基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟：(一)建立由多個(gè)雙向兩車道組成的城市路網(wǎng)；(二)建立車道上的車輛更新規(guī)則；(三)建立交叉口處的車輛更新規(guī)則，其中交叉口內(nèi)元胞和交叉口外圍元胞上的車輛遵循不同的更新規(guī)則，以及建立避免死鎖規(guī)則；(四)將N輛車隨機(jī)分布于城市路網(wǎng)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其中車遵循步驟(二)和(三)的規(guī)則行駛；(五)采集步驟(四)的車的出行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算和分析，用以評(píng)價(jià)城市路網(wǎng)的交通流的特性。該方法可真實(shí)反映雙向交通道路和交叉口復(fù)雜的車流運(yùn)行狀態(tài)，提高在交通仿真的真實(shí)性。
【專利說明】基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及交通工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種城市路網(wǎng)交通流的仿真設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 交通仿真是隨著計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的采用計(jì)算機(jī)數(shù)字模型來反映復(fù)雜 交通現(xiàn)象的交通分析技術(shù)和方法。近幾十年來，不同領(lǐng)域的研究者從各自的角度對(duì)道路交 通流的特性進(jìn)行了分析，建立了許多交通流理論和模型。其中，二維元胞自動(dòng)機(jī)模型是研究 城市路網(wǎng)交通流的有效工具。但是，現(xiàn)有的元胞自動(dòng)機(jī)模型都對(duì)交通的局部規(guī)則進(jìn)行了大 量簡(jiǎn)化，很難真實(shí)反映交叉口復(fù)雜的車流運(yùn)行狀態(tài)，這大大降低了模型在交通仿真中的真 實(shí)性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，確有必要提供一種基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方 法，該方法可真實(shí)反映交叉口復(fù)雜的車流運(yùn)行狀態(tài)，提高在交通仿真中的真實(shí)性。
[0004] -種基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟：
[0005] (一），建立城市路網(wǎng)：
[0006] 城市路網(wǎng)由SXS條道路組成，每條道路包括相向行駛的兩個(gè)車道，每條車道被分 割成L個(gè)元胞，以使每個(gè)元胞容納一輛車，其中該SX S條道路形成多個(gè)交叉口，交叉口停車 線前方設(shè)禁止變換車道線，交叉口處的元胞包括交叉口內(nèi)元胞和交叉口外圍元胞，交叉口 外圍元胞設(shè)于交叉口內(nèi)元胞的周圍，S和L均為正整數(shù)；
[0007](二），建立車道上的車輛更新規(guī)則：
[0008] (1)車按照換道規(guī)則進(jìn)行換道；
[0009] (2)換道后，各條車道上的車按照單車道模型規(guī)則前進(jìn)；
[0010](三），建立交叉口處的車輛更新規(guī)則：
[0011] (1)交叉口內(nèi)元胞上的車輛更新規(guī)則，如果車前方的元胞是空的，則車在當(dāng)前時(shí)間 步結(jié)束時(shí)向前移動(dòng)一個(gè)元胞，否則，車將停車等待；
[0012] (2)交叉口外圍元胞上的車輛更新規(guī)則，如果車前方的元胞是空的，且交叉口內(nèi)不 存在車試圖占用該元胞，則車向前移動(dòng)一個(gè)元胞，否則，車將停車等待；
[0013] (3)避免死鎖規(guī)則，當(dāng)交叉口內(nèi)元胞為空，且交叉口外圍元胞均被直行或者左轉(zhuǎn) 車輛占據(jù)時(shí)，從交叉口外圍元胞的車中隨機(jī)選擇一輛車停車等待，其余的車則前進(jìn)一個(gè)元 胞；
[0014] (四），將N輛車隨機(jī)分布于城市路網(wǎng)的元胞上以作為起始地，并為每輛車隨機(jī)分 配另一個(gè)元胞分別作為目的地，車選擇起始地與目的地之間距離最短的路完成出行，當(dāng)車 到達(dá)目的地后，再隨機(jī)選擇新的目的地，繼續(xù)在城市路網(wǎng)上行駛，其中，車遵循步驟（二）以 及（三）的規(guī)則行駛，城市路網(wǎng)的交叉口內(nèi)的元胞不作為起始地和目的地，N為正整數(shù)；
[0015] (五），采集步驟（四）的車的出行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算和分析，用以評(píng)價(jià)城市路網(wǎng)的 交通流的特性。 ^
[0016] 其中，步驟（二）中所述車按照換道規(guī)則進(jìn)行換道是指在禁止變換車道線前，車允 許借反向車道超車，如果車在反向車道行駛到禁止變換車道線時(shí)還沒有機(jī)會(huì)換回本道，則 在禁止變換車道線前停車，等待機(jī)會(huì)換回本道，其中所述本道為與車輛行駛方向一致的車 道，所述反向車道為與車輛行駛方向相反的車道。
[0017] 其中，步驟（二）中所述單車道模型規(guī)則包括加速、減速、隨機(jī)慢化和縱向位置更 新這四個(gè)規(guī)則，具體如下：
[0018] (1)加速規(guī)則，
[0019] 若 vn<vmax，則 vn+l ;
[0020] gvn = vmax，則 vn 不變，
[0021] 其中，vn表示第η輛車的速度，vn為〇到之間的任意一個(gè)整數(shù)，Vmax為最大速 度；
[0022] (2)減速規(guī)則，
[0023] 若 Hn = 0,則 vn - min (vn，dn，sn_daTOid);
[0024] 若Hn二1時(shí)，包括無信號(hào)燈控制時(shí)和有信號(hào)燈控制時(shí)兩種情形，其中，
[0025] 在無信號(hào)燈控制時(shí)，vn - min (vn, 4, sn)，
[0026] 在有信號(hào)燈控制時(shí)，
[0027] 當(dāng)前方交叉口信號(hào)燈為紅燈，或者前方交叉口內(nèi)存在車試圖占用前方停車線內(nèi)第 一個(gè)元胞時(shí)，vn - min (vn，dn, sn);
[0028] 當(dāng)前方交叉口信號(hào)燈為綠燈，且前方交叉口內(nèi)不存在車試圖占用前方停車線內(nèi)第 一個(gè)元胞時(shí)，vn - min (vn，dn, sn+l);
[0029]其中，Hn = 0表示車在反向車道上行駛，Hn= 1表示車在本道上行駛，dn表示第n 輛車與前車之間的距離，Sn表示第η輛車與前方交叉口之間的距離，（^^表示禁止變換車 道線的長(zhǎng)度； ?
[0030] (3)隨機(jī)慢化規(guī)則，
[0031]以隨機(jī)慢化概率P，vn -max (vn-l，〇)，對(duì)應(yīng)于現(xiàn)實(shí)中各種不確定性因素造成的駕 駛員的隨機(jī)減速；
[0032] (4)縱向位置更新規(guī)則，
[0033] 在 t+Ι 時(shí)亥lj，xn - xn+vn，
[0034] 其中，xn表不第η輛車在某個(gè)車道中的位置。
[00^5]其中，步驟（五）中，通過路網(wǎng)交通量、路網(wǎng)交通密度和路網(wǎng)車速來評(píng)價(jià)城市路網(wǎng) ^殳通流的，性，其中，在考察時(shí)段r個(gè)時(shí)間步內(nèi)，t時(shí)刻，隊(duì)表示路網(wǎng)中的車輛數(shù)，^ i，η表 不車道i上第η輛軸猶輔，Vt j m表示交叉口」內(nèi)第m輛車嶋時(shí)車速，％表示到達(dá) 目的地的車輛數(shù)，所述路網(wǎng)交通量按照以下公式計(jì)算：
[0036]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟： (一） ，建立城市路網(wǎng)： 城市路網(wǎng)由SX S條道路組成，每條道路包括相向行駛的兩個(gè)車道，每條車道被分割成 L個(gè)元胞，以使每個(gè)元胞容納一輛車，其中該SX S條道路形成多個(gè)交叉口，交叉口停車線前 方設(shè)禁止變換車道線，交叉口處的元胞包括交叉口內(nèi)元胞和交叉口外圍元胞，交叉口外圍 元胞設(shè)于交叉口內(nèi)元胞的周圍，S和L均為正整數(shù)； (二） ，建立車道上的車輛更新規(guī)則： (1) 車按照換道規(guī)則進(jìn)行換道； (2) 換道后，各條車道上的車按照單車道模型規(guī)則前進(jìn)； (三） ，建立交叉口處的車輛更新規(guī)則： (1) 交叉口內(nèi)元胞上的車輛更新規(guī)則，如果車前方的元胞是空的，則車在當(dāng)前時(shí)間步結(jié) 束時(shí)向前移動(dòng)一個(gè)元胞，否則，車將停車等待； (2) 交叉口外圍元胞上的車輛更新規(guī)則，如果車前方的元胞是空的，且交叉口內(nèi)不存在 車試圖占用該元胞，則車向前移動(dòng)一個(gè)元胞，否則，車將停車等待； (3) 避免死鎖規(guī)則，當(dāng)交叉口內(nèi)元胞為空，且交叉口外圍元胞均被直行或者左轉(zhuǎn)車輛占 據(jù)時(shí)，從交叉口外圍元胞的車中隨機(jī)選擇一輛車停車等待，其余的車則前進(jìn)一個(gè)元胞； (四） ，將N輛車隨機(jī)分布于城市路網(wǎng)的元胞上，并為每輛車隨機(jī)分配另一個(gè)元胞作為 目的地，車選擇起始地與目的地之間距離最短的路完成出行，當(dāng)車到達(dá)目的地后，再隨機(jī)選 擇新的目的地，繼續(xù)在城市路網(wǎng)上行駛，其中，車遵循步驟（二）以及（三）的規(guī)則行駛，城 市路網(wǎng)的交叉口內(nèi)的元胞不作為起始地和目的地，N為正整數(shù)； (五） ，采集步驟（四）的車的出行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算和分析，用以評(píng)價(jià)城市路網(wǎng)的交通 流的特性。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟（二）中所述車按照換道規(guī)則進(jìn)行換道是指在禁止變換車道線前，車允許借 反向車道超車，如果車在反向車道行駛到禁止變換車道線時(shí)還沒有機(jī)會(huì)換回本道，則在禁 止變換車道線前停車，等待機(jī)會(huì)換回本道，其中所述本道為與車行駛方向一致的車道，所述 反向車道為與車行駛方向相反的車道。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟（二）中所述單車道模型規(guī)則包括加速、減速、隨機(jī)慢化和縱向位置更新這 四個(gè)規(guī)則，具體如下： (1) 加速規(guī)則， 若 Vn〈Vmax，則 Vn+1 ; 若Vn = Vmax，則\不變， 其中，Vn表示第η輛車的速度，vn為0到vmax之間的任意一個(gè)整數(shù)，v max為最大速度； (2) 減速規(guī)則， 若 Hn = 0,則 vn - min (vn, dn, Sn dav〇id); 若扎=1時(shí)，包括無信號(hào)燈控制時(shí)和有信號(hào)燈控制時(shí)兩種情形，其中， 在無信號(hào)燈控制時(shí)，Vn - min (vn, dn, sn)， 在有信號(hào)燈控制時(shí)， 當(dāng)前方交叉口信號(hào)燈為紅燈，或者前方交叉口內(nèi)存在車試圖占用前方停車線內(nèi)第一 個(gè)元胞時(shí)，Vn - min (vn, dn, sn); 當(dāng)前方交叉口信號(hào)燈為綠燈，且前方交叉口內(nèi)不存在車試圖占用前方停車線內(nèi)第一 個(gè)元胞時(shí)，vn - min (vn, dn, sn+l); 其中，Hn = 0表示車在反向車道上行駛，Hn = 1表示車在本道上行駛，dn表示第n輛車 與前車之間的距離，Sn表示第η輛車與前方交叉口之間的距離，dav()id表示禁止變換車道線 的長(zhǎng)度； (3) 隨機(jī)慢化規(guī)則， 以隨機(jī)慢化概率P，vn - max (vn_l，0)，對(duì)應(yīng)于現(xiàn)實(shí)中各種不確定性因素造成的駕駛員 的隨機(jī)減速； (4) 縱向位置更新規(guī)則， 在 t+Ι 時(shí)亥lj，xn - xn+vn， 其中，xn表示第η輛車在某個(gè)車道中的位置。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟（五）中，通過路網(wǎng)交通量、路網(wǎng)交通密度和路網(wǎng)車速來評(píng)價(jià)城市路網(wǎng)的交 通流的特性，其中，在考察時(shí)段r個(gè)時(shí)間步內(nèi)，t時(shí)刻，N t表示路網(wǎng)中的車輛數(shù)，vt;i，n表示車 道i上第η輛車的瞬時(shí)車速，v t^m表示交叉口 j內(nèi)第m輛車的瞬時(shí)車速，Wt表示到達(dá)目的 地的車輛數(shù)，所述路網(wǎng)交通量按照以下公式計(jì)算：
其中，Q(r)表示路網(wǎng)交通量； 所述路網(wǎng)交通密度按照以下公式計(jì)算：
其中，/X〃）灰示路網(wǎng)交通密度，凡611表示城市路網(wǎng)中的元胞總數(shù)，其中，凡611 = (LX (4XSX (S-1))+4XS2)； 所述路網(wǎng)車速按照以下公式計(jì)算：
其中，只/)表示路網(wǎng)車速。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)模型的城市路網(wǎng)交通流仿真設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述元胞的長(zhǎng)度為7. 5米至15米。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104298829SQ201410541168
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】施俊慶, 程琳, 胡永舉, 李磊, 黃芳 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)