基于元胞自动机的快速路交通流建模与仿真研究

论文摘要

随着我国的交通设施建设资金投入不断增加,城市化、机动化进程迅速加快,城市快速路迅猛发展,已经成为联系城市各区域的重要干道。在快速路系统中,两个相邻匝道的距离较近时,会形成交通冲突区,即交织区;交织区在入口匝道和出口匝道处经常造成交通拥塞,严重影响了快速路的重要功能,成为制约城市交通的一个瓶颈。长期以来由于受技术手段等原因的限制,对交织区交通流特性方面的研究较少;随着计算机仿真技术的不断发展,可以利用该技术对其进行研究。元胞自动机作为一种离散性微观模型,关注交通流中个体车辆的运动状态,可以方便灵活地修改其更新规则,适合用于快速路交通流仿真研究。本文首先对交通仿真技术及其研究现状进行了分析,论述了元胞自动机技术及其在交通仿真中的应用。重点对交织区交通流规律进行研究,基于元胞自动机理论建立了交织区断面发车模型和仿真模型,并在此基础了设计开发了一个交织区交通仿真原型系统。本文主要工作如下:(1)在交织区实测数据的基础上,利用统计学、概率学方法对交织区各入口断面的车辆到达规律、车速规律进行了研究,建立了交织区断面发车模型,给出了模型实现的计算机算法,并利用实测数据确定了相关参数,进行了拟合检验。建立的模型参数易于修改,具有很好的通用性。(2)充分考虑到辅道交通流对交织区的影响,以元胞自动机NS模型为基础,通过设定跟车规则、换道规则,对一个包含入口匝道、出口匝道、主线车道和辅道的快速路交织区系统建立模型进行微观仿真。仿真得出交织区长度对流量、密度、速度等交通流参数的影响及最优交织区长度参考值,并用HCM经验公式的计算结果验证了模型。(3)在建立断面发车模型、仿真模型的基础上,采用面向对象方法设计开发了一个交织区交通仿真原型系统。该原型系统能对不同交通流条件下的快速路交织区进行仿真,且方便修改仿真参数,具有良好的可扩展性、灵活性和交互性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究的内容及意义
• 1.2.1 基本概念
• 1.2.2 课题研究内容
• 1.2.3 课题研究意义
• 1.3 研究的技术路线
• 1.4 课题研究方法
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 交通仿真与元胞自动机技术综述
• 2.1 引言
• 2.2 交通仿真概述
• 2.3 交通仿真模型的研究现状
• 2.3.1 国外研究现状
• 2.3.2 国内研究现状
• 2.4 元胞自动机技术
• 2.4.1 元胞自动机的概念
• 2.4.2 元胞自动机的构成
• 2.4.3 元胞自动机的应用
• 2.5 元胞自动机在交通仿真中的应用
• 2.5.1 交通微观仿真模型的发展
• 2.5.2 典型的交通元胞自动机模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 交织区断面发车规律研究
• 3.1 引言
• 3.2 交织区车辆运行特性分析
• 3.2.1 合流处车辆运行特征
• 3.2.2 分流处车辆运行特征
• 3.2.3 交织区内车辆运行特征
• 3.3 数据采集与处理
• 3.3.1 数据采集的目的
• 3.3.2 数据采集的内容
• 3.3.3 数据采集的方法
• 3.3.4 数据的处理
• 3.4 断面车辆生成建模
• 3.4.1 随机数的产生
• 3.4.2 断面车辆生成规律研究
• 3.4.3 模型的计算机算法实现
• 3.5 车速正态分布生成建模
• 3.5.1 正态分布随机变量的产生
• 3.5.2 模型建立与计算机算法实现
• 3.6 模型验证
• 2拟合检验'>3.6.1 断面车辆生成模型的x²拟合检验
• 2拟合检验'>3.6.2 车速正态分布模型的x²拟合检验
• 3.7 本章小结
• 第四章 交织区的元胞自动机仿真建模
• 4.1 引言
• 4.2 仿真模型描述
• 4.3 跟车模型的建立
• 4.3.1 车辆的跟车行为
• 4.3.2 跟车规则
• 4.3.3 边界及跟车冲突的解决
• 4.4 换道模型的建立
• 4.4.1 换道规则
• 4.4.2 特殊的换道情形
• 4.5 仿真实验
• 4.5.1 车流密度、出匝流量与交织区长度关系
• 4.5.2 主线平均速度与交织区长度关系
• 4.6 模型验证
• 4.7 本章小结
• 第五章 交织区仿真软件的设计开发
• 5.1 引言
• 5.2 面向对象方法
• 5.3 系统的功能介绍
• 5.4 系统的总体设计
• 5.4.1 总体框架
• 5.4.2 类的设计
• 5.5 系统的模块设计
• 5.5.1 输入模块
• 5.5.2 仿真模块
• 5.5.3 输出模块
• 5.6 系统界面
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文