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交通流元胞自动机模型的解析与应用研究

作　者: 贾宁
导　师: 马寿峰
学　校: 天津大学
专　业: 系统工程
关键词: Nagel-Schreckenberg 模型解析研究最优速度模型比较研究动态特性机非混行交通流
分类号: U491.112
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 425次
引　用: 2次
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内容摘要

元胞自动机是近年来兴起的用于交通流建模的重要工具,本文围绕一维交通流元胞自动机模型,从理论和应用两个方面展开研究。相对于应用研究,元胞自动机交通流模型的理论研究比较匮乏,这是本文研究的重点,完成了以下工作:(1)元胞自动机模型“基于规则,自底向上”的特点,导致解析研究非常困难。本文进行了开放边界NS模型的解析研究,根据模型的微观规则解释了宏观现象产生的机理,首次证明了在标准边界条件下,该模型几个重要的宏观统计量,包括入境流量、道路通行能力、全局密度、畅通/阻塞状态下的密度剖面等都存在精确的解析结果。对扩展左边界条件,本文提出了一种更简洁的入境流量解析化方法,同时给出了密度剖面的解析结果。(2)元胞自动机模型与车辆跟驰模型之间的区别和联系是理论研究中屡屡被提到的问题。本文选取最优速度模型与VDR模型进行了比较研究。首先通过对模型规则的分析,证明了确定NS模型是OV模型的一种离散形式。随后针对两模型更复杂的具体形式,使用数值仿真的手段,从基本图和交通流演化两方面进行了对比研究。应用方面,本文包括以下两方面的研究:(1)对于任何一个动态系统,动态特性和稳态特性有着同样重要的意义。本文使用VDR模型构建了一条仿真道路,将入境流量视为系统的输入、道路上车辆的全局密度作为输出,用数值仿真的方法研究了在输入信号变化时系统输出的动态和稳态过程,发现在自由流状态下,系统的响应十分迅速,稳态过程非常平稳。而在阻塞状态下,系统响应迟缓,而且出现了超调和周期震动等现象。对交通系统动态特性的考察,是以往研究中少见到的。(2)国内道路上最常见的交通形式是机非混行,现有的机非混合模型往往将机动车和非机动车采用同样的处理方式。本文采用两种不同的元胞自动机模型来分别描述机动车和自行车的行为,根据实测结果,用摩擦干扰和阻滞干扰体现自行车对机动车的干扰作用,建立了自行车干扰下机动车交通流模型并利用数值模拟研究了其行为。与实测数据进行了对比,说明该模型能够一定程度上反映真实情况。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-28
  1.1 交通流理论研究的作用和意义  9-10
  1.2 交通流理论概述  10-14
    1.2.1 交通流的主要参数  10-11
    1.2.2 交通流建模的作用和意义  11-12
    1.2.3 交通流建模的主要方法  12-14
  1.3 元胞自动机与交通流模型  14-20
    1.3.1 元胞自动机  14-16
    1.3.2 元胞自动机交通流模型  16-20
  1.4 NS 及其相关模型的研究综述  20-23
    1.4.1 边界条件  20-22
    1.4.2 NS 及其相关模型的研究现状  22-23
  1.5 本文主要工作  23-26
  1.6 研究框架  26-28
第二章开放边界NS 模型中入境流量的解析研究  28-46
  2.1 开放边界NS 模型中的左边界条件  28-30
  2.2 标准左边界条件下入境流量的解析化  30-40
    2.2.1 进入规则引起的减速现象  30-32
    2.2.2 左边界行为的建模  32-36
    2.2.3 入境流量的求解  36-40
  2.3 扩展左边界条件下入境流量的解析化  40-43
  2.4 对随机NS 模型的讨论  43-45
  2.5 本章小结  45-46
第三章开放边界NS 模型中通行能力的解析研究  46-60
  3.1 开放边界NS 模型中的右边界条件  46-47
  3.2 标准右边界条件的通行能力  47-51
  3.3 信号灯右边界条件  51-58
  3.4 本章小结  58-60
第四章开放边界NS 模型中全局密度与密度剖面的解析研究  60-76
  4.1 开放边界NS 模型的全局密度与密度剖面  60-61
  4.2 开放边界NS 模型的全局密度的解析研究  61-64
  4.3 开放边界NS 模型密度剖面的解析研究  64-75
    4.3.1 自由流状态的密度剖面  64-73
    4.3.2 阻塞相的密度剖面  73-75
  4.4 本章小结  75-76
第五章 NS 模型与最优速度模型的比较研究  76-91
  5.1 元胞自动机模型与跟驰模型  76-77
  5.2 模型介绍  77-78
  5.3 解析研究  78-82
    5.3.1 模型规则  78-80
    5.3.2 基本图  80-81
    5.3.3 速度剖面  81-82
  5.4 仿真分析  82-89
    5.4.1 基本图  82-84
    5.4.2 交通流运动行为  84-89
  5.5 本章小结  89-91
第六章基于元胞自动机模型的单车道动态特性研究  91-104
  6.1 动态性能与稳态性能  91-92
  6.2 道路交通系统动态性能研究的意义  92-93
  6.3 实验设计  93-94
  6.4 仿真实验与分析  94-102
  6.5 本章小结  102-104
第七章自行车干扰下机动车交通流的元胞自动机建模  104-113
  7.1 混合交通流的元胞自动机建模  104-105
  7.2 模型的建立  105-108
    7.2.1 机动车流模型  105
    7.2.2 自行车流模型  105-106
    7.2.3 自行车流对机动车流的干扰作用  106-108
  7.3 计算机模拟及结果讨论  108-112
    7.3.1 两种干扰形式的对比  108-110
    7.3.2 非机动车干扰对机动车基本参数的影响  110-111
    7.3.3 与实测结果的对比  111-112
  7.4 本章小结  112-113
第八章总结和展望  113-116
  8.1 论文工作总结与创新点  113-114
  8.2 研究展望  114-116
参考文献  116-126
发表论文和科研情况说明  126-127
致谢  127

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