道路交通流元胞自動(dòng)機(jī)模型中的相變現(xiàn)象研究.pdf

1、交通輸運(yùn)能力是制約一個(gè)國家城市化現(xiàn)代化進(jìn)程快慢的關(guān)鍵因素，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起重要的支撐作用。較高的交運(yùn)能力可以降低人們的出行時(shí)間，提高工作效率，促進(jìn)物資和人力資源更好更便捷的流通。在現(xiàn)代社會(huì)，一個(gè)國家或城市的交通運(yùn)輸狀況已是衡量此地區(qū)增長潛力的重要指標(biāo)。雖然一直以來世界各國對(duì)交通改善非常重視且投入了巨資，但是交通擁堵現(xiàn)象還是常有發(fā)生，從而成為困擾政府的重大難題。在世界范圍內(nèi)，每年因交通擁塞、事故頻發(fā)和尾氣過量排放污染環(huán)境等問題，都直接或

2、間接地對(duì)當(dāng)?shù)卦斐闪司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失。以我國為例，“十一五”時(shí)期是我國交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展最快、成績最突出的五年，不論是交通設(shè)施總量、規(guī)模，還是運(yùn)輸能力供給等方面都取得了巨大成就。但是由于私家車保有量以爆發(fā)式的速度增長，還是造成了車多路少、道路供不應(yīng)求的現(xiàn)狀，致使在大城市上下班高峰時(shí)段，動(dòng)輒幾小時(shí)的堵車情形屢見不鮮，每年由于交通擁堵帶來的經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)千億人民幣。
　　 為了解決我國城市的交通問題，改善城市交通系統(tǒng)的性能，一方面需要通過

3、改造路網(wǎng)系統(tǒng)、拓寬路面、增添交通設(shè)施以及道路建設(shè)等城市交通所必須的硬件建設(shè)來實(shí)現(xiàn)，另一方面還需要通過采用科學(xué)的管理手段，把現(xiàn)代高新技術(shù)引入到交通管理中來提高現(xiàn)有路網(wǎng)的交通性能，從而改善整個(gè)道路交通的管理效率，提高道路設(shè)施的利用率，實(shí)現(xiàn)城市交通管理的科學(xué)性和有效性。這兩個(gè)方面是相輔相成、缺一不可的。而交通流作為一門先進(jìn)的科學(xué)理論，就是要研究城市交通中的各種復(fù)雜現(xiàn)象及其成因，以求對(duì)交通問題的本質(zhì)加以理解，來最優(yōu)化地解決道路交通問題。歸根結(jié)底

4、，能充分地利用現(xiàn)有的交通設(shè)施，有計(jì)劃地開發(fā)有限的交通資源，以科學(xué)的理論來管理、指導(dǎo)以及控制交通，才是緩解迅速增長的交通需求壓力，徹底解決城市發(fā)展中的各種交通問題的根本途徑。交通流理論研究作為二十世紀(jì)末一門新興的交叉性學(xué)科便是由此而產(chǎn)生的，特別是近年來更是受到許多學(xué)科領(lǐng)域研究人員的關(guān)注，涵蓋了流體力學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、非線性科學(xué)、理論物理學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、交通工程學(xué)、計(jì)算機(jī)信息科學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等等。
　　 交通流理論研究的宗旨是，利用現(xiàn)代科學(xué)知

5、識(shí)正確地描述與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符的交通特性，對(duì)其建立恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型和理論解析，依靠參數(shù)識(shí)別和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬揭示出各種交通流現(xiàn)象的本質(zhì)特征，為實(shí)際的交通規(guī)劃以及交通管理策略提供可靠的科學(xué)理論依據(jù)，并研制出適用的程序和軟件包，最終達(dá)到能夠?qū)煌ㄏ到y(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控優(yōu)化的目的。而且，交通流理論研究除了具有上述重要的工程實(shí)用價(jià)值，其還具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義。因?yàn)?，交通系統(tǒng)是由大量離散的車輛在復(fù)雜的道路網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)而構(gòu)成的，車輛與車輛及道路間存在著相互制約關(guān)系，可以

6、將其看做一種自我演化驅(qū)動(dòng)的非線性復(fù)雜非平衡系統(tǒng)。對(duì)這類系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律的描述目前還沒有嚴(yán)格成熟的基本理論，所以對(duì)其研究可以提供一個(gè)角度來加深對(duì)復(fù)雜性科學(xué)的認(rèn)識(shí)，并且能夠促進(jìn)多學(xué)科的交叉融合和發(fā)展。
　　 本文作者充分調(diào)研了國內(nèi)外交通流理論的大量文獻(xiàn)，在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一些更為符合實(shí)際交通狀況的二維和一維道路交通元胞自動(dòng)機(jī)模型。并進(jìn)一步對(duì)改進(jìn)模型做了廣泛細(xì)致的計(jì)算機(jī)模擬和理論解析，最終發(fā)現(xiàn)和解釋了一些新結(jié)果，比如新的穩(wěn)定平衡

7、態(tài)和相變現(xiàn)象等。這一系列工作期望可以實(shí)現(xiàn)從交通問題的表面現(xiàn)象深入到本質(zhì)規(guī)律認(rèn)識(shí)，而后再次從理論上升到指導(dǎo)實(shí)際的城市或高速道路交通管理、規(guī)劃和設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程中去。本論文的主要內(nèi)容可以分如下三個(gè)方面展開。
　　 （一)考慮交通燈周期影響的城市交通模型。此模型在二維城市道路交通流元胞自動(dòng)機(jī)經(jīng)典模型的基礎(chǔ)上，考慮了延長了交通燈的周期，也即紅綠燈的持續(xù)時(shí)間，對(duì)城市交通系統(tǒng)帶來的影響。模型的模擬結(jié)果顯示，除了發(fā)現(xiàn)以往模型中已有的平衡態(tài)，還發(fā)

8、現(xiàn)了以前文獻(xiàn)所沒有報(bào)道過的一種新的中間態(tài)，此穩(wěn)定平衡的中間態(tài)由自由流態(tài)和阻塞態(tài)兩部分組成，對(duì)應(yīng)的密度區(qū)間介于高速相和低速相的臨界相變點(diǎn)附近。并且進(jìn)一步指出，系統(tǒng)的臨界密度與交通燈周期有非單調(diào)關(guān)系，后者存在使系統(tǒng)通行能力最大化所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)值。最后，我們定性地解釋了此自由阻塞分離相的形成和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，并用平均場(chǎng)近似方法給出了不同交通燈周期下系統(tǒng)的平均速度與車輛密度關(guān)系的理論解，以及系統(tǒng)臨界密度與交通燈周期關(guān)系的理論解。此解析解和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)

9、果符合的很好，但在較短的交通燈周期條件下顯得仍不夠精確，我們討論了誤差產(chǎn)生的原因。此工作的意義在于，通過揭示城市中交通燈周期變化對(duì)整體交通系統(tǒng)帶來的影響，來因地制宜地根據(jù)車輛密度情況設(shè)計(jì)最優(yōu)的交通燈策略，在不改變城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的前提下，使得系統(tǒng)中可順利通行的車輛數(shù)目達(dá)到最大。
　　 （二)引入車輛間博弈行為的二維道路交通模型。此模型在經(jīng)典模型的基礎(chǔ)上，加入了實(shí)際交通中駕駛員微觀心理層面的相互作用。設(shè)想現(xiàn)實(shí)生活中可能發(fā)生的情況，如果

10、十字路口沒有安裝交通燈，兩交叉方向行駛的車輛又同時(shí)試圖進(jìn)入路口時(shí)，結(jié)果總會(huì)有至少一輛車為避免發(fā)生相撞和沖突，而停下來讓過。這一情形可以用駕駛員的博弈行為來模擬，套用博弈理論的術(shù)語，可將駕駛員分為兩種狀態(tài)，一種稱為“合作者”，另一種稱為“背叛者”。合作者是指當(dāng)要與另一輛車發(fā)生搶道沖突時(shí)，此駕駛員會(huì)首先選擇減速，試圖進(jìn)行“協(xié)商”交流而后決定何方先行。而背叛者是指當(dāng)兩車遇到?jīng)_突時(shí)，不管對(duì)方行為如何，自己總是選擇加速試圖搶先通過。此耦合了博弈行

11、為的模型，模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種近自由流隨機(jī)相，此相介于完全自由流和堵塞相之間，是系統(tǒng)車輛能達(dá)到的一種較高平均速度水平的新平衡態(tài)。并且發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中如果加入一部分背叛者，反而可能提高臨界車輛密度，使交通總體更有效率，如果鼓勵(lì)和加大背叛者向合作者轉(zhuǎn)變的概率，則可以更好地促進(jìn)車輛運(yùn)行通暢。此工作的意義在于，將實(shí)際交通中存在的車輛間行為博弈這一微觀模型引入到道路交通流建模中，并發(fā)現(xiàn)在一定的車輛密度和博弈策略轉(zhuǎn)變概率下，系統(tǒng)的整體平均速度會(huì)隨著合作者比例

12、的增加而增大，給現(xiàn)實(shí)交通中鼓勵(lì)駕駛員間多多相互謙讓這一現(xiàn)象提供了科學(xué)依據(jù)和理論支持。
　　 （三)基于前車信息速度優(yōu)化的混合智能交通模型。此模型的建立根植于現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)中高新通訊技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，實(shí)踐中所帶來的對(duì)交通基礎(chǔ)理論研究的需要。目前已有在汽車上獲得應(yīng)用的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)，能夠通過設(shè)備搜集道路中車輛的位置和速度，可以根據(jù)這一車輛信息，來設(shè)計(jì)能達(dá)到系統(tǒng)最大車流的速度優(yōu)化模型。基于這一思想，我們提出的模型采用任意車輛前

13、方行駛的若干輛車的車距和速度作為輸入?yún)?shù)，以此來分析此智能車允許達(dá)到的最大即時(shí)速度。此模型的模擬結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)了相變現(xiàn)象的存在，即隨著車輛密度的增大，系統(tǒng)的車流量先是線性增大，而后在大于臨界密度處開始線性減小至零。并且還發(fā)現(xiàn)在智能車和普通手動(dòng)車混合行駛情況下，道路中的車輛密度如果低于一定閾值，對(duì)應(yīng)于有最優(yōu)的智能車比例值，其剛好能使系統(tǒng)達(dá)到最大車流量，且再增大也不會(huì)有所改善。最后，我們還對(duì)系統(tǒng)相變時(shí)臨界密度與智能車視野和比例之間的關(guān)系進(jìn)行了