基于元胞自动机的城市交通系统模拟与宏观基本图影响因素研究

发布时间：2020-04-14 23:11

【摘要】：近年来,随着社会、经济以及城镇化的快速发展,城市人口数量和城市规模不断增大。但由于汽车增长速度过快,城市发展仍难以满足城市交通运输的需求,城市交通拥堵已成为城市发展的最大障碍。为了缓解城市交通拥堵,许多学者在城市交通流理论与仿真模拟领域做了很多重要的研究工作,提出的模型包括宏观模型、中观模型和微观模型,重现和解释了许多复杂的交通流现象。上世纪九十年代以来,交通流元胞自动机模型受到交通领域学者和工程师的青睐,成为了新的研究热点。本文研究了边界流量控制策略、信息反馈策略和路网结构对交通系统宏观基本图的影响。利用元胞自动机模型,对曼哈顿型的城市交通系统进行仿真,模拟了交通中的车辆行为,包括车辆跟随、车辆换道、交叉口穿越和驾驶员的路径选择行为,并对城市交通系统的宏观性质进行研究,分析了多种因素对城市交通系统宏观基本图的影响。本文的主要工作如下:(1)采用元胞自动机模型对城市交通系统进行建模,模拟分析了城市交通系统的边界流量控制问题。我们发现,城市核心区域和周边区域的宏观基本图具有不同的形状和特征。宏观基本图显示城市交通流呈现三种状态:自由流状态、饱和状态和拥塞状态。我们提出的边界流量控制策略中,控制进入核心区域道路的边界交通灯,为周边车辆进入核心区域分配一个特殊的禁止阶段。当核心区域的车辆密度超过阈值ρ1时,所有边界交通灯将变成禁止状态;当核心区域的车辆密度降低到另一阈值ρ2(ρ2ρ1)时,所有边界交通灯都恢复到正常相位。边界流量控制策略的两个临界密度ρ1和ρ2由核心区域的“流量-密度”关系即宏观基本图决定。模拟显示,边界流量控制策略可以大大提高系统的平均到达率和平均流量,并提高交通系统拥挤的临界密度,降低交通系统堵塞概率。此边界流量控制策略在封闭边界条件和开边界条件下都能很好地发挥作用。(2)提出了基于先进信息反馈的改进含时最短路径策略。随着现代智能交通系统技术的发展,采集出行时间信息成为可能,并可据此为驾驶员建议出行路径。由于交通系统的复杂性,交通信息反馈可能会导致一些重要区域(如中央商务区)出现严重拥堵。基于先进的信息反馈,我们提出了一种改进的含时最短路径选择策略(ITSP)。在ITSP策略中,通过提高核心区域交通成本的参数α,降低车辆进入核心区域的概率,从而降低核心区域的车辆密度。本文基于元胞自动机交通模型,研究了 ITSP策略对曼哈顿型城市交通系统性能的影响。我们发现,当α略大于1.0时,与没有信息反馈(GSP)或提供实时出行时间信息(TSP)的情况相比,交通系统的性能会得到提高。在车辆总数固定的情况下,ITSP策略可以提高车辆的平均到达率和交通流量。在交通加载且车辆总数可变情况下,ITSP策略可以降低车辆密度,避免交通堵塞,提高系统可靠性。此外,我们还探讨了不同的核心区域规模和不同起讫点(Origin-Destination)模式对交通性能的影响。(3)研究了不同长宽比的矩形城市交通路网结构对交通系统性能的影响。保持矩形交通路网的总面积相同,改变路网长宽比。模拟了地理最短路径选择策略(GSP)和含时最短路径选择策略(TSP)情况下的交通系统性能。在封闭边界条件下,正方形路网平均到达率最大值可以达到最大,但正方形路网临界拥挤密度最低。随着长宽比增大,平均到达率减小,临界拥挤密度增大。在具有时变加载过程的开边界条件下,正方形路网具有较好的性能。我们通过分析车辆加载率与到达率的平衡,解释了这一现象。本文的结果可以对缓解城市交通拥堵提供理论指导,并为建立合理的交通管理措施和控制策略提供借签。
【图文】：

未来交通,百度,中国社会科学院,太原

设施建设投入巨大，但是仍然很难满足交通运输的需求。逡逑车辆在提供方便的同时，也会造成拥堵。交通堵塞己经成为城市难题。由于逡逑交通堵塞，人们出行时间成本大幅度提高，对生活和工作带来很大影响。图１．１逡逑和图１．２所示为北京和太原的交通拥堵。我们可以使用高峰平均速度、人均年拥逡逑堵成本（小时）、高峰拥堵延时等指标反映城市交通拥堵的状况。拥堵延时指数逡逑是指城市居民平均一次出行实际旅行时间与自由状态下旅行时间的比值。道路越逡逑拥堵，拥堵延时指数越高［２］。逡逑图ｕ北京市区交通拥堵状况，该图源于百度逡逑１逡逑

基本图,关系模型,模型,密度

性的速度－密度函数关系［６４－６５］。此后，学者们提出了多种基本图模型，，如逡逑Ｇｒｅｅｎｓｂｕｒｇ模型［６６］、Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄ模型［６７］、Ｄｒａｋｅ模型［６８］、Ｎｅｗｅｌｌ模型［６９］、逡逑Ｍｕｎｊａｌ－Ｐｉｐｅ模型［７０］、Ｅｄｉｅ模型［７１］和Ｍａｙ模型［７２］等。常见的几种基本图如图１．３逡逑所示。逡逑在基本图中，一般存在三种状态：逡逑（１）
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U491

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