基于粒计算和元胞自动机的交通流系统设计

论文摘要

元胞自动机(Cellular Automata,简称CA)是一种时间、空间和变量均离散的数学模型,已被广泛应用于各种物理现象的模拟。粒及粒计算的概念来自Rough集理论,是Rough集理论的扩展。在本文中,基于粒计算和元胞自动机模型,提出了全新的基于元胞、粒和交通网络三层结构的交通流系统,从根本上改变了传统交通流模拟系统的架构,定义了全新的流程框图以及相关数据结构。在此交通流模拟系统中,粒及粒计算的思想反映为系统设计中的车队概念,而在某一时间步进内,交通网络中所有车辆的更新将按照路段、车队、车辆的层级顺序进行。在此交通流模拟系统的设计过程中,对传统的NS模型及其衍生模型的车辆运行变化规则算法进行了大幅改进,更好地适应了实际的交通运行状况。此外,此交通流模拟系统的设计过程中影响车辆运行状况变化的各种参数也保证了整个系统良好的可扩展性。利用面向对象程序设计思想,在Visual Studio.NET平台下实现了该系统,并与传统的基于NS模型的交通流模型进行了对比。结果表明,与传统NS模型相比,改进后基于元胞、粒和交通网络三层结构模型的交通流系统中,拥塞簇现象发生频率明显减小(特别是车流密度大时),车辆平均运行速度显著提升。本文的创新点有:1、将粒及粒计算思想与元胞自动机模型相结合,设计并实现了改进后的的交通流模拟系统;2、建立了基于元胞、粒及交通网络三层结构的交通流模型,运用了一种新的结构来研究交通流;3、设计并实现了一个具有一定可扩展性的交通流系统以供他人依据实际情况进行模拟或预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 交通流理论的发展
• 1.2 交通流理论的研究
• 1.3 元胞自动机交通流模型的发展
• 1.4 本文主要工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 本文采用的思想和技术
• 2.1 粒计算的发展简介
• 2.2 粒及粒计算
• 2.2.1 粒的定义
• 2.2.2 粒的基本计算
• 2.2.3 粒的思想与元胞自动机模型的关系
• 2.2.4 粒计算的思想在本文交通流模拟系统的体现
• 2.3 车队的划分规则
• 2.4 本章小结
• 第三章 交通流模拟系统的总体设计
• 3.1 基本流程框图
• 3.2 交通流模拟系统的类设计
• 3.2.1 道路信息类
• 3.2.2 车队信息类
• 3.2.3 车辆信息类
• 3.2.4 可用标签索引类
• 3.2.5 显示车辆类Label
• 3.3 交通流模拟系统基本数据结构
• 3.4 交通流模拟系统的基本设定
• 3.5 本章小结
• 第四章 交通流模拟系统的详细设计
• 4.1 初始化道路信息模块
• 4.2 更新车辆速度模块
• 4.2.1 粒计算下的NS模型的速度更新策略
• 4.2.2 头车集合中的车辆速度更新流程
• 4.2.3 中间车集合中的车辆更新流程
• 4.2.4 尾车集合中的车辆速度更新流程
• 4.2.5 其它一些问题
• 4.3 更新车辆位置模块
• 4.4 删除出界车辆模块
• 4.5 合并车队和分离车队模块
• 4.6 新车进入车道模块
• 4.7 本章小结
• 第五章 交通流模拟系统的实现
• 5.1 系统实现语言及平台简介
• 5.2 交通流模拟系统计算模块的总体实现
• 5.3 更新车辆速度模块的实现
• 5.4 更新车辆位置模块的实现
• 5.5 合并车队模块的实现
• 5.6 分离车队模块的实现
• 5.7 本章小结
• 第六章 交通流模拟系统的运行及数据统计分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果