多新的政策来加快城市道路建设，在道路基础设施方面投入了大量的人力与物力，在缓解城市交通拥堵现象、提高城市交通运输能力等方面取得了巨大的成就。但是近几年，私家车的数量快速增长。2006年至2010年的“十一五”期间，我国汽车的保有量几乎翻了一番。仅去年八月底，我国机动车保有量就已经达到2.19亿辆。随之而来的交通问题日渐凸显，城市道路容量严重不足。尽管人均道路面积保持着较高的增长幅度，但是道路建设依旧赶不上城市交通量每年20％的增长速度。这直接导致了我国城市尤其是北京、上海这样的大城市，一到上下班高峰期，路面就拥堵不堪。我国每年由于交通拥堵而造成的直接经济损失高达数千亿人民币。
　　 日益严重的交通问题已经让人们越来越清楚地认识到，交通建设对于一个城市乃至一个国家的建设与发展起着至关重要的作用。因此，如何利用有限的城市资源，充分地开发利用现有的交通设施，就成为人们的当务之急。一方面，交通管理人员可以通过提高交通管理技术水平，加大交通控制管理和安全管理的现代化设施方面的投入，利用信息化、智能化的管理系统来管理现代交通。另一方面，政府通过制定整体的交通发展战略，充分考虑交通供应与需求的平衡、土地和财力的可操作性，建设现代化大都市多层次的综合交通体系。
　　 而在城市交通的发展过程中，交通流理论作为一门先进的科学理论，从理论的高度，联系当前城市交通的实际以及存在的问题，通过对实测数据的科学分析，提出了许多优化城市交通的可行模型。研究人员对模型进行了大量的数值模拟和理论解析，对交通流中出现的各类非线性现象及其理论解释与物理本质作了研究与解析。交通流理论为缓解城市道路拥堵情况及道路建设优化方面提供了理论的指导与科学的依据。
　　 本文在查阅大量交通流文献及前人研究的基础上，提出了更符合当前城市交通状况的二维道路交通元胞自动机模型，并对模型进行了数值模拟和理论分析。本文的主要工作如下：
　　 在一维车辆慢启动模型的基础上，我们将慢启动的思想引入二维道路交通元胞自动机模型中，提出了一个更符合现实交通状况以及车辆启动条件的模型。该模型考虑了车辆的启动需要一定的时间步，包括司机的反应时间以及车辆本身的惯性，同时也考虑了模型在不同交通灯周期下出现的不同现象。在文章中，我们引入了一个反映慢启动效应的参数p，p介于0到1之间。当p=0时，所有的车辆在能够行驶前必须停一个时间步；当p=1时，所有的车辆均不考虑慢启动效应。模拟结果显示，在p=1和0＜p＜1两种情况下，都出现了除自由流相和堵塞相以外的另一种稳定平衡的中间态，中间态由自由流态和阻塞态两部分组成，在两相交界处维持着动态平衡。但是对于p=1和0＜p＜1这两种情况，在自由流相的平均速度、自由流相和中间态的位形图都存在着很大区别，我们讨论了区别产生的原因。同时在模拟过程中，我们还发现当p=0，在半周期τ=3和5的情况下，并没有出现中间态，对此，我们建立规则的初始位形，通过对位形演化发现，当τ=3,5，来自不同方向的车辆在运行过程中，相互之间会形成规则的图样，并不相互干扰，导致初始的规则位形最终全部消散开而没有形成中间态。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 交通流理论研究的背景及意义

1．2 交通流理论的基本概念

1．2．1 交通流的三个基本参数

1．2．2 交通流中的实测现象、方法及分析

1．3 交通流理论模型的发展回顾

1．3．1 宏观模型

1．3．2 微观模型

1．3．3 介观模型

1．4 元胞自动机及其在道路交通领域中的应用

1．4．1 元胞自动机模型的物理定义、构成及基本特征

1．4．2 元胞自动机模型在交通流研究中的应用

1．5 本文的工作

第二章 一维、二维元胞自动机模型

2．1 一维元胞自动机模型

2．1．1 184号模型

2．1．2 Nagel一Schreckenberg(NS)模型

2．1．3 速度效应模型

2．1．4 车辆慢启动模型

2．1．5 多车道模型

2．1．6 Kerner-Klenov-Wolf(KKw)模型

2．2 二维元胞自动机模型

2．2．1 二维经典Biham-Middleton-Levine(BML)模型

2．2．2 BML模型的相变分析

2．2．3 BML的扩展模型

第三章 慢启动模型的动态特性研究以及考虑慢启动效应的城市交通模型

3．1 引言

3．2 一维慢启动模型

3．3 考虑慢启动效应的城市交通模型

3．3．1 模型定义及其边界条件

3．3．2 模拟结果及其理论分析

3．4 本章小结

第四章 结及展望

4．1 本文工作总结

4．2 未来研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果