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《中国科学技术大学》 2010年
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交通流复杂动态特性的元胞自动机模型研究

孙晓燕  
【摘要】: 随着经济不断发展,人们对交通的需求不断增长,因此,交通问题日益成为影响人们生活、制约经济发展的一个的关键性问题。如何充分利用现有的交通设施,有计划地开发有限的交通资源;如何以科学的理论来管理、指导以及控制交通,以缓解迅速增长的交通需求,就成为现代经济社会中一个突出的问题。于是,交通流理论研究做为当今社会对经济需求的一个方面而随之产生。交通流理论研究作为二十世纪一门新兴的交叉性学科,近年来已受到许多学科研究人员的关注,例如力学、非线性科学、物理学、应用数学、系统科学、信息科学、交通工程学、统计学、计算机科学等等。交通流理论的研究目的是,利用现代科学知识正确地描述与实际相关的交通流特性,然后建立适当的数学模型,经过数值模拟和理论分析,揭示交通流现象的本质特征,为实际的交通规划以及交通管理提供可靠的科学理论依据。 本文作者在充分调查了交通流理论在国内外的发展情况以后,根据实际的交通状况,提出了更符合现实交通的模型,并通过数值模拟和理论分析,研究了交通流中出现的各种非线性现象,揭示了其物理本质。本文的主要工作如下: 提出了一个改进的双通道交通流模型。由于原来双通道交通模型存在两个明显的缺点:(1)在每一时间步,都会有一辆车到达系统的入口处;(2)当车辆不能驶入道路时,人为地将车辆剔除出去。然而,在高速道路交通中,很少存在每一秒到达一辆车的情况,并且如果车辆不能进入系统,应该停下来等待机会再次进入。鉴于这些实际情况,在本文提出的改进模型中改进了原来双通道模型的上述两个缺点:(1)假设在每一秒钟,车辆以概率λ到达双通道的入口处,其中λ是介于0到1之间的可调参数;(2)若在入口处车辆不能进入系统,则排队等候,直到能进入所选路径。 在改进模型中,我们首先假设在其中的一条道路上存在限速瓶颈(例如,行人穿马路、部分道路封闭施工等情况)。我们采用平均速度信息反馈策略对此模型进行了详细的数值模拟和数学分析。模拟结果表明系统存在四种物理状态:零态(zero state)、周期震荡态(periodic oscillation state)、交替态(alternation state)(即零态和周期震荡态交替出现)和等速度态(equal velocity state)(即系统中两条道路上车辆的平均速度近似相等)。并且,我们得到了系统处于零态时车辆到达概率与动态车比例之间的数学关系式。 紧接着上面的研究,我们进一步改进了双通道模型:组成模型的两条道路是不等长的,并且在较短路径上存在限速瓶颈,我们称这样的由两条不同道路组成的双通道系统为非对称系统。相应地,由两条完全相同的道路组成的系统称为对称系统。由于以前应用在对称双通道交通中的信息反馈策略不能直接应用于非对称双通道交通中,所以我们采用改进的平均速度反馈和改进的拥挤系数反馈研究非对称双通道系统。模拟结果表明,出行者平均出行时间与车辆到达概率λ有关,当λ较小时,采用改进的平均速度信息反馈策略能节省出行时间;当λ较大时,采用改进的拥挤系数信息反馈策略能节省出行时间。所以交通管理者要根据实际的交通情况指导交通,已达到高效的目的。 接着,针对对称双通道模型中采用行驶时间反馈策略出现的流量高幅震荡以及非对称双通道交通模型中出现的周期震荡态,我们调查了当部分动态车不遵守信息指示时的交通状态,模拟发现,对称系统及非对称系统中存在的大幅度震荡被压制了。系统的通行能力增加了,这说明,在某些情况下(例如双通道交通中进行路径选择时)司机太遵守规则反而达不到预想的效果。在这个改进模型中,我们首次研究了在何种情况下能降低双通道交通系统中道路上流量的震荡。 最后,我们提出了一种耦合演化博弈理论的一维交通流模型。考虑到实际交通流是由车辆组成的,而车辆是由具有自主意识的司机来操控的,所以组成交通流的个体之间会存在一定的冲突,这种冲突可以用进化的博弈理论来描述。因此,我们将进化博弈理论引进一维交通流模型中。首先采用周期性边界条件,研究了耦合进化博弈理论的单道交通模型。采用蒙特-卡罗方法对于单道交通模型进行模拟,结果显示,当道路上粒子密度小于临界密度时,经过短暂的暂态过程后,背叛者比例随时间呈指数衰减;当道路上粒子密度大于临界密度时,经过短暂的暂态过程后,背叛者比例不再随时间变化,而是保持为一个常数。我们将本文模型得到的临界行为与以前文献中模型的临界行为做了比较,初步解释了造成两种不同临界行为的原因可能是由于系统经历的过程不同引起的。采用平均场理论,我们分析了系统中合作者比例随时间的变化及系统中流量的变化。结果显示,由于背叛者引入,系统中粒子的流动性降低了。这一模型可以用来描述行人交通或者生物交通(例如分子马达的运动)。 做为对单道交通的扩展,同时考虑到实际的道路交通,采用开边界条件,我们进一步研究了耦合了进化博弈理论的双道交通流模型。模拟发现,当驶入道路的车辆中合作车辆所占比例增加时,系统处于较低密度的自由流区域增加了,这说明对于车辆的道路交通,车辆之间的合作与互相谦让会增加车辆的流动性,从而提高道路的通行能力。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP301.1

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 孙晓燕;汪秉宏;;考虑车辆间博弈行为的交通流[J];上海理工大学学报;2012年01期
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 孙舵;道路交通流元胞自动机模型中的相变现象研究[D];中国科学技术大学;2011年
2 李启朗;路口瓶颈处交通状态的相图及元胞自动机模型研究[D];中国科学技术大学;2012年
3 丁中俊;元胞自动机交通流模型中的相变现象和解析研究[D];中国科学技术大学;2012年
4 郝庆一;基于并行格子气方法的单向行人流复杂动态特性研究[D];中国科学技术大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 陈大飞;基于社会力的城市道路混合交通流建模与分析[D];中南大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前9条
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2 徐东云;张雷;兰荣娟;;城市交通拥堵的背景变换分析[J];城市问题;2009年03期
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4 孙舵;汪秉宏;;红绿灯周期对二维交通流的影响及平均场理论[J];吉林大学学报(工学版);2009年S2期
5 罗建科;房新智;;我国城市交通发展模式探讨[J];交通企业管理;2009年02期
6 陈漩;高自友;赵小梅;贾斌;;反馈控制双车道跟驰模型研究[J];物理学报;2007年04期
7 尚华艳;黄海军;高自友;;基于元胞传输模型的可变信息标志选址问题研究[J];物理学报;2007年08期
8 田丽君;刘天亮;黄海军;;含重叠路段交通系统中信息反馈策略的比较研究[J];物理学报;2008年04期
9 综合运输研究所课题组;;“十一五”综合交通发展规划中期评价[J];综合运输;2009年01期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 袁耀明;交通流元胞自动机模型的解析和模拟研究[D];中国科学技术大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 S.C.Wong;Rui Jiang;;A car-following model with the anticipation effect of potential lane changing[J];Acta Mechanica Sinica;2008年04期
2 孔宪娟;高自友;李克平;;考虑近邻和次近邻车辆影响的单车道元胞自动机模型[J];北京交通大学学报;2006年06期
3 吴先宇;袁振洲;李艳红;曹守华;;单车道双概率元胞自动机模型[J];北京交通大学学报;2008年06期
4 尚华艳;黄海军;高自友;;基于元胞传输模型的实时交通信息设计[J];北京航空航天大学学报;2008年02期
5 钟明春;;我国城市交通拥堵问题的供给与需求分析[J];毕节学院学报;2011年11期
6 ;A Modified Sensitive Driving Cellular Automaton Model[J];Communications in Theoretical Physics;2005年02期
7 ;A Two-Lane Cellular Automata Model with Influence of Next-Nearest Neighbor Vehicle[J];Communications in Theoretical Physics;2006年04期
8 ;Nonliner Analysis of a Synthesized Optimal Velocity Model for Traffic Flow[J];Communications in Theoretical Physics;2008年08期
9 Parthasarathy Ramachandran;;Cellular Automata Models of Traffic Behavior in Presence of Speed Breaking Structures[J];Communications in Theoretical Physics;2009年10期
10 朱文兴;丁瑞玲;;Solitary Density Waves for Improved Traffic Flow Model with Variable Brake Distances[J];Communications in Theoretical Physics;2012年02期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 陈军华;赵凛;张星臣;;基于元胞自动机理论的交通流模拟研究进展[A];第10届计算机模拟与信息技术会议论文集[C];2005年
2 钟东宁;陈森发;;道路交通系统之复杂多尺度建模[A];江苏省系统工程学会第十一届学术年会论文集[C];2009年
3 孔宪娟;高自友;;基于双倍视距的交通信号控制的元胞自动机模型[A];可持续发展的中国交通——2005全国博士生学术论坛(交通运输工程学科)论文集(上册)[C];2005年
4 ;Stabilization of traffic flow in an extended car following model[A];第十八届全国水动力学研讨会文集[C];2004年
5 郭四玲;韦艳芳;薛郁;陈光旨;;一维元胞自动机交通流模型时空间距分布的研究[A];第七届全国水动力学学术会议暨第十九届全国水动力学研讨会文集(上册)[C];2005年
6 江山;韩伯棠;;可操作的保持安全车距的方法研究[A];第十二届中国管理科学学术年会论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谢东繁;基于微观模型的城市道路交通流若干典型问题研究[D];北京交通大学;2011年
2 张勇;交通流的非线性分析、预测和控制[D];北京交通大学;2011年
3 孙晓梅;多源交通信息下的动态路径选择模型与方法研究[D];吉林大学;2011年
4 孙舵;道路交通流元胞自动机模型中的相变现象研究[D];中国科学技术大学;2011年
5 韩祥临;基于智能交通系统的交通流建模和拥堵控制研究[D];上海大学;2010年
6 郑贤清;基于交通录像资料的交通流参数测量和模型研究[D];复旦大学;2011年
7 贾宁;交通流元胞自动机模型的解析与应用研究[D];天津大学;2010年
8 刘建美;诱导条件下的路径选择行为及协调方法研究[D];天津大学;2010年
9 廖孝勇;浮动车交通参数检测及在道路交通状态分析中的应用研究[D];重庆大学;2011年
10 张晋;基于元胞自动机的城域混合交通流建模方法研究[D];浙江大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈向辉;城市交通拥挤问题治理对策研究[D];苏州大学;2010年
2 李晓雪;基于元胞自动机模型的公交线路系统建模与模拟[D];北京交通大学;2010年
3 朱久平;基于元胞自动机模型的可变信息标志(VMS)对交通流特性影响研究[D];北京交通大学;2011年
4 刘昊翔;基于元胞传输模型的交叉口交通控制与优化研究[D];北京交通大学;2011年
5 高艺;基于一次拥堵的城市交通拥堵综合评价方法研究[D];北京交通大学;2011年
6 张芳菲;基于元胞自动机的房产泡沫破裂模型[D];北京交通大学;2011年
7 张春勤;道路交通动态信息发布策略研究[D];吉林大学;2011年
8 李光红;单元层面控制性详细规划交通指标研究[D];北京交通大学;2011年
9 郭研苓;多中心空间结构对城市交通的影响研究[D];华东师范大学;2011年
10 于良辉;交通流时空均衡策略研究[D];山东理工大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 钱大琳;中国特大城市混合交通流研究[J];北方交通大学学报;1999年05期
2 刘兰辉,关宏志;机非混合交通流模型及其应用[J];北京工业大学学报;2000年S1期
3 关宏志,陈艳艳,刘小明,任福田;基本路段机非混合交通流的解析模型[J];北京工业大学学报;2001年01期
4 徐东云;张雷;兰荣娟;;城市交通拥堵的背景变换分析[J];城市问题;2009年03期
5 丁晓琳,王莉;中国特大城市混合交通流特性及规律研究[J];城市问题;1999年03期
6 刘海英;邝华;孔令江;刘慕仁;;元胞自动机交通流混合模型的研究[J];桂林工学院学报;2008年02期
7 安维胜;;混合交通流连续动力学建模[J];公路交通科技;2008年05期
8 李启朗;邝华;谭惠丽;白克钊;孔令江;刘慕仁;;驾驶员的驾驶特性对交通流的影响[J];广西科学;2006年01期
9 白克钊;欧立;;利用格子气自动机模拟扩散现象的教学研究[J];广西物理;2010年02期
10 李杰,熊烈强,彭少民;混合交通流的动力学模型及其特征关系[J];华中科技大学学报(自然科学版);2005年04期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙舵;道路交通流元胞自动机模型中的相变现象研究[D];中国科学技术大学;2011年
2 葛红霞;基于诱导信息的交通流动力学特性与非线性密度波研究[D];上海大学;2006年
3 李志鹏;交通流建模及城市路网交通状态分析[D];上海交通大学;2007年
4 黄玲;混合交通流无信号交叉口自行车微观行为研究[D];北京交通大学;2007年
5 蒋海峰;信号交叉口混合交通流干扰机理研究[D];北京交通大学;2008年
6 袁耀明;交通流元胞自动机模型的解析和模拟研究[D];中国科学技术大学;2009年
7 孙连菊;基于博弈论的城市公共交通系统建模与算法研究[D];北京交通大学;2009年
8 安维胜;混合交通流动力学建模研究[D];西南交通大学;2010年
9 马剑;相向行人流自组织行为机理研究[D];中国科学技术大学;2010年
10 孙立光;步行设施内的行人行为微观仿真模型研究[D];清华大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 杜和锋;几个扩展的非对称简单排它过程模型的解析与模拟研究[D];中国科学技术大学;2011年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 孙晓燕;汪秉宏;;考虑车辆间博弈行为的交通流[J];上海理工大学学报;2012年01期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 李启朗;路口瓶颈处交通状态的相图及元胞自动机模型研究[D];中国科学技术大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 柴琳果;基于车路协同系统的交通仿真方法研究[D];北京交通大学;2012年
2 魏鹏飞;一维元胞自动机交通模型的研究[D];北方工业大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 薛郁,董力耘,戴世强;一种改进的一维元胞自动机交通流模型及减速概率的影响[J];物理学报;2001年03期
2 薛郁,董力耘,袁以武,戴世强;考虑车辆相对运动速度的交通流演化过程的数值模拟[J];物理学报;2002年03期
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4 雷丽;董力耘;宋涛;戴世强;;基于元胞自动机模型的高架路交织区交通流的研究[J];物理学报;2006年04期
5 付传技;汪秉宏;殷传洋;高坤;;利用智能决策的双通道交通流[J];物理学报;2006年08期
6 尚华艳;黄海军;高自友;;基于元胞传输模型的可变信息标志选址问题研究[J];物理学报;2007年08期
7 刘天亮;黄海军;;日常择路行为的多智能体模拟[J];物理学报;2007年11期
8 董力耘,薛郁,戴世强;基于跟车思想的一维元胞自动机交通流模型[J];应用数学和力学;2002年04期
9 陆化普;基于TOD的城市综合交通规划及其研究课题[J];中国科学基金;2005年04期
10 戴世强,冯苏苇,顾国庆;交通流动力学:它的内容、方法和意义[J];自然杂志;1997年04期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 孟剑平;交通流的介观与微观模型及其应用[D];上海大学;2008年
2 李兴莉;交通流的随机因素分析和相变研究[D];上海大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 孙莉芬;城市交通拥挤疏导决策支持系统的研究[D];华中科技大学;2005年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 花伟;林柏梁;;一种新的混合车流下的元胞自动机交通流模型[J];系统仿真学报;2006年06期
2 钱勇生;汪海龙;;考虑公交车辆影响的城市交通流元胞自动机模型[J];系统仿真学报;2007年14期
3 吴大鹏;李炳新;张汉卿;孙长伟;;基于元胞自动机的生命游戏硬件以及软件实现[J];电子技术;2007年Z2期
4 柯新利;边馥苓;;地理元胞自动机研究综述[J];咸宁学院学报;2009年03期
5 衡红军;孙晟;武娟;;基于元胞自动机的机场场面交通仿真模型[J];微计算机信息;2009年25期
6 蒋桂梅;;基于元胞自动机疏散系统的设计与分析[J];现代计算机(专业版);2009年12期
7 闻凯;王从庆;;基于元胞自动机的启发式算法的改进[J];科技信息;2010年07期
8 史友进;孙厚谦;俞晓明;;基于元胞自动机的中性二态系统研究[J];盐城工学院学报(自然科学版);2010年03期
9 李延升;侯珂珂;张保林;;扩散过程的元胞自动机模拟[J];河南工程学院学报(自然科学版);2011年01期
10 王惠敏,闫玉华,李世普;骨移植体的降解和新骨生长的可视化仿真[J];计算机辅助设计与图形学学报;2005年10期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 钟东宁;陈森发;;道路交通系统之复杂多尺度建模[A];江苏省系统工程学会第十一届学术年会论文集[C];2009年
2 陈建阳;孙立军;杨东援;;交通流及其复杂性研究[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展(下册)[C];1999年
3 张志敏;;动态交通影响下的公共停车场合理规模研究[A];转型与重构——2011中国城市规划年会论文集[C];2011年
4 杨少辉;马林;陈莎;;对我国城市交通控制理论研究的思考[A];2008第四届中国智能交通年会论文集[C];2008年
5 杨东霞;巨永锋;;考虑交通需求不确定性下路口交通信号的优化[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
6 陈军华;赵凛;张星臣;;基于元胞自动机理论的交通流模拟研究进展[A];第10届计算机模拟与信息技术会议论文集[C];2005年
7 杨少辉;王殿海;董斌;李爽爽;;应用交通波理论分析城市快速路交通流特性[A];可持续发展的中国交通——2005全国博士生学术论坛(交通运输工程学科)论文集(上册)[C];2005年
8 郭洪民;杨湘杰;京玉海;;铝合金凝固微观组织数值模拟[A];第八届全国塑性加工学术年会论文集[C];2002年
9 胡家宝;姚宁波;张玉民;;基于网络道路交通流仿真平台的研究与设计[A];湖北省机械工程学会机械设计与传动专业委员会第十五届学术年会论文集(一)[C];2007年
10 翁小雄;翦俊;;短时交通流频谱分析与预测[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙晓燕;交通流复杂动态特性的元胞自动机模型研究[D];中国科学技术大学;2010年
2 贾宁;交通流元胞自动机模型的解析与应用研究[D];天津大学;2010年
3 张勇;交通流的非线性分析、预测和控制[D];北京交通大学;2011年
4 孙舵;道路交通流元胞自动机模型中的相变现象研究[D];中国科学技术大学;2011年
5 曹宝贵;交通流复杂动态特性与交通拥堵问题研究[D];吉林大学;2010年
6 陈晓冬;基于交通流理论的高速公路安全预警系统关键技术研究[D];吉林大学;2011年
7 李启朗;路口瓶颈处交通状态的相图及元胞自动机模型研究[D];中国科学技术大学;2012年
8 于福华;特长高速公路隧道交通流研究[D];长安大学;2011年
9 赵娜乐;基于物理属性的城市快速路交通流特征参数模型[D];北京交通大学;2010年
10 谢东繁;基于微观模型的城市道路交通流若干典型问题研究[D];北京交通大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 金鑫君;基于多因素影响的高速公路安全行驶速度研究[D];重庆交通大学;2010年
2 李海鸥;基于二维OV模型的交通流稳定性分析及信息诱导策略研究[D];北京交通大学;2010年
3 田钧方;交通流复杂特性的微观建模与模拟[D];北京交通大学;2010年
4 张波;二维交通流在现实交通路况中的建模与特性研究[D];兰州理工大学;2012年
5 王春蕾;基于热力学熵的城市快速路辅路的交通状态判别方法研究[D];东北林业大学;2011年
6 肖矫矫;集装箱码头路网交通研究[D];武汉理工大学;2005年
7 东方;交通流混沌快速识别智能技术研究[D];河北工业大学;2011年
8 马晓焱;城市常规公交站点设置方法与交通影响评价[D];合肥工业大学;2010年
9 梁家源;突发事件下多室内人群的疏散动力学行为和交通流能耗的研究[D];广西大学;2012年
10 罗荣锋;城市道路信号交叉口左转交通流的组织方法研究[D];长安大学;2010年
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