交通流复杂动态特性的元胞自动机模型研究.ppt

交通流复杂动态特性的元胞自动机模型研究全文的主要结构(一)交通流理论研究的意义和背景交通系统的重要性与当前存在的问题交通研究的多学科交叉性2006年8月科技部批准了关于城市交通的首个国家重点基础研究发展计划项目（973计划）“大城市交通拥堵瓶颈的基础科学问题研究”。该项目的总体目标是：建立适合我国城市环境的现代交通流理论揭示城市交通系统运行机理和演化规律确定缓解与预防大城市交通拥堵的组织、管理和综合控制措施。这标志着我国也开始逐步进入科学管理交通的行列描述交通流特性的三大基本参数交通流基本关系式和基本图德国高速公路上实测得的流量-密度关系图（基本图）交通实测的主要方法：航拍跟驰车埋设在道路上的探头。其中探头方法最为常用自由流区域拥挤区域亚稳态区域（自由流区域与拥挤区域的重叠区域）根据不同的研究方法交通流理论模型主要分成以下三类：宏观方法：不关心单个车辆的特性利用流体力学的方法研究道路上所有车辆的集体平均行为--流体力学连续模型微观方法：从单个车辆的动力学行为入手通过考察单个车辆之间的相互作用推导出整个系统的统计性质--车辆跟驰模型、元胞自动机模型介观方法：将交通流中的车辆看成具有相互作用的粒子然后利用分子动理论对交通进行来研究--气体分子动理论模型元胞自动机模型1983年Wolfram提出了著名的元胞机模型—184号模型Nagel–Schreckenberg（NS）模型（二）我们的工作采用平均速度反馈策略研究瓶颈对双通道交通流模型的影响研究背景以前的研究都是完全相同的双通道模型车辆的进入规则与实际交通相差较远每一时间步都有一辆车到达入口车辆若不能进入系统则删除瓶颈位于道路A上的L1位置瓶颈长度ΔL每一时间步车辆以λ的概率到达入口若车辆不能进入系统则在入口处排队设入口处车辆队列长度为l采用NS模型更新规则只采用平均速度反馈进行研究的原因行驶时间反馈策略会引起系统较大幅度的震荡在实际交通中准确确定道路的拥挤系数是很困难的并且当浮动车*的比例小于1时拥挤系数反馈策略会失效另外当两条道路长度不相等时行驶时间反馈策略和拥挤系数反馈策略都失效了存在一个临界车辆到达概率定义为λc当λ<λc时入口处车辆排队长度l保持在零附近当λ>λc时入口处车辆排队长度随时间增加而增加说明车辆到达概率已经超出了系统的通行能力可以用λc作为系统的一个参数来描述道路的通行能力λc随Sdyn的变化存在三个转折点：Sdync1≈0.29Sdync2≈0.5Sdync3≈0.86上面两条曲线相应于道路B上的平均速度下面两条曲线相应于道路A上的平均速度在零态如果道路A支配了系统的通行能力则当λ=λc时有qA=QA另一方面qA=0.5qs=λc(1-Sdyn)/2其中qA是道路A上车辆平均流量qs是静态车的平均流量QA是道路A的通行能力。所以可以得到λc(1-Sdyn)/2=QA即：λc=2QA/(1-Sdyn)在零态如果道路B支配了系统的通行能力相似地有qB=QB另一方面qB=0.5qs+qd=λc(1-Sdyn)/2+λcSdyn=λc(1+Sdyn)/2其中qd是动态车的平均流量。所以λc(1+Sdyn)/2=QB即λc=2QB/(1+Sdyn)λc在Sdync1处是连续的所以2QA/(1-Sdync1)=2QB/(1+Sdync1)则可以得到Sdync1的表达式：Sdync1=1-2QA/(QA+QB)数值模拟知QA≈0.25QB≈0.4484将这两个数值带入上述三个方程中我们就能得到“零态”时λc与Sdyn的数学表达式。将方程数学分析结果与数值模拟结果相比较发现两者符合的很好当Sdyn>Sdync3时系统呈现“周期震荡态（periodicoscillationstate）”当Sdync2<Sdyn<Sdync3时系统有时处于零态有时处于震荡态我们称这种状态为“交替态（alternationstate）”随着瓶颈长度ΔL的增加Sdync2和Sdync3都增加。当整条道路A都限速（即ΔL=L）时交替态及震荡态消失了系统只剩下零态随着瓶颈长度ΔL减小Sdync2和Sdync3都减小。当ΔL≈700Sdync2<Sdyn<Sdync3时λc变成单调减小即震荡态消失当ΔL≈600时Sdync2与Sdync1重合其值不再随瓶颈长度的减小而变化当ΔL=ΔLc1≈400时Sdync3与Sdync1重合此时交替态消失当瓶颈长度从ΔL=ΔLc1继续减小道路A的通行能力提高当瓶颈长度从ΔL=ΔLc1继续减小时λc-Sdyn关系图中的左半分支增加同时Sdync1减小右半分支的曲率增加。相应地在Sdyn较小和较大时λc增大；而Sdyn取中间值时λc减小当瓶颈长度变的很小时λc的右半分支增加速度比其曲率增加速度快此时随着ΔL的减小无