基于元胞自动机模型的交通系统微观建模与特性研究

摘要

交通拥堵是大中城市发展过程中不可回避的一个现实问题。其不仅造成人们出行不便,而且还带来了交通事故频繁、空气污染严重等一系列的社会问题。交通问题严重制约着一个城市的健康发展。国内外交通发展的实践经验和教训证明,解决城市交通问题,必须在先进交通理论指导下,进行交通规划、控制和管理,充分有效的利用现有的交通资源,挖掘现有交通设施的潜力。现代交通流理论就是在这种背景下发展起来的。上世纪90年代以来,元胞自动机交通流模型异军突起,以其规则简单、易于扩展以及计算效率高等特性越来越受到交通学者和工程师的青睐。本文主要是针对我国交通流的特点,综合考虑驾驶员行为、交通瓶颈等因素,采用元胞自动机模型对交通流进行建模与模拟,研究交通流的复杂特性,从而为交通实践提供科学的理论依据。本文主要工作如下:
　　 1.采用实际观测的车辆轨迹数据,对车辆实际驾驶行为进行分析,从而验证现有元胞自动机模型中演化规则是否与实测驾驶行为一致。结果显示:1)VDR模型、CD模型、KKW模型等采用的慢启动规则与实测驾驶行为一致;2)MCD模型中采用的慢启动行为的假设与实测驾驶行为不一致;3)实际交通中确实存在速度调整行为,KKW模型中对驾驶行为的假设是正确的。
　　 2.提出了考虑车辆谨慎驾驶行为的单车道元胞自动机交通流模型和考虑激进换道行为的双车道元胞自动机交通流模型。
　　 ·在NaSch模型中引入提前减速的规则,也就是在减速步将当前时刻的车辆间距替换为一个估计的车辆间距,以描述车辆谨慎驾驶行为。如果估计车辆间距时存在时间延迟,那么当慢化概率比较小时,在中间密度区域,道路上呈现出同步流的交通状态;如果估计车辆间距时存在期望作用,那么改进模型的车流演化特性基本与NaSch模型一致,但是严重交通事故发生的概率降低了。
　　 ·将快车的理性激进换道行为引入到双车道元胞自动机模型中,如果快车被前方的慢车阻挡,其目标车道上的后车间距大于等于两个元胞就以较大概率换道,其他情况下按照正常的换道规则以较小概率换道。引入理性激进换道行为之后,可以有效避免双车道中塞子的形成,从而提高中间密度区域双车道系统的流量,同时降低了快慢车换道的频率,以及乒乓换道发生的次数。
　　 3.对现有入匝道系统两种常用建模方法——虚拟匝道模型和加速道模型,进行模拟分析,详细论述了这两种模型的差异和优缺点,最后融合两种模型中与实测入匝道系统交通特征相一致的部分,也就是将虚拟匝道模型中给定插入车辆初始速度这一规则引入到加速道模型中,将换道车辆的速度设置为前车的速度,提出改进的加速道模型。还模拟分析了车辆加速度和换道行为对入匝道系统的影响,结果显示,随着车辆加速度的减小,匝道流量显著减小,匝道上游主路的流量略微增加,系统通行能力降低。而随着车辆换道行为越来越谨慎,匝道流量略微减小,匝道上游主路的流量显著增加,而系统通行能力升高。在实际交通中,车辆的加速性能确实存在差异,有些车辆加速度过小,而且有些车辆确实存在激进的换道行为,因此匝道系统的通行能力降低与过小的加速度和激进换道行为是相关的。
　　 4.对典型的A类交织区系统采用元胞自动机模型进行模拟研究,分析了车流演化特性,以及交织区长度、交织车辆比例和换道行为对通行能力的影响。交织区系统的总流量随着交织车辆的增多而减小。如果两种交织车辆的数目基本一致,那么会减轻车辆交织对主路车辆的影响。在主路近似饱和又存在一定量驶出车辆的情况下,系统总流量随着入匝道进车概率的增大先增加后减少:在主路近似饱和又存在一定量驶入车辆的情况下,系统总流量随着出车比例的增大先增加后减少。如果出车比例较大,导致驶出车辆不能及时进入辅路而在主路上排队,就会对主路车流造成严重影响。此时导致通行能力降低的程度甚于入匝道造成的通行能力降低的程度。模拟结果还显示为了减轻车辆交织对主路车流的影响,交织区的长度要大于150米。
　　 5.建立了描述无信号T型交叉口车流演化特性的元胞自动机模型,分析了系统中左转车辆的影响,不同避碰规则对通行能力的影响。交叉口上游主路上两个车道为车道A和B,支路上车道为车道C和D,车道B靠近支路。车道C上的左转车辆对车道B的影响要比对车道A的影响严重,因此当车道A和车道B的进车概率相等时,系统中不存在车道A是拥挤流而车道B是自由流的交通相。固定车道A上左转车辆比例和车道C上进车概率,当车道B的进车概率较小,车道A的临界进车概率和饱和流量随着车道B的进车概率的增加,有缓慢增长的趋势。在车道A上左转车辆比例不是很大的情况下,主路车辆具有优先权的避碰规则能够产生较大的通行能力。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 引言

1.1 交通流理论研究的背景和意义

1.2 交通流理论概述

1.2.1 交通数据测量方法

1.2.2 描述交通流特性的参数

1.2.3 交通流基本关系式和基本图

1.3 交通实测现象

1.3.1 “幽灵堵塞”现象

1.3.2 同步流和宽运动堵塞

1.3.3 交通流相变特性

1.3.4 匝道处的复杂交通模式

1.4 交通流理论模型

1.4.1 宏观模型

1.4.2 微观模型

1.4.3 介观模型

1.5 基本图理论和三相交通流理论

1.5.1 基本图理论

1.5.2 三相交通流理论

1.6 本文的主要工作

2 元胞自动机模型演化规则与实测驾驶行为比较分析

2.1 元胞自动机交通流模型简介

2.1.1 NaSch模型

2.1.2 慢启动模型

2.1.3 速度效应(Velocity Effect,VE)模型

2.1.4 舒适驾驶(Comfortable Driving,CD)模型

2.1.5 改进舒适驾驶(MCD)模型

2.1.6 KKW模型

2.2 实测驾驶行为

2.2.1 NGSIM简介

2.2.2 数据预处理

2.2.3 慢启动行为

2.2.4 速度调整行为

2.3 本章小结

3 考虑实际驾驶行为的元胞自动机交通流模型

3.1 考虑谨慎驾驶行为的单车道模型

3.1.1 模型

3.1.2 模拟结果

3.2 考虑理性激进换道行为的双车道模型

3.2.1 模型

3.2.2 模拟结果

3.3 本章小结

4 入匝道系统模拟分析

4.1 入匝道系统建模方法

4.2 车辆加速度的影响

4.2.1 加速道模型中车辆加速度的影响

4.2.2 虚拟匝道模型中车辆加速度的影响

4.3 换道行为的影响

4.3.1 加速道模型中换道行为的影响

4.3.2 虚拟匝道模型中换道行为影响

4.4 两种建模方法的比较分析

4.5 改进加速道模型

4.6 本章小结

5 交织区建模与模拟分析

5.1 交织区模拟模型

5.2 交织区附近车流特性分析

5.2.1 固定驶出车辆比例

5.2.2 固定入匝道进车概率

5.2.3 固定主路进车概率

5.2.4 交织区长度的影响

5.3 交织区通行能力研究

5.4 本章小结

6 无信号T型交叉口建模与模拟分析

6.1 模拟模型

6.2 模拟结果

6.2.1 左转车辆对主路车流的影响

6.2.2 主路两个车道之间的影响

6.2.3 两种避碰规则比较分析

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 本文的工作总结和主要创新点

7.2 未来研究展望

7.2.1 交通实测

7.2.2 同步流

7.2.3 交通流优化控制

7.2.4 与网络交通流理论相结合

参考文献

作者简历

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