T 型交叉口多速混合交通流特性研究

发布时间：2016-06-07 11:18

第 1 章  绪论 

1.1  交通问题研究的意义 

随着社会经济的飞快发展，日益加剧的城市化建设进程，使得机动车的数量和交通运输量迅速增加，城市中交通拥堵的现象越来越严重。城市交通将迎接更加严峻的考验，这将影响和带动城市的整个布局。然而，交通拥堵不仅仅带来交通安全威胁，还带来环境污染和能源损耗等危害，同时给人们的日常生活带来极大的不便。因此，改善交通问题已经成为关系到国计民生的大事。然而当前，全世界爆发的交通危机，使交通拥堵成为国际性的复杂难题。许多国家都在承受交通堵塞和交通安全所带来的困扰。 城市交通系统是一个将行人、车辆、道路和环境构成了开放的、复杂巨型系统[1]，交通流的演化过程是一个十分复杂的过程。对于城市交通系统的研究可以从微观交通流状态和宏观交通现象两个方面加以研究。宏观方面，需要探讨众多的微观状态是如何转化为各种宏观交通现象，尤其是要系统深入地研究城市交通流网络流的形成机理与演变规律。从微观的角度，需要研究司机的驾驶行为以及其特性，以便于了解道路上交通流的特征及其演化规律。要深入了解各种宏观交通现象，揭示交通系统的内在规律，并有效地预防和解决实际生活中交通存在的各种问题，就必须同时考虑微观交通流状态和宏观交通现象，并建立微观复杂状态与宏观复杂现象之间的联系，将有助于科学的规划城市时空结构、提出缓解和抑制交通拥堵的有效策略，从而指导交通实践。 城市交通拥堵是最为常见的一种交通现象，当交通需求和供给在某一时刻产生矛盾时所引起的交通滞留现象。它是由于道路交通设施所能提供的交通最大容量不能够满足当前交通需求，并且又不能及时疏通的结果。根据表 1.1 中显示2014 年第二季度全国重点城市拥堵前十大城市：在第二季度全国重点城市最拥堵的 10 个城市排名中，上海成为第二季度全国平均交通拥堵指数最高的城市。表 1.1 中显示在第二季度排名前 6 的城市拥堵延时指数均在 2 以上。表明由于交通拥堵，人们外出将要花费在非拥堵状态下 2 倍以上的时间到达目的地。其中上海拥堵程度排名位居第一，拥堵延时指数为 2.16，外出平均拥堵时长为 15.73 分钟。然而杭州超过北京成为第二大拥堵城市，平均拥堵延时指数为 2.10。拥堵不但是一线大城市的难题，还使我国二、三线城市的交通拥堵情况更加严重，以至于影响部分县城。 

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1.2  交通流理论的研究 
交通流理论是分析研究道路上机动车和行人在交通流变化规律的方法体系，可以分为传统和近代两部分，通常是根据研究的手段和方法来划分的[2]。传统交通流理论是指把微积分和数理统计等传统物理和数学方法作为研究交通流理论的基础。交通流模型的限制条件其明显的特征是苛刻，模型推导过程较为严谨，模型的物理意义明确。然而近代交通流理论是凭借现代科学技术和方法（如模糊控制、模拟技术、神经网络等）作为主要研究手段对复杂交通流现象进行模拟、解释与预测。所采用的模型和技术明显特征是不遵循严格意义上的数学推导和明确的物理意义，反而重视模型和方法对真实交通流的模拟效果。此外，近代交通流理论与传统交通流理论并不是完全分开的两种理论体系，只不过区别在于它们所采用的主要研究手段，在研究不同的问题时他们有各自的优缺点。 在 20 世纪 30 年代，交通流理论开始发展起来，将交通车流看成是独立的随机变量，基于概率论数理统计理论来研究交通流的规律。这种理论为 Kinzer 首先提出泊松分布应用于交通流分析的可能性[5]；Adams[6]研究出相关的交通流数值结果；B,D.Greenshields[7]总结出现今仍广泛使用的速度与密度线性平衡表达式；以及 Greenshields 等人分析和研究道路中交叉口系统利用了泊松分布等研究工作，为今后交叉口方面奠定了基础[8]。50 年代随着汽车工业的快速发展，道路上行驶车量急剧增加。学者们相继提出了车辆跟驰模型[9-12]、运动学模型、排队论等研究方法。70~80 年代流体力学理论和非线性科学的推动下，H.J.Payne是将交通流动量方程和连续性方程结合建立了交通流动量高阶模型[13,14]；90 年代 Nagel 和 Schreckenberg 提出了著名的元胞自动机模型[15]（CA 模型）。交通流理论正处在不断完善的过程，今后将使交通流理论完善和发展。综上所述，从总体来讲道路交通流理论模型可以分为宏观方法、微观方法、中观方法[16]。 
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第 2 章 元胞自动机模型 

2.1  元胞自动机的定义、构成 
元胞自动机模型作为一种时间、空间、状态都离散的微观模型，被广泛应用于物理学、数学、计算机科学和生物学的研究中。因此，在不同的领域对元胞自动机也有不同的解释。计算机科学把它当成人工生命和人工智能的一个重要部分。生物学把它当成一种抽象的生命现象。 然而，在物理学中认为元胞自动机是一种可以在离散的时间维度上进行演化的动力学系统。它将元胞空间上离散、有限状态的元胞按照规定的演化规则进行运动。在其模型中，，一定形式的规则网络将空间分割为许多单元。其中元胞就是规则网格中的每一个单元，而且它只允许在有限的离散状态集下取值。模型中所有元胞要遵循同样的演变规则，并且根据局部规则进行更新。模型中大量元胞之间的相互作用形成了系统的动态演化。与其他动力学模型相比，不是由物理函数或者方程式来确定元胞自动机，而是由一系列的动态演化规则形成。传统物理学中近距离作用的“场”与元胞自动机相比有相似之处。元胞所分散在空间上网格点的集合就是元胞空间。按照任意的欧几里得空间规则来划分就可以得到元胞空间。以前大部分是对一维和二维元胞自动机进行研究，然而高维元胞自动机的研究很少。一维元胞自动机只有一种形式划分元胞空间；然而划分高维的元胞自动机的元胞空间则可能有很多种形式。 元胞的邻居是指当元胞状态进行更新时搜索的空间区域。元胞自动机是局部演化规则，也就是只要知道其邻近元胞的状态就可以对指定元胞的状态进行更新。 演化规则是当元胞在进行更新时，凭借当前状态和其邻居状态来确定的下一时刻状态的动力学局部状态转移函数。演化规则是元胞自动机模型的精华所在。而且演化规则设计的合理性将直接决定元胞自动机模型成功是否。 
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2.2  元胞自动机的边界条件 
对元胞自动机交通流模型进行研究时，车辆更新方式是对该模型进行模拟之前要确定的，此外还要明确系统所采用的边界条件。因为在模拟指定的元胞自动机演化规则时，系统是必须是有限的或者有边界的，不可能处理无限的网格。其中，主要的元胞自动机模型边界条件包括两种：①周期性边界条件；②开放性边界条件。下面将对这两种边界条件进行介绍。采用周期性边界条件时，车辆的数目在元胞自动机交通流模型中是恒定值。周期型是将边界连接起来的元胞空间。相对于元胞自动机模型来说：周期性边界条件下，在一维系统模型中形成很多个元胞首尾连接的“圆圈”。然而，在二维元胞自动机模型中，周期性边界条件则表现为在元胞空间中形成一个类似于车胎的圆环面。设定模型中行驶车道的长度是由 L个元胞组成。在所监测道路上，将入口处元胞设置为 0。当系统呈现初始状态时，系统中存在一定数量的运行车辆。并且根据设定的车辆演化规则进行车辆位置和速度的并行更新。
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第 3 章 单车道 T 型交叉口多速混合交通流元胞自动机模型研究 ..... 18 
3.1  引言 ....... 18 
3.2  模型 ....... 18 
3.3  车辆演化规则 ........ 19 
3.4  数值模拟与分析 .... 20
3.5  结论 ....... 24 
第 4 章  双车道 T 型交叉口多速混合交通流元胞自动机模型研究 ..... 26 
4.1  引言 ....... 26 
4.2  模型 ....... 26 
4.3  演化规则 ........ 27 
4.4  数值模拟及分析 .... 28 
4.4.1  支道转向概率对各条车道流量的影响 .......... 29 
4.4.2  支道注入概率对 T 型交叉口各个车道的影响 ...... 31 
4.5  本章小结 ........ 35 
第 5 章 总结与展望 .... 37 

第 4 章  双车道 T 型交叉口多速混合交通流元胞自动机模型研究

4.1  引言 
随着经济的发展和社会的需求，使路网中的道路纵横交错。路段和交叉口构成复杂的公路网络。道路交叉口的交通特性越来越复杂，观测数据比较困难，道路拥堵和阻塞现象频拼发生。资料显示：有超过 50%的道路交通事故发生在交叉口路段，车辆通过交叉口时将延误整个行程 30%以上的时间。由以上数据可以看出交叉口在整个交通路网中的重要地位。然而，无信号控制 T 型交叉口作为数量较多的交叉口之一，其通行能力直接影响整个道路网络的通行能力。因此，对无信号灯控制的 T 型交叉口通行能力进行研究成为交通流研究的重点和难点。许多专家学者对 T 型交叉口进行细致的研究[70-73]。张兴强等将右转向机动车和直行自行车作为对象，研究了交叉口混合交通流的机非干扰机理。李新刚等在主车道用两种不同的避免碰撞规则来模拟无信号 T 型交叉口主车道和支道的交通流流量。范洪强等研究了无信号 T 型交叉口主干道车辆流入率以及各车道的左转车流和右转车流对交叉口的影响。
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结论

进入 21 世纪以来，随着社会的迅猛发展，城市化及机动化进程使城市交通中交通秩序混乱、道路拥挤、车辆堵塞的现象频发。目前，交通问题已经成为刻不容缓解决的难题。越来越多的国内外专家学者投入到交通流理论的研究中。因此，元胞自动机模型凭借其独特的优势在微观、离散模型中被广泛使用。城市道路中的交叉口作为交通瓶颈容易产生拥挤排队和交通堵塞现象。 T型交叉口作为道路中常见的交叉口形式之一，在系统中存在复杂的交通行为。左转向车流、直行车流、右转向车流在交叉口处进行分流、合流、交汇，并产生冲突点。本文在参阅了大量与交通流理论相关的文献后，依据现有的元胞自动机交通流模型的原理，建立了两种符合我国实际交通状况的T型交叉口元胞自动机多速混合交通流模型。主要展开了如下内容的一些研究工作，并得到了一些可行的成果： 
（1）建立了开放边界条件下支道为单车道的 T 型交叉口多速混合交通流元胞自动机模型。在 5 种混合速度比例系数条件下对 T 型交叉口模型进行了模拟仿真研究。结果表明：在速度混合比例中快车的数量越多，平均速度和流量越大，而车辆密度则越小。主干道注入概率在一定范围内对 T 型交叉口系统各条道路的平均速度、密度、流量产生影响。 
（2）建立了开放边界条件下支道为双车道的 T 型交叉口多速混合交通流元胞自动机模型。在不同支道左转向概率条件下对 T 型交叉口模型进行了模拟仿真研究。结果表明：支道左转向概率、速度混合比例在一定范围内对系统各条道路流量产生影响。随后研究了在 5 种混合速度比例系数条件下，支道注入概率与系统中各条道路的平均速度、密度、流量的关系。 
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参考文献(略)

本文编号：54304