基于混合Petri网的城市道路交通网络建模与仿真

论文摘要

随着经济的发展,我国城市道路交通问题日益严重,迫切需要相关部门加强交通管理与控制。交通信号灯是交通控制的主要手段之一,为了得到最优或比较理想的交通信号配时方案,有必要对城市道路交通网络进行建模、模型分析和仿真运行。本文提出了一种基于混合Petri网的面向控制的模块化城市交通网络仿真模型。文中采用层次化的建模方法:首先建立交通网络的轮廓模型,然后对轮廓模型中描述交通网络的关键要素(如交叉口、信号灯等)部位给出加细模型。这种建模方法清晰地描述了各个行驶方向的交通流在交叉口处的转向以及可能出现的冲突情况。此外,将时间因素加入系统模型中,使模型不仅能够反映交通流之间的逻辑关系,而且对车辆的位置、速度、通过时间等物理因素进行描述。模型的仿真运行是本文的另一个重要内容。我们为仿真模型设计了合适的数据结构,其中包括连续部分和离散部分。仿真程序将所需的数据读入后,声明各种数据类型的变量,并对这些变量赋予相应数值。仿真运行开始,首先是交通网络中信号灯模型的仿真运行,其次是在信号灯的控制之下整个交通网络的仿真运行。整个仿真过程分为若干个仿真时段,在每一个仿真时段内,仿真程序按照一个合适的次序依次查看系统模型中的每一个变迁,发生使能的变迁,修改这个变迁前集和后集库所中的标记数值。模型仿真运行过程中同时计算交通信号配时方案的性能评价指标,在本文中我们选择用来计算的指标是平均排队长度(AQL)和平均延误时间(ATD)。这样,就可以对各种具体的信号配时方案的性能指标进行比较和评估,以便找出最优或比较理想的交通控制方案。最后,文中通过一个仿真实例对系统模型的运行进行计算机仿真。我们所提出的建模、模型分析与仿真的方法针对的是真正意义上的城市道路交通网络。这种方法具有模块化分层特点,整个建模过程依次得出的是轮廓模型和加细模型,连接不同精度系统模型的是Petri网替换运算。并且,交通网络的关键要素部位都有其各自的子模块模型。由于建模的分层加细操作是连贯的、连接无缝的,因此一旦输入相关数据,对模型的仿真和对性能指标的计算就可自动进行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 城市道路交通系统仿真的研究意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 道路交通系统仿真的研究现状
• 1.2.2 Petri网用于城市道路交通网络仿真的研究进展
• 1.3 论文的主要内容和章节安排
• 2 基本概念和相关术语
• 2.1 城市道路信号控制交通网络
• 2.1.1 交通信号控制
• 2.1.2 城市道路交通网络
• 2.2 时间混合Petri网
• 2.2.1 原型Petri网与加权Petri网
• 2.2.2 时间混合Petri网及其运行规则
• 2.2.3 Petri网替换运算简介
• 3 基于时间混合Petri网的模块化交通网络建模
• 3.1 整个交通网络的轮廓模型
• 3.2 不考虑交通信号灯的单个交叉口连续Petri网模型
• 3.3 单个交叉口交通信号灯的时延Petri网模型
• 3.4 单个交叉口的时间混合Petri网模型
• 3.5 城市交通网络的加细模型
• 4 系统模型的计算机仿真实现
• 4.1 仿真模型的数据结构
• 4.1.1 连续部分
• 4.1.2 离散部分（交通信号灯）的数据类型
• 4.2 数据输入和变量赋值
• 4.3 仿真运行
• 4.3.1 交通信号灯模型的仿真运行
• 4.3.2 交通网络系统模型中连续变迁的使能情况
• 4.3.3 分类说明交通网络系统模型中连续变迁的仿真运行
• 4.3.4 交通信号控制下整个交通网络的模型仿真运行
• 5 信号配时方案性能评价指标的计算和仿真实例
• 5.1 信号配时方案性能评价指标的计算
• 5.2 仿真实例
• 6 总结与展望
• 6.1 内容总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢