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基于元胞自动机的城域混合交通流建模方法研究

张晋  
【摘要】:交通对国民经济的发展具有重要的战略意义,一直是国家重点建设内容。随着各种交通工具数量增长迅速,交通阻塞日趋严重,不仅会引发一系列严峻的社会和环境问题,而且制约经济发展,所以交通问题引起了政府机关、科研机构和学术界,乃至城市居民的普遍重视。交通系统是一个具有严重非线性、强随机性、大时变性、不确定性的复杂系统。要解决交通问题非常困难,除了要充分利用现有交通资源外,更重要的是要利用科学的交通流理论来进行合理的交通规划、控制和管理。交通流理论是发展中的科学,尽管已有部分探讨交通现象的理论成果,但现在还没有形成完整的理论体系。我国的交通流是机动车、非机动车和行人构成的混合交通流,混合交通流独特的构成使交通冲突点的数量成倍增加,加剧了交通阻塞和交通事故的产生,导致交通流的组织规划、管理和控制愈发困难,对我国的交通管理工作提出了更加严峻的要求。因此,对交通流理论的研究,尤其是混合交通流的研究既具有重大应用背景,又具有理论研究意义。 本文通过元胞自动机(CA)交通流理论的研究,结合机动车、自行车的行驶特性和行人的行走特性,分别完成了基于CA的机动车模型、自行车模型和行人模型,并在这些工作的基础上建立了基于CA的混合交通流模型,继而结合多智能体(MAS)技术,建立了一种分布式混合交通流模型,并提出了基于MAS的城域混合交通仿真系统的体系结构。全文主要研究成果总结如下: 1) 提出了一种一维机动车交通流CA模型——双车跟驰CA模型。该模型能够体现出鲁棒性较好的交通流亚稳态特性,而且临界密度高。模型的更新规则完全并行,适用于大规模的交通仿真。通过对模型的理论分析和仿真研究,揭示了亚稳定状态的产生与前车的关联程度以及随机慢化概率的大小都有一定的关系。 2) 提出了一种一维机动车交通流CA模型——可变间距CA模型。该模型假定行驶车辆都趋向于保持期望车头时距,并通过对前车速度的估计,对车速进行同步更新。可通过简单的参数调节使仿真系统未饱和时的车头时距分布符合实际交通特性,从而可以描述多车道公路上比较复杂的交通状况,体现不同道路等级的通行能力。 3) 首次提出了单向自行车二维CA模型。理论研究和仿真验证表明:该自行车二维元胞自动机模型不仅能够灵活有效地描述自行车流的行驶特性,而且其速度—密度特性和通行能力的数值范围均符合实际或经验数值。并利用该模型分析了车道数对单车道自行车通行能力的影响,仿真表明随着车道宽度的增加,单车道通行能力随之增加,但增长幅度呈递减趋势,且车道数目增长到一定数值, 浙江大学博士学位论文 通行能力不再继续增长,完全符合定性分析。该模型扩展方便,为自行车流的研 究和进一步研究混合交通流提供了理论基础。 4)提出了一种二维CA行人过街模型。该模型引入了“停车点”的概念, 不仅能够处理人行横道上行人与行人之间的相互冲突问题,而且能够成功处理行 人与其他车辆的冲突和避让,从而模拟了行人各种类型的道路穿越行为。该模型 易于扩展,对仿真行人过街动态过程非常有效,并已经成功应用于浙江大学智能 交通研究中心研究开发的“城域混合交通仿真与分析系统”软件。仿真验证证明 了模型的有效性。 5)提出一种新的CA模型结构—平行异质CA模型,能够满足在空间、 功能上均呈分布式的大复杂系统的建模需求。 6)利用平行异质CA模型,以混合交通流为应用背景,建立了混合交通流 CA模型。并以机非混合行驶模型为例作了仿真研究,仿真结果验证了模型的有 效性,表明平行异质CA模型非常适于构建混合交通流模型。该探讨无论是对于 CA理论的扩展还是混合交通流理论的研究都具有重要的现实意义。 7)建立了一种基于MAS的分布式混合交通流模型,并提出了基于MAS 的城域混合交通仿真系统的体系结构。所建立的交通流模型能够充分发挥智能体 的自治性和相互协作性,体现我国城域混合交通流的复杂性特点;所提出的交通 仿真系统不仅结构简明严谨、界面友好、易于扩展,且非常适用于智能交通领域。 该研究内容为MAS技术在我国混合交通系统仿真方面的应用研究起了抛砖引玉 的作用。 8)参与设计了城域混合交通仿真与分析系统(SASUMT)及其对实际交通 系统规划方案的仿真验证过程。该系统是一套浙江大学自主研发的城市混合交通 微观仿真系统,实现了对机动车、非机动车和行人的建模以及在复杂路网上运动 的仿真分析。本人作为该仿真软件的设计者之一,独立设计了行人的建模部分, 参与了混合交通建模的指导工作,并在该仿真验证项目中负责仿真分析及方案撰 写工作。 最后在简要总结全文工作的基础上,对相关领域未来的研究方向进行展望。 关键词:交通仿真系统;元胞自动机;交通流模型;自行车模型;行人穿 越模型;混合交通流;智能体;多智能体


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