基于元胞自動機的二維道路交通流動力學(xué)建模及復(fù)雜特性研究.pdf

1、隨著我國城市化的步伐進一步加快，城市人口和汽車數(shù)量急劇增加，交通問題已成為嚴重制約現(xiàn)代城市發(fā)展的重要瓶頸。因此，如何科學(xué)管理、指導(dǎo)以及有效地控制交通擁堵是一個亟待解決的問題。由于交通系統(tǒng)是一個典型的自驅(qū)動復(fù)雜動態(tài)巨系統(tǒng)，具有高度的非線性和不確定性。因此，如何通過力學(xué)、物理學(xué)、非線性科學(xué)、計算機動態(tài)仿真等多學(xué)科理論和研究方法的結(jié)合，建立合理的交通流模型來探索其宏觀特征和擁堵現(xiàn)象的形成機理，對于提升我國交通流的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用水平具有重要意義

2、。本文在交通流元胞自動機模型的基礎(chǔ)上，針對二維道路交通中無交通燈效應(yīng)、多交通事故、四向交通流中的車輛慢啟動效應(yīng)以及考慮OD屬性的城市道路網(wǎng)絡(luò)，提出改進的模型，并進行相應(yīng)的數(shù)值模擬與分析，探討了交通流的宏觀特征和交通擁堵相變的形成機理。此外，還為城市道路合理規(guī)劃，應(yīng)對突發(fā)交通事故及堵塞控制提出相關(guān)建議。
　　全文的主要工作如下:
　　一、考慮無交通燈效應(yīng)的城市交通流，提出改進的BML元胞自動機模型，研究不同方向車輛數(shù)量的非對稱

3、性等因素對交通流的影響，并探討了交通擁堵的微觀機理。
　　在BML元胞自動機模型的基礎(chǔ)上，采用隨機序列更新，提出描述無交通燈效應(yīng)的二維交通流元胞自動機模型。數(shù)值模擬研究了系統(tǒng)尺寸、不同方向車輛數(shù)量的非對稱性對交通流的影響。通過對基本圖和典型時空演化斑圖的研究表明:新模型能夠展現(xiàn)BML模型中從自由流相到完全堵塞相的一階相變過程，但其臨界密度遠比BML模型中的小，這表明無交通燈控制的城市交通極易誘發(fā)交通擁堵;當(dāng)系統(tǒng)的長度和寬度較大時，

4、堵塞密度將不再隨系統(tǒng)的尺寸變化;不同方向車輛數(shù)量的非對稱性可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并能有效地減少交通擁堵。以上研究結(jié)果可為合理控制和優(yōu)化交通提供有價值的參考。
　　二、考慮存在交通事故的城市道路系統(tǒng)，提出多交通事故的交通流元胞自動機模型，研究交通事故數(shù)目、發(fā)生交通事故的空間位置分布等因素對城市交通流的影響。
　　借鑒Nagatani的建模思想，將BML模型進行擴展，提出多交通事故的二維交通流元胞自動機模型。數(shù)值模擬研究了交通事

5、故數(shù)目、事故發(fā)生地的空間位置分布等因素對城市交通流的影響，并對交通流的時空動力學(xué)特性進行了探討。結(jié)果表明:隨著交通事故數(shù)目n的增加，系統(tǒng)擁堵區(qū)域增大，極易發(fā)生交通堵塞;交通事故點的空間位置分布對城市道路系統(tǒng)的交通流有顯著的影響作用。當(dāng)兩交通事故發(fā)生在同一車道上時，其事故點間距越大，越能夠減小交通擁堵。最后，提出了一些關(guān)于面對突發(fā)交通事故時采用的應(yīng)急處理措施和建議。
　　三、將BML模型進行拓展，針對實際交通中的四向交通流，考慮車輛

6、的慢啟動效應(yīng)，提出了慢啟動效應(yīng)的四向交通流元胞自動機模型，研究由慢啟動效應(yīng)所誘發(fā)的交通流宏觀現(xiàn)象和兩相共存形成的微觀機理。
　　在BML模型的基礎(chǔ)上，考慮車輛的慢啟動效應(yīng)以及四向道路交通，建立了慢啟動效應(yīng)的城市道路四向交通流元胞自動機模型。通過數(shù)值模擬，研究了慢啟動效應(yīng)、交通燈周期等因素對四向交通流的影響，并對典型的時空動力學(xué)特性、相變及“死鎖”現(xiàn)象進行了討論。結(jié)果表明:慢啟動效應(yīng)對交通流起重要的影響作用，且新模型能夠展現(xiàn)多自由流

7、帶和多局部區(qū)域堵塞共存的中間態(tài)，該現(xiàn)象的時空斑圖與現(xiàn)實情況符合較好。此外，通過運用平均場理論分析，我們得到了車輛自由運動速度Vmax的理論值，該結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果完全一致。
　　四、借鑒OD(Origin and Destination)的建模思想，考慮城市道路的OD屬性，建立了含住宅區(qū)與工作區(qū)動態(tài)路徑選擇的交通流元胞自動機模型，研究了工作區(qū)數(shù)目和兩工作區(qū)域的空間位置分布對城市交通流的影響。
　　借鑒OD的建模思想，將BM

8、L模型進行改進，考慮城市道路存在的OD屬性，提出了含住宅區(qū)與工作區(qū)動態(tài)路徑選擇的交通流元胞自動機模型，用以描述真實城市道路交通流特性。數(shù)值模擬研究了工作區(qū)域總面積一定時，工作區(qū)域數(shù)目和工作區(qū)域的位置分布對交通流特性的影響。結(jié)果表明:隨著工作區(qū)域數(shù)目n的增加，臨界密度減小，系統(tǒng)更容易發(fā)生交通堵塞;與其它分布相比較，當(dāng)兩工作區(qū)的空間分布在同一直線上時，交通系統(tǒng)更易誘發(fā)交通堵塞;此外，當(dāng)n=2，θ=0時，隨著工作區(qū)域間距的減少，能夠緩減交通堵