畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于元胞自動(dòng)機(jī)的城市交通仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)論文設(shè)計(jì)（論文）題目 基于元胞自動(dòng)機(jī)的城市交通仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)院名稱(chēng) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) （班 級(jí)） 交通運(yùn)輸（11級(jí)2班） 姓 名 （學(xué) 號(hào)） 指 導(dǎo) 教 師 系（教研室）負(fù)責(zé)人 2015 年 6 月 6 日目 錄中文摘要1英文摘要21引言41.1 研究背景和意義41.2 交通仿真軟件的研究概況71.3 元胞自動(dòng)機(jī)82道路交通流中的元胞自動(dòng)機(jī)模型112.1 道路交通流理論研究的意義112.2 nasch模型112.3 bml模型142.4 nasch和bml的耦合模型173交通流參數(shù)183.1 交通流量q183.2 平均速度184模型的建立和仿真結(jié)果分析194.1程序編寫(xiě)的基本思路和流程圖194.2 路段建模194.3交叉口建模204.4程序流程圖224.5元胞自動(dòng)機(jī)模型參數(shù)224.6車(chē)輛速度與交通流參數(shù)之間的關(guān)系24結(jié)論33致謝34參考文獻(xiàn)3437基于元胞自動(dòng)機(jī)的城市交通仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要:交通運(yùn)輸是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用，擁有發(fā)達(dá)的交通運(yùn)輸系統(tǒng)可以幫助人們減少在運(yùn)輸過(guò)程中的時(shí)間浪費(fèi)，能夠加快資源的運(yùn)送效率，能夠保障出行的舒適，快捷。國(guó)家或者城市的發(fā)展越來(lái)越重視交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。雖然世界各國(guó)對(duì)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的投入都非常大，但收效并不明顯，單純的通過(guò)增加道路不能從根本上解決交通擁堵,交通事故問(wèn)題。所以我們需要通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)城市路網(wǎng)進(jìn)行建模與仿真，進(jìn)一步了解路網(wǎng)的特點(diǎn)，進(jìn)而從根本上解決各種交通問(wèn)題。本文通過(guò)建立一個(gè)小型的城市路網(wǎng)，通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)的模擬仿真，分析了在路網(wǎng)中不同車(chē)流密度和不同信號(hào)燈周期的情況下，路網(wǎng)中的車(chē)輛速度會(huì)有怎樣的變化。最后發(fā)現(xiàn)，城市交通系統(tǒng)是可以通過(guò)改變信號(hào)燈控制策略和控制車(chē)輛密度來(lái)控制的。城市路網(wǎng)的規(guī)劃者可以通過(guò)仿真模擬測(cè)試出合適的信號(hào)燈周期和車(chē)輛密度，對(duì)城市交通系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，保障人們的出行效率，加快城市發(fā)展。關(guān)鍵詞：元胞自動(dòng)機(jī)，信號(hào)燈周期，車(chē)輛平均速度,車(chē)輛密度abstract: transport is foundation for country economic development. well-developed transport system can reduce wasting time during transport, and accelerate the delivery of resource efficiency, protect travelers to feel comfortable and fast. countries or cities pay more and more attention to the development of transport .although most countries pay much more on transport systems, the effect is not obvious. we cannot solve traffic problems fundamentally by increasing the roads. so we need to simulate the urban road network model by cellular automata, and learn more about the road network, then solve the traffic problem fundamentally. we should set up a small urban road network, through simulation of cellular automata; analyze the average speed of the vehicle under the different traffic densities and different cycle of lights. finally we found that urban transport system can be controlled by changing the signal controlling strategy and the vehicle density. the planners of urban road network can get the correct data of the cycle of lights and the vehicle density. then they can control the urban traffic systems effectively, ensure the travel efficiency of people,accelerate the development of cities.keywords: cellular automate, cycle lights, average speed of vehicle, vehicle density1 引 言1.1 研究背景和意義交通運(yùn)輸與人們?nèi)粘Ｉ钆c社會(huì)快速發(fā)展有著密切的關(guān)系。擁有良好的交通運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)人們生活水平的提高、社會(huì)的快速發(fā)展以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)的提升都有巨大的幫助。然而，我國(guó)目前大部分城市都存在交通擁堵問(wèn)題，究其直接原因大致可以歸納為以下兩點(diǎn)：一方面，當(dāng)今的交通設(shè)施不足以滿足人們隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展所增加的出行次數(shù)；另一方面則是交通基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)置不合理，導(dǎo)致利用率低，造成交通擁堵。國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)于國(guó)家的發(fā)展至關(guān)重要，但是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要各個(gè)方面共同努力。交通運(yùn)輸系統(tǒng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中具有不可忽視的作用。由于近些年國(guó)家城市化的快速發(fā)展，導(dǎo)致了城市中人口和車(chē)輛的迅速上升，導(dǎo)致了城市道路設(shè)施無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的汽車(chē)數(shù)量，引發(fā)了許多例如交通堵塞，交通事故，資源浪費(fèi)以及環(huán)境等問(wèn)題。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了城市、國(guó)家的發(fā)展與建設(shè)。例如北京，60年代北京汽車(chē)數(shù)量只有2000多輛，而到了1997年，北京市汽車(chē)數(shù)量已經(jīng)超過(guò)100萬(wàn)輛，再過(guò)了十年，汽車(chē)總量超過(guò)300萬(wàn)輛，直到現(xiàn)在，北京市汽車(chē)數(shù)量仍然在快速增長(zhǎng)中。由于車(chē)輛迅速增加，導(dǎo)致北京市主干道的高峰時(shí)段的平均速度低于12km/h，嚴(yán)重影響了城市交通運(yùn)輸體系，對(duì)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重的阻礙作用。據(jù)估計(jì)，由于交通阻塞所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，北京市每年損失超過(guò)60億元，因此解決交通問(wèn)題已成為發(fā)展經(jīng)濟(jì)的首要前提。實(shí)際上不僅僅在我國(guó)，世界上大部分國(guó)家都存在著各種各樣的交通問(wèn)題，即便是發(fā)達(dá)國(guó)家也存在。許多的國(guó)家通過(guò)投入大量資源試圖緩解交通壓力，但結(jié)果不盡如人意，經(jīng)過(guò)大量的研究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，想要從根本上解決道路交通問(wèn)題，不能單一地通過(guò)增加道路來(lái)實(shí)現(xiàn)。而是必須通過(guò)交通的立體化和現(xiàn)代化，借助于高新技術(shù)來(lái)改造現(xiàn)有的道路運(yùn)輸系統(tǒng)及其管理體系，對(duì)交通進(jìn)行科學(xué)的管理，才能大幅度的提高交通通行能力，改善交通問(wèn)題。但是交通問(wèn)題并不容易解決，但解決了一個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，還會(huì)出現(xiàn)其他問(wèn)題。單純的增加道路雖然能夠暫時(shí)緩解交通壓力，但有可能會(huì)對(duì)整個(gè)路網(wǎng)帶來(lái)其他的不可預(yù)知的影響。所以，想要從根本上解決交通問(wèn)題，不僅要依靠現(xiàn)有的交通資源，還需要合理的理論指導(dǎo)?？偟膩?lái)看，路上的車(chē)輛或者行人都具有像液體一樣的流動(dòng)性，可以通過(guò)流體力學(xué)這樣的學(xué)科加以研究，所以將路上的行人車(chē)輛稱(chēng)為交通流。我們需要通過(guò)對(duì)交通流進(jìn)行深入的研究才能提升道路的運(yùn)行效率，從根本上解決交通擁堵問(wèn)題。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都在仔細(xì)研究交通流理論對(duì)實(shí)際交通的具體意義。交通流是一門(mén)通過(guò)像流體力學(xué)、非線性數(shù)學(xué)和交通工程學(xué)等學(xué)科描述的一門(mén)新興學(xué)科。它可以通過(guò)建立交通流模型來(lái)對(duì)現(xiàn)實(shí)交通進(jìn)行仿真，用來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)交通的一些特性，進(jìn)而幫助城市對(duì)交通路網(wǎng)進(jìn)行更好的規(guī)劃，對(duì)交通設(shè)施進(jìn)行更加有效的布置，對(duì)交通控制系統(tǒng)的選擇有更好的幫助。因此我們需要對(duì)交通流理論進(jìn)行深入的研究。過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，出現(xiàn)了大量的交通流理論，但這些交通流理論中把單路中的交通流設(shè)定為一種固定的、沒(méi)有變化的性質(zhì)，而現(xiàn)實(shí)中的交通流是多種多樣的。所以雖然交通流理論在流體力學(xué)方面具有他特定的優(yōu)勢(shì)，但卻在微觀層次的交通分析時(shí)存在明顯的缺陷。并且，在研究交通現(xiàn)象的時(shí)候，大部分都要采用經(jīng)驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)方法，但由于交通系統(tǒng)非常復(fù)雜，系統(tǒng)收到多個(gè)因素的作用與干擾，所以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)方法和數(shù)學(xué)方法很難準(zhǔn)確的描述交通系統(tǒng)。近些年來(lái)，交通工程學(xué)中出現(xiàn)了很多新技術(shù)，對(duì)交通分析的工具要求更高，所以出現(xiàn)了通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬復(fù)雜的交通現(xiàn)象，這種方法已經(jīng)普遍應(yīng)用在了關(guān)于交通工程的多個(gè)領(lǐng)域。如今，全世界已經(jīng)存在大約一百多個(gè)交通流仿真模型，并且有大概幾十種的仿真軟件用于商業(yè)，在這方面，我國(guó)嚴(yán)重落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，需要向發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)習(xí)，并且要研究出適合自己的交通理論。我國(guó)是一個(gè)面積廣闊的國(guó)家，而且具有特殊的交通特點(diǎn)所以不能僅僅通過(guò)學(xué)習(xí)發(fā)達(dá)國(guó)家的交通仿真模型，必須要針對(duì)自己國(guó)家的城市交通特點(diǎn)來(lái)研究交通流模型，提高交通管理水平，從根本上解決我國(guó)交通問(wèn)題，更加快速的發(fā)展經(jīng)濟(jì)。元胞自動(dòng)機(jī)是由著名的計(jì)算機(jī)科學(xué)家約翰馮諾依曼所發(fā)現(xiàn)，1940年他創(chuàng)造了一個(gè)由二維網(wǎng)格組成的模型，是一個(gè)能夠自我復(fù)制的元胞自動(dòng)機(jī)模型，該模型是由數(shù)千個(gè)元胞構(gòu)成，可惜的是當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)水平比較低，約翰馮諾依曼所提出的元胞自動(dòng)機(jī)的想法在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有受到人們的重視。在之后，數(shù)學(xué)家坎威于1970年提出了生命游戲機(jī)，之后就成為了著名的元胞自動(dòng)機(jī)模型。20世紀(jì)80年代，克萊默首先通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)交通領(lǐng)域進(jìn)行研究，開(kāi)創(chuàng)了通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)研究交通流的先河。與此同時(shí)，美國(guó)天才物理學(xué)家沃爾夫正在深入研究元胞自動(dòng)機(jī)，他對(duì)元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行了分類(lèi)整理，并且在21世紀(jì)初發(fā)表了他的著作一種新科學(xué)。沃爾夫?qū)τ谠詣?dòng)機(jī)的深入研究為以后的元胞自動(dòng)機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，他所提出的184號(hào)元胞自動(dòng)機(jī)就是現(xiàn)在元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型的雛形。在19世紀(jì)90年代，德國(guó)的兩名研究人員nagel和schreckenberg通過(guò)研究184號(hào)模型，發(fā)現(xiàn)了著名的ns模型，這是一個(gè)一維的平面模型，也是在這一年，美國(guó)科學(xué)家賓漢姆等人同樣發(fā)現(xiàn)了另一種元胞自動(dòng)機(jī)模型，是一種二維的模型，就是后來(lái)的bml模型，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)用于交通領(lǐng)域起到了巨大作用。 在此之后，通過(guò)人們的不斷研究，元胞自動(dòng)機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越多，并且他的模擬精確度也越來(lái)越高。1993年，m.takayasu和h.takayasu決定在ns模型中引入慢啟動(dòng)，這樣既可以仿真出亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象和相分離現(xiàn)象，還能模擬出回滯現(xiàn)象。皮特森等人提出了一種在多車(chē)道條件下的換道模型，chowdhury和schadsch- neider等人將ns模型和bml模型結(jié)合到一起，用來(lái)仿真城市的交叉路口。nagatani 通過(guò)研究一條橫穿路網(wǎng)的道路形成的交通擁堵，發(fā)現(xiàn)并提出了平衡場(chǎng)理論，用于解決交叉口之間的沖突。在短短的幾十年內(nèi)，元胞自動(dòng)機(jī)模型飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多，人們對(duì)它的研究也越來(lái)越深，通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)能夠模擬的交通問(wèn)題也越來(lái)越逼真，元胞自動(dòng)機(jī)模型幾乎可以模擬所有的交通結(jié)構(gòu)，相信元胞自動(dòng)機(jī)能夠?yàn)榻鉀Q城市交通問(wèn)題提供很大幫助。流體動(dòng)力學(xué)、沙堆、驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散系統(tǒng)和化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用到了元胞自動(dòng)機(jī)模型中的物理系統(tǒng)，幫助多個(gè)學(xué)科有了長(zhǎng)足的發(fā)展。而且在有些系統(tǒng)中，元胞自動(dòng)機(jī)提供的信息并不多，但是卻能夠收獲很多很重要的定量信息，這對(duì)于系統(tǒng)的改進(jìn)與發(fā)展可能會(huì)起到至關(guān)重要的作用。對(duì)于有些特定的問(wèn)題，例如流體動(dòng)力學(xué)的多孔介質(zhì)模擬，元胞自動(dòng)機(jī)相對(duì)于其他的方法有著明顯的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)研究解決城市交通問(wèn)題的方法，隨著時(shí)間的推移，取得了很多成果，在一些方面甚至接近世界頂尖水平，對(duì)以后中國(guó)的城市道路建設(shè)與設(shè)計(jì)有很重要的作用。吳先宇等人給出了一種單車(chē)道雙概率元胞自動(dòng)機(jī)模型，發(fā)現(xiàn)在取得合適的概率值組合的條件下，該模型模擬的密度-流量曲線比其他元胞自動(dòng)機(jī)模型的模擬結(jié)果更加接近于實(shí)際數(shù)據(jù)曲線。雷麗等人根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)將 nasch 模型的減速規(guī)則放在隨機(jī)規(guī)則之后，新建立了一種更加接近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的交通模型，并且模擬出了亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。彭麟提出了一種城市主干道雙車(chē)道多速元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型，呂曉陽(yáng)等人通過(guò)自己提出的二維元胞自動(dòng)機(jī)模型的演化方程和速度表達(dá)式，模擬了由轉(zhuǎn)向概率引起的交通阻塞對(duì)交通流的影響。董力耘、戴世強(qiáng)提出的描述行人交通的二維元胞自動(dòng)機(jī)交通流模型，能夠研究方形網(wǎng)格上的行人運(yùn)動(dòng)。近些年，我國(guó)很多城市雖然在大規(guī)模的建設(shè)交通基礎(chǔ)設(shè)施，緩解了交通壓力，但并沒(méi)有本質(zhì)上解決交通擁堵的問(wèn)題，交通擁堵仍然時(shí)不時(shí)的發(fā)生，很多交通基礎(chǔ)設(shè)施的利用率很低，很多投資很大的交通設(shè)施并沒(méi)有得到有效利用，沒(méi)能有效改善交通狀況。我國(guó)部分城市雖然從國(guó)外引進(jìn)了相關(guān)的交通管理控制系統(tǒng)，但是由于國(guó)內(nèi)國(guó)外的交通流特性有很大差異，所以這些控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的城市中并不十分有效，所以需要專(zhuān)門(mén)對(duì)國(guó)內(nèi)交通流進(jìn)行研究，研究出對(duì)國(guó)內(nèi)城市行之有效的交通流策略。研究城市交通流理論是為了能夠建立一個(gè)能夠?qū)φ麄€(gè)城市路網(wǎng)進(jìn)行模擬的模型，通過(guò)模型來(lái)探究城市交通的規(guī)律與特點(diǎn)，解釋城市發(fā)生交通擁堵的原因。我們可以通過(guò)這個(gè)模型來(lái)研究城市路網(wǎng)的建設(shè)與規(guī)劃。在不同的研究方法下，可以將交通流模型分為4種：微觀車(chē)輛跟馳模型、元胞自動(dòng)機(jī)模型、宏觀連續(xù)模型和中觀氣體動(dòng)理論模型。元胞自動(dòng)機(jī)之所以應(yīng)用廣泛，有其特殊的優(yōu)勢(shì)，元胞自動(dòng)機(jī)很適合通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，并且能非常準(zhǔn)確的模擬顯示環(huán)境。作為城市交通中非常重要的一部分，交叉口是車(chē)輛匯集和轉(zhuǎn)向的所在地。然而交叉口也非常容易發(fā)生交通擁堵和交通事故，造成城市交通流的擁堵和阻塞，甚至導(dǎo)致城市交通癱瘓。所以交叉口對(duì)城市交通的重要性不言而喻，能夠解決交叉口的問(wèn)題就解決了城市交通的關(guān)鍵問(wèn)題，元胞自動(dòng)機(jī)模型能夠?qū)徊婵谛盘?hào)燈進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，對(duì)解決交叉口問(wèn)題有很大的幫助。1.2 交通仿真軟件的研究概況最早的交通仿真由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)不發(fā)達(dá)，并且是以圍觀模型作為基礎(chǔ)研究，所以在探索過(guò)程中，在交通仿真軟件的開(kāi)發(fā)上面發(fā)展的并不順利。之后人們開(kāi)始開(kāi)發(fā)以宏觀模型為基礎(chǔ)的仿真軟件，取得了明顯的效果。在上世紀(jì)60年代，英國(guó)的科學(xué)家robertson d.l提出了transyt模型，這是一個(gè)經(jīng)典的直到現(xiàn)在還被廣泛應(yīng)用的能夠確定交通信號(hào)最優(yōu)值得交通仿真軟件。在此基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)出來(lái)了另一種叫做scoot的交通控制系統(tǒng)的軟件，經(jīng)過(guò)在許多國(guó)家的模擬測(cè)試，取得了非常棒的效果。除此之外，還有一下軟件例如sigop、span、maxband、dasser等都非常的有效?，F(xiàn)如今，游客先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，人們又開(kāi)始了對(duì)微觀領(lǐng)域的研究，人們對(duì)于交通系統(tǒng)也有了更加清楚地認(rèn)識(shí)，隨之而來(lái)的是各種各樣的軟件，例如 synchro/simtraffic、integration、tsis/corsim、integration、getram/aimsun 等眾多的交通仿真軟件。但是交通仿真中利用元胞自動(dòng)機(jī)的時(shí)間還是比較短，所以這些軟件應(yīng)用的并不是元胞自動(dòng)機(jī)模型。在此之后應(yīng)用元胞自動(dòng)機(jī)的交通仿真模型的軟件包也是寥寥無(wú)幾。在這些軟件包中最成功的還是要數(shù)美國(guó)los alamos實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的transim軟件，這個(gè)軟件的系統(tǒng)是在ns及其衍生模型的基礎(chǔ)上編寫(xiě)的。它能夠準(zhǔn)確的模擬出路網(wǎng)中各個(gè)行人或者車(chē)輛的各種狀態(tài)，這對(duì)于日后路網(wǎng)的規(guī)劃，交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，交通控制等方面都有很大的幫助。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)城市交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，1984年，北京工業(yè)大學(xué)通過(guò)仿真穿過(guò)交叉口的一組車(chē)輛的行駛狀況，得到了頭車(chē)的行駛狀態(tài)運(yùn)動(dòng)方程式和跟馳模型的方程；僅僅不到一年之后，他們又對(duì)信號(hào)燈交叉口進(jìn)行了仿真研究。之后的90年代初，同濟(jì)大學(xué)通過(guò)他們創(chuàng)建的t型交叉口的仿真模型，對(duì)城市路網(wǎng)的通行能力和車(chē)輛的延誤進(jìn)行了研究。在這段時(shí)間內(nèi)，還有其他高校也有對(duì)交通仿真軟件的研究和開(kāi)發(fā)，但這些軟件都存在各種各樣的問(wèn)題，導(dǎo)致并不能直接使用到城市的交通系統(tǒng)中。我國(guó)還并沒(méi)有研究出適合我國(guó)國(guó)情的交通仿真系統(tǒng)軟件，更沒(méi)有合適的基于元胞自動(dòng)機(jī)的交通流模型軟件系統(tǒng)。1.3 元胞自動(dòng)機(jī)1.3.1 元胞自動(dòng)機(jī)的定義元胞自動(dòng)機(jī)（cellular automata或cellelar automaton，簡(jiǎn)稱(chēng)ca）實(shí)質(zhì)上是定義在一個(gè)由具有離散、有限狀態(tài)的元胞組成的元胞空間上，按照一定的局部規(guī)則，在離散的時(shí)間維度上演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。元胞自動(dòng)機(jī)與其他模型相比有特殊之處，他并沒(méi)有被數(shù)學(xué)函數(shù)所嚴(yán)格要求，而是通過(guò)改變不同的規(guī)則來(lái)一點(diǎn)一點(diǎn)的變化。1.3.2 元胞自動(dòng)機(jī)的組成元胞自動(dòng)機(jī)最基本的組成單位包括元胞、元胞空間、鄰居及規(guī)則四個(gè)部分，另外還應(yīng)包括元胞的狀態(tài)。簡(jiǎn)單講，元胞自動(dòng)機(jī)可以視為由一個(gè)元胞空間和定義于該空間的變換函數(shù)所組成。元胞又可稱(chēng)為細(xì)胞、單元或基元，元胞是組成元胞自動(dòng)機(jī)的最基本的一部分，元胞分布在各個(gè)維度的晶格點(diǎn)上。在元胞空間不同的時(shí)候，元胞的形狀是會(huì)改變的，在不同的時(shí)刻，相同元胞的狀態(tài)是不一樣的。元胞空間，元胞空間就是元胞在空間網(wǎng)格點(diǎn)上邊的集合。雖然它可以在任意維度上存在，但限于技術(shù)手段，目前的研究大多集中在一維和二維de元胞自動(dòng)機(jī)，至于三維及以上維度的元胞自動(dòng)機(jī)，研究的相對(duì)較少。鄰居，按定義，元胞自動(dòng)機(jī)的變化原理是局部變化，當(dāng)他需要特定的元胞的狀態(tài)時(shí)，只需要了解那個(gè)元胞附近的元胞的狀態(tài)，這些在附近的元胞就是該元胞的鄰居。理論上，鄰居的大小并沒(méi)有要求，但是要注意所有的元胞的鄰居大小必須是相同的。但在實(shí)際的過(guò)程中，只有互相接觸到的元胞才被看做是鄰居。因?yàn)楫?dāng)鄰居數(shù)量過(guò)多時(shí)，元胞自動(dòng)機(jī)的變化實(shí)在是太復(fù)雜了。圖1.1 元胞自動(dòng)機(jī)的構(gòu)成示意圖1.3.3元胞自動(dòng)機(jī)的特征從元胞自動(dòng)機(jī)的構(gòu)成及其規(guī)則上分析，一般的元胞自動(dòng)機(jī)應(yīng)具備以下特征：同質(zhì)性、齊性：每個(gè)元胞變化都服從統(tǒng)一規(guī)則，這就是同質(zhì)性的反映；齊性是指元胞的分布方式相同，大小形狀相同，空間分布規(guī)則整齊。時(shí)間離散：系統(tǒng)演化根據(jù)等間隔時(shí)間進(jìn)行，時(shí)間變量只能取等步長(zhǎng)的時(shí)刻點(diǎn)，形似整數(shù)形式，并且當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)只對(duì)下一時(shí)刻的狀態(tài)有影響。空間離散：按照元胞自動(dòng)機(jī)演化規(guī)則，元胞離散的分布在元胞空間上。狀態(tài)離散有限：元胞自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)參量只能取有限個(gè)離散值。與其他連續(xù)狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)不同，他不需離散化就能能直接轉(zhuǎn)化為符號(hào)序列，便于編程。同步計(jì)算：又可稱(chēng)為并行性，將元胞自動(dòng)機(jī)的構(gòu)型變化可以看成是對(duì)數(shù)據(jù)或信息的計(jì)算與處理，那么元胞自動(dòng)機(jī)就是同步處理的，很適合并行計(jì)算。時(shí)間空域性：每個(gè)元胞下一時(shí)刻的狀態(tài)由其鄰居（半徑r）在該時(shí)刻的狀態(tài)決定，這也就是所謂的時(shí)空局限性。維數(shù)高：在動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中將變量的個(gè)數(shù)叫做維數(shù)。而任意完整的元胞自動(dòng)機(jī)的元胞空間定義在一維、二維或者多維空間的無(wú)限集上，那么每個(gè)元胞的狀態(tài)即使一個(gè)變量，所以說(shuō)元胞自動(dòng)機(jī)是一個(gè)無(wú)窮維動(dòng)力系統(tǒng)。1.3.4元胞自動(dòng)機(jī)的分類(lèi)（1）二維元胞自動(dòng)機(jī)二維元胞自動(dòng)機(jī)是指元胞分布在二維歐幾里得平面上規(guī)則劃分的網(wǎng)格點(diǎn)上，通常為元胞空間三角形、正方形或六邊形。圖1.2 二維元胞自動(dòng)機(jī)的空間劃分（2）高維元胞自動(dòng)機(jī)定義在三維或三維以上的元胞空間上的元胞自動(dòng)機(jī)稱(chēng)為高維元胞自動(dòng)機(jī)。圖1. 3 三維元胞自動(dòng)機(jī)模型2 道路交通流中的元胞自動(dòng)機(jī)模型2.1 道路交通流理論研究的意義現(xiàn)如今社會(huì)快速發(fā)展，交通問(wèn)題作為緊密關(guān)系著人們生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的因素，越來(lái)越受到人們的重視。全世界各個(gè)國(guó)家都希望能建立一個(gè)暢通、快捷和完善的交通運(yùn)輸網(wǎng)。隨著人們對(duì)交通問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，交通系統(tǒng)是否發(fā)達(dá)標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家是否真正的發(fā)達(dá)。交通流動(dòng)力學(xué)是一門(mén)集多門(mén)學(xué)科于一體的學(xué)科，它對(duì)于交通問(wèn)題的解決具有非常重要的作用，很多研究人員希望通過(guò)他找到解決城市交通擁堵的辦法。交通流動(dòng)力學(xué)能夠準(zhǔn)確的建立城市交通網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)模擬仿真，從而找到發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，幫助人們快速了解城市交通系統(tǒng)。除此之外，交通流理論能夠幫助人們更加深入地了解交通系統(tǒng)特性，從而能夠?qū)Τ鞘新肪W(wǎng)有更加深刻的了解。另外，交通流理論的研究對(duì)于其他領(lǐng)域也有著巨大的幫助。研究交通流理論對(duì)于解決城市交通問(wèn)題，減少環(huán)境污染，減少經(jīng)濟(jì)損失，提高出行效率有巨大的幫助，因此我們需要繼續(xù)研究交通流理論，幫助我們解決城市交通問(wèn)題，促進(jìn)城市發(fā)展。2.2 nasch模型2.2.1 nasch模型規(guī)則及演化過(guò)程1992年，nagel和schreckenberg對(duì)184號(hào)模型進(jìn)行推廣，提出了著名的nasch模型。該模型中時(shí)間、空間以及速度都被整數(shù)離散化。道路被劃分成離散的格子（即元胞），每個(gè)元胞或者是空的，或者被一輛車(chē)占據(jù)，每輛車(chē)的速度可以取，為最大速度。時(shí)間從的過(guò)程中，規(guī)則如下：步驟一：加速，；對(duì)應(yīng)于現(xiàn)實(shí)中司機(jī)期望以最大速度行駛的特性。步驟二：減速，；駕駛員為了避免和前車(chē)發(fā)生碰撞而采取減速的方法。步驟三：隨機(jī)慢化，以概率p，；由各種不確定因素（如路面狀況不好、駕駛員的心態(tài)等）造成的車(chē)輛減速。步驟四：位置更新，；車(chē)輛按照調(diào)整后的速度向前行駛。其中、分別表示n車(chē)的位置和速度，表示n車(chē)和前車(chē)n+1之間空的元胞數(shù)，表示車(chē)輛長(zhǎng)度。. 圖2.1 nasch模型中的演化過(guò)程示意圖圖2.2 ns模型模擬得到的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)時(shí)空?qǐng)D2.2.2 nasch的速度效應(yīng)模型絕大多數(shù)元胞自動(dòng)機(jī)模型都將前車(chē)模擬為一個(gè)靜止的點(diǎn)，來(lái)模擬車(chē)輛在t t+ 1時(shí)間步中的運(yùn)動(dòng)。然而在現(xiàn)實(shí)中，這些被模擬為靜止點(diǎn)的車(chē)輛是運(yùn)動(dòng)的，這樣就導(dǎo)致模擬中的速度小于實(shí)際的車(chē)輛速度，在交通流量中也是如此。為了解決這個(gè)難題，李小白等人提出了一個(gè)模型，這個(gè)模型能夠考慮到前車(chē)的速度，相對(duì)于 nasch 模型，其將減速步改為vnmin(vn+1，dn+vn+1)，其中vn+1是 n+ 1車(chē)在 t t+ 1時(shí)間步的虛擬速度，它由 nasch 模型在 t t+ 1時(shí)間步的并行更新規(guī)則，并考慮可能的隨機(jī)延遲效應(yīng)，使其變?yōu)橐阎獣r(shí)刻t上的顯式表示，形式為vn+1=minvmax-1,vn+1,max(0,dn+1-1)，該變量代表了前車(chē)在考慮了所有情況后所能得到的最小可能速度。該式既考慮了前車(chē)的速度，又確保了在模型的更新過(guò)程中車(chē)輛的安全行車(chē)。如果vn+1=0，那么 ve 模型就變成了 nasch 模型。2.2.2 nasch模型的意義ns模型是科學(xué)家們通過(guò)研究184號(hào)模型，在它的基礎(chǔ)上，又增加課隨機(jī)慢化同時(shí)增大車(chē)輛行駛的最大速度（這里的最大速度大于1），這樣下來(lái)得到的ns模型更加真實(shí)有效，雖然ns模型非常的簡(jiǎn)單，很多城市內(nèi)的交通流特點(diǎn)都不能模擬出來(lái)，但是ns模型能夠模擬出城市路網(wǎng)中的堵塞現(xiàn)象，這對(duì)于人們具有很高的研究?jī)r(jià)值。2.2.3 模型的邊界條件元胞自動(dòng)機(jī)模型通常采用周期性邊界條件和開(kāi)口邊界條件兩種，兩種條件完全不同，下面分別進(jìn)行介紹。1. 周期性邊界條件：每一時(shí)步完成后，系統(tǒng)采集道路上頭車(chē)的位置xlead，如果xlead lroad，那么此車(chē)從道路的另一端口進(jìn)入系統(tǒng)，而成為道路上的尾車(chē)，且更新車(chē)輛位置和速度，即xlast=xleadlroad，vlast=vlead.。這里，xlead，xlast，vlead，vlast 分別表示系統(tǒng)中頭車(chē)和尾車(chē)的位置與速度，lroad表示所研究的道路的長(zhǎng)度。2. 開(kāi)口邊界條件：系統(tǒng)含有 l 個(gè)格點(diǎn) i (1 i l)，在系統(tǒng)外， i = 0(左邊界)處 t 時(shí)步以概率 (稱(chēng)產(chǎn)生概率)產(chǎn)生一速度為vmax 的車(chē)輛，這輛車(chē)即刻按元胞自動(dòng)機(jī)更新規(guī)則運(yùn)動(dòng)，如果在t時(shí)步該車(chē)不能前移(即v0(t+1)=0),則消除這輛車(chē)；在 i = l+ 1(右邊界)處，以概率(1)出現(xiàn)一輛阻塞車(chē)或障礙物，從而使系統(tǒng)最右端格點(diǎn)上的車(chē)輛減速，即系統(tǒng)右端vmax個(gè)格點(diǎn)上的車(chē)輛以概率(稱(chēng)消失概率)離開(kāi)系統(tǒng)?？梢?jiàn)， = = 1即為全開(kāi)放邊界條件，而，1)個(gè)元胞。這種情況下就可以用ns模型中的加速、減速、隨機(jī)慢化、位置更新的規(guī)則來(lái)設(shè)計(jì)，與此同時(shí)還要考慮同一條道路上的車(chē)輛之間的影響。20世紀(jì)末，chowdhury和schadschneider等人將nasch模型和bml模型結(jié)合起來(lái)提出了遵循下面規(guī)則的chsch模型：步驟一：加速，。步驟二：由于前車(chē)阻擋或信號(hào)燈造成的減速。分為兩種情況：如果第n輛車(chē)前面的信號(hào)燈為紅燈，那么有。如果第n輛車(chē)前面的信號(hào)燈為綠燈，那么我們假設(shè)為綠燈轉(zhuǎn)變?yōu)榧t燈前的持續(xù)時(shí)間，存在兩種情況：當(dāng)時(shí)，。在這種情況下，第n輛車(chē)的阻礙作用來(lái)源于前車(chē)而不是信號(hào)燈。當(dāng)時(shí)，如果，那么；否則，該規(guī)則描述了下一時(shí)刻的車(chē)速取決于在信號(hào)燈由綠變紅前車(chē)輛能否穿過(guò)交叉路口這一現(xiàn)實(shí)情況。隨機(jī)慢化，以概率，。車(chē)輛位置更新。對(duì)于東向行駛車(chē)輛，對(duì)于北向行駛車(chē)輛，建立耦合模型一方面是為了捕捉nasch模型和bml模型展現(xiàn)出來(lái)的基本特征，另一方面是要盡量保持模型的簡(jiǎn)單易行。2.4.2 模型的意義在初始時(shí)刻，將和隨機(jī)分布在東西方向和南北方向的道路上。按照上述的規(guī)則對(duì)車(chē)輛的速度和位置進(jìn)行更新，經(jīng)過(guò)一個(gè)預(yù)熱時(shí)間后，初始不穩(wěn)定態(tài)會(huì)消亡，在每個(gè)時(shí)間步計(jì)算東向和北向行駛車(chē)輛的平均速度。模擬發(fā)現(xiàn)，在車(chē)輛密度處發(fā)生了自由流相至完全堵塞相的相變。在耦合模型中，系統(tǒng)自組織形成堵塞的內(nèi)在隨機(jī)性與ns模型是相似的，而完全擁堵的現(xiàn)象與完全擁堵的構(gòu)型與bml模型非常相似。這也就是建立耦合模型的原因：一方面捕捉到ns模型和bml模型展現(xiàn)出來(lái)的一些基本特征，另一方面又簡(jiǎn)單易行。3 交通流參數(shù)3.1 交通流量q流量q為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)道路上某一點(diǎn)的車(chē)輛數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中,因?yàn)橛猛静煌娪玫臅r(shí)間單位也不同。交通理論研究中常用的是交通流率。實(shí)踐中經(jīng)常使用的道路通行能力是指該道路所能承受的最大交通流量。單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)的車(chē)輛數(shù)目，如下式所示： （3.1） 式中，t為觀測(cè)時(shí)間，n為觀測(cè)時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)的車(chē)輛數(shù)目。3.2 平均速度根據(jù)物理學(xué)的定義，速度具有如下的表達(dá)形式： (3.2)式中，和為先后兩個(gè)測(cè)量時(shí)間，和分別為車(chē)輛在和時(shí)刻的位置。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用的是車(chē)輛的平均速度，而不是瞬時(shí)速度。目前，比較常用的計(jì)算平均速度的方法有兩種：算數(shù)平均和調(diào)和平均。3.2.1 算數(shù)平均平均車(chē)輛速度按下式進(jìn)行計(jì)算，即： (3.3) 式中，為第i輛車(chē)的速度，而車(chē)流密度則根據(jù)流量密度關(guān)系式求出：。然而，使用該方法存在著一個(gè)缺陷：用這種計(jì)算方法計(jì)算出的擁擠交通下的車(chē)流密度往往過(guò)低。這是因?yàn)樗銛?shù)平均得到的是時(shí)間的平均速度，而中定義的則是空間平均速度，在這種算法下，兩種平均速度被混淆在一起。3.2.2調(diào)和平均平均車(chē)輛速度按下式進(jìn)行計(jì)算，即： (3.4) 車(chē)流密度同樣根據(jù)流量密度關(guān)系式求出：。調(diào)和平均算法算出的密度可達(dá)到的范圍比用算數(shù)平均算法算出的密度高的多，但使用調(diào)和平均算法也會(huì)遇到問(wèn)題，它對(duì)小速度時(shí)的測(cè)量誤差太敏感。4 模型的建立和仿真結(jié)果分析4.1程序編寫(xiě)的基本思路和流程圖4.1.1程序編寫(xiě)的基本思路 step 1：根據(jù)需要設(shè)置路網(wǎng)大小，即n*n（主要是把網(wǎng)絡(luò)大小的輸入做成可任意輸入，只需隨時(shí)讀取文檔即可）。 step 2：設(shè)置初始車(chē)輛數(shù)以及車(chē)輛位置、車(chē)輛速度，根據(jù)車(chē)輛位置在元胞中畫(huà)出車(chē)輛（初始化時(shí)要保證車(chē)輛位置在元胞范圍內(nèi)，不得超出元胞）。 step 3：根據(jù)上面提到的模型規(guī)則，將車(chē)輛位置，車(chē)輛速度進(jìn)行更新，從而使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的車(chē)輛都能動(dòng)起來(lái)。 step 4：根據(jù)需要設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)系統(tǒng)平均速度，平均周期，平均密度等參數(shù)，從而將所需數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。4.2 路段建模本文的城市路網(wǎng)為雙向4車(chē)道。本系統(tǒng)將車(chē)道離散化，劃分為一系列元胞（cell），每個(gè)元胞的狀態(tài)代表了車(chē)道上每個(gè)位置的狀態(tài)。一個(gè)元胞中，要么有車(chē)，要么沒(méi)有車(chē)。如圖所示，下圖中的元胞表示為方形，而曲形則代表車(chē)輛?？梢愿鶕?jù)車(chē)道上元胞的狀態(tài)得出車(chē)道上的車(chē)輛的狀態(tài)，如車(chē)輛數(shù)目、車(chē)輛密度等信息。圖4.1車(chē)道上元胞的劃分在實(shí)際的路網(wǎng)中的車(chē)輛跟在前車(chē)后邊時(shí)，不會(huì)跟的太緊，會(huì)留一定的距離以防緊急事件的發(fā)生時(shí)可以有足夠的反應(yīng)時(shí)間。在這篇文章中，我們將每個(gè)元胞的大小設(shè)定為7.5米，元胞中最多只能有一輛車(chē)，這樣相鄰車(chē)輛的距離足夠大，可以保證在發(fā)生緊急事件時(shí)能夠反映過(guò)來(lái)，避免事故的發(fā)生。 4.3交叉口建模城市路網(wǎng)建模的重點(diǎn)在于交叉口的建模，因?yàn)榻煌鞯亩氯蜎_突大多發(fā)生在交叉口處。圖4.2 雙向四車(chē)道交叉口圖如圖所示，與交叉口相連的四條道路都包含兩個(gè)方向，駛?cè)虢徊婵诜较蚝婉偝鼋徊婵诜较?，因此本文將道路按方向劃分為兩部分，分別稱(chēng)為入車(chē)道和出車(chē)道，每條道路的入車(chē)道和出車(chē)道各有 2 條車(chē)道，車(chē)輛按照隨機(jī)駛出原則隨機(jī)行駛。為了使城市路網(wǎng)建模能夠更好地模擬現(xiàn)實(shí)的交通狀況，我們將從外邊去往交叉口的車(chē)輛整體規(guī)劃，然后控制將交叉口處的各個(gè)路段進(jìn)行標(biāo)識(shí)，使得不同目的地的車(chē)輛按照既定的路線行駛。在對(duì)路線進(jìn)行劃分之后，每條線路中都存在很多元胞，我們可以通過(guò)觀察元胞來(lái)得出車(chē)輛的運(yùn)行狀況。這樣一來(lái)將車(chē)輛通過(guò)交叉口的過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)而得出交叉口內(nèi)車(chē)輛的運(yùn)行狀況，從而分析道路狀況。4.4程序流程圖4.5元胞自動(dòng)機(jī)模型參數(shù)路網(wǎng)規(guī)模：5*5元胞長(zhǎng)度：7.5m模擬時(shí)間步長(zhǎng)：1s采用元胞自動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行仿真得到效果圖如下圖4.3路網(wǎng)仿真效果圖（整體）圖4.4路網(wǎng)仿真效果圖（局部）4.6車(chē)輛速度與交通流參數(shù)之間的關(guān)系4.6.1城市車(chē)輛密度與車(chē)輛速度之間的關(guān)系模型仿真預(yù)熱時(shí)間20000步，記錄數(shù)據(jù)時(shí)間20000步，統(tǒng)計(jì)當(dāng)t=80時(shí)，車(chē)流密度的變化與系統(tǒng)平均速度之間的關(guān)系。表4.1 t=80時(shí),平均速度與車(chē)流密度之間的數(shù)據(jù)關(guān)系密度平均速度0.031.52170.051.43970.061.39180.081.21040.10.98970.130.76320.150.66260.180.4940.20.44050.220.3820.250.3315 將這些數(shù)據(jù)輸入到origin中，得到密度與平均速度之間的關(guān)系圖。 我們發(fā)現(xiàn)，在通過(guò)將得到的數(shù)據(jù)制作成關(guān)系圖之后，得出的關(guān)系圖與李明文章中的速度密度關(guān)系圖極為相似。圖4.5速度與密度之間的關(guān)系圖圖4.6李明文章中的速度密度關(guān)系圖 從上述圖形中我們可以看出，隨著路網(wǎng)中車(chē)流密度的增加，車(chē)流的平均速度在持續(xù)降低。說(shuō)明路網(wǎng)中的車(chē)流密度對(duì)于車(chē)輛的速度存在一個(gè)反向關(guān)系，我們需要在仿真中找到一個(gè)最佳的點(diǎn)或者區(qū)間，能夠使車(chē)輛的形式效率達(dá)到最大化，最有效的利用道路，并且能夠保證道路的暢通。上面的仿真的兩個(gè)變量：密度與速度，他們之間的乘積近似的視為車(chē)輛行走的里程數(shù)。在對(duì)比了上組數(shù)據(jù)之后，我們發(fā)現(xiàn)，在密度為0.13和0.15時(shí)，他們的乘積是比較大的，我們可以看作是當(dāng)城市路網(wǎng)的交通流密度在0.130.15之間時(shí)（信號(hào)燈周期t=80時(shí)），城市路網(wǎng)的利用率最高，車(chē)輛行駛的距離最遠(yuǎn)。當(dāng)然我們還有很多沒(méi)有考慮進(jìn)來(lái)的變量，比如信號(hào)燈周期t的變化。4.6.2 信號(hào)燈周期與車(chē)輛速度的關(guān)系表4.2 信號(hào)燈與車(chē)輛速度之間的關(guān)系信號(hào)燈周期車(chē)輛速度t=201.1624t=401.2273t=601.2295t=801.2073t=1001.1763t=1201.1135t=1400.9957t=1600.984 在這個(gè)表格中，我們發(fā)現(xiàn)，并不是信號(hào)燈周期時(shí)間越長(zhǎng)（或越短）車(chē)輛的速度就越快，在這組數(shù)據(jù)中，t=60時(shí)所對(duì)應(yīng)的車(chē)輛速度最大，說(shuō)明在只考慮信號(hào)燈周期變化的情況下，t存在一個(gè)數(shù)值，可以使得車(chē)輛在這個(gè)路網(wǎng)中能夠比在t取其他值時(shí)行駛的速度更快。下圖表示t與速度之間的關(guān)系圖：圖4.7時(shí)車(chē)輛速度與信號(hào)燈周期之間的關(guān)系在圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，圖中的曲線先上升后下降，存在一個(gè)最高點(diǎn)。表示存在一個(gè)t值使得車(chē)輛的速度最快。但是，在李明文章中，他提到在密度小的時(shí)候，平均速度隨著t的增大而減小，當(dāng)信號(hào)燈周期ttf=34.5時(shí)，當(dāng)?shù)刈钚〉钠骄俣瘸霈F(xiàn)在tntf（n=1，2.)時(shí)，當(dāng)ttf時(shí)，當(dāng)?shù)刈畲蟮钠骄俣瘸霈F(xiàn)在ttf/n（n=2，3.)時(shí)。然而，在我的模型仿真中，得出的數(shù)據(jù)并不與李明的數(shù)據(jù)相符，可能是由于仿真模擬的次數(shù)比較少，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，對(duì)于這種模擬，數(shù)據(jù)越多準(zhǔn)確率越高，所以應(yīng)當(dāng)多跑數(shù)據(jù)，提高準(zhǔn)確率，得出的結(jié)論才有意義。當(dāng)密度小于最小密度c10.063時(shí)，處于自由移動(dòng)狀態(tài)，平均流量幾乎隨著密度增長(zhǎng)而線性增加。下面通過(guò)一組數(shù)據(jù)證實(shí)李明文章中關(guān)于密度與速度之間關(guān)系的結(jié)論。表4.3 時(shí),各個(gè)區(qū)域路段的車(chē)輛平均數(shù)行列路段車(chē)輛平均數(shù)000.204914125010.295387625020.292054030.19453125100.294376110.43020925120.42143425130.2694705200.29433175210.421834875220.406977875230.245271300.198843875310.279161625320.26224175330.12446275圖4.8 =0.05時(shí)，各個(gè)路段車(chē)輛數(shù)的等高線圖將上述表格中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為等高線圖，圖中中心區(qū)域趨近于圓形，外環(huán)的形狀更趨向于方形，整體來(lái)看就是由中間的圓形一點(diǎn)一點(diǎn)轉(zhuǎn)化為周邊的方形。上述表格中，我們可以看到，在城市路網(wǎng)邊緣區(qū)域車(chē)輛密度明顯少于路網(wǎng)中心區(qū)域的車(chē)輛密度。這個(gè)圖表示的是在該密度下，路網(wǎng)中的車(chē)輛的行駛狀態(tài)。中心區(qū)域的車(chē)輛密度較大，導(dǎo)致速度偏慢，周邊區(qū)域車(chē)輛速度較快，整體來(lái)看，整個(gè)路網(wǎng)的車(chē)輛運(yùn)行狀況良好，并沒(méi)有出現(xiàn)擁堵的狀況。表4.4 時(shí)，城市路網(wǎng)各個(gè)區(qū)域的車(chē)輛平均數(shù)行列路段車(chē)輛平均數(shù)000.81928011.35596021.4478030.77834101.47329114.19731123.24639131.13628201.30243213.85818222.90247231.00947300.78785311.28663321.09329330.45914當(dāng)時(shí)，對(duì)比上一個(gè)表格，我們發(fā)現(xiàn)，在中心區(qū)域的車(chē)輛數(shù)明顯增多，對(duì)城市交通道路有比較大的壓力，容易導(dǎo)致交通擁堵的發(fā)生。圖4.9 時(shí)，各路段車(chē)輛數(shù)的等高線圖 在上圖中，我們看到中間區(qū)域的車(chē)輛密度超過(guò)4.2，已經(jīng)開(kāi)始有擁堵的感覺(jué)，中心區(qū)域的車(chē)輛并不能快速的行駛，導(dǎo)致整個(gè)路網(wǎng)的平均速度有一些低。但路網(wǎng)邊緣位置的車(chē)輛速度還是非?？欤亲杂蛇\(yùn)行狀態(tài)。李明的文章中表示，當(dāng)系統(tǒng)密度c1c2時(shí)，系統(tǒng)處于飽和狀態(tài)。說(shuō)明城市路網(wǎng)已經(jīng)基本飽和，車(chē)輛密度繼續(xù)增加的話在中心區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)交通擁堵現(xiàn)象。所以這種交通狀態(tài)就是我們所希望得到的路網(wǎng)狀態(tài)，能夠最大限度的發(fā)揮城市交通運(yùn)輸?shù)淖饔谩１?.5 =0.15時(shí)，城市路網(wǎng)各個(gè)區(qū)域的車(chē)輛平均數(shù)行列路段車(chē)輛平均數(shù)000.881171625012.665282125023.331171125030.854624375103.3338035115.485392125.543518132.164478375201.66072425214.976540375224.87084875231.403708375300.820755375312.35896825321.207236125330.481660375圖4.10 =0.15時(shí)，城市路網(wǎng)各個(gè)區(qū)域的車(chē)輛數(shù)的等高線圖上表中，城市中心處的道路上車(chē)輛平均數(shù)超過(guò)5.5，因?yàn)樵诔鞘新肪W(wǎng)建模中，在模擬過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛在中心區(qū)域聚集，發(fā)生擁堵?tīng)顩r。依照ns模型的規(guī)則中的減速狀態(tài)，路上的車(chē)輛大部分處于停止或減速狀態(tài)，因此，當(dāng)=0.15時(shí)，在路網(wǎng)的中心區(qū)域，城市交通流處于嚴(yán)重阻塞狀態(tài)。 圖中清楚的表示了最中心區(qū)域的車(chē)輛數(shù)超過(guò)5.5，而在邊緣區(qū)域車(chē)輛的密度與前面幾張圖中的車(chē)輛密度差距并不大，依然能自由行駛，但在中心區(qū)域處，隨著車(chē)輛越來(lái)越多，擁堵情況愈發(fā)嚴(yán)重。表4.6 =0.25時(shí)各個(gè)路段車(chē)輛平均數(shù)行列路段車(chē)輛平均數(shù)003.240193625014.1408955024.120572625032.862434375104.12716825116.104004375127.343231625134.600205625205.423946625216.352249125226.959801375233.681650375302.291653314.00040375324.7868575330.662698875在分析上表數(shù)據(jù)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在中心區(qū)域車(chē)輛的密集度非常高，部分區(qū)域路段內(nèi)的平均車(chē)輛數(shù)超過(guò)7，達(dá)到了完全堵塞的狀態(tài)。在這種情況下，城市路網(wǎng)幾乎已經(jīng)完全癱瘓。圖4.11 =0.25時(shí)各個(gè)路段車(chē)輛平均數(shù) 當(dāng)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)最擁堵的路段車(chē)輛平均數(shù)超過(guò)7，這幾乎意味著那條路已經(jīng)嚴(yán)重堵塞，基本所有車(chē)輛都處于停止?fàn)顟B(tài)。結(jié) 論 本文旨在介紹元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)城市交通路網(wǎng)的仿真模擬，并且利用ns模型和bml模型的耦合模型進(jìn)行仿真。我們希望元胞自動(dòng)機(jī)可以更加真實(shí)地對(duì)城市路網(wǎng)進(jìn)行仿真，在對(duì)幾個(gè)變量如信號(hào)燈周期、城市交通密度進(jìn)行分析的時(shí)候，我們希望能夠通過(guò)這些仿真模擬對(duì)交通規(guī)劃、建設(shè)提供有幫助的信息，能夠使得城市路網(wǎng)的運(yùn)行效率更高，使得人們?nèi)粘Ｉ畈皇芙煌〒矶碌挠绊?，使得社?huì)經(jīng)濟(jì)更加快速發(fā)展。 通過(guò)元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)于城市路網(wǎng)的簡(jiǎn)單仿真，我能發(fā)現(xiàn)城市中的車(chē)輛密度與交叉口信號(hào)燈周期對(duì)于城市交通的巨大作用。在未來(lái)的城市規(guī)劃與建設(shè)中，一定要將這兩個(gè)因素考慮進(jìn)去，要使城市路網(wǎng)更加的完善，能夠有更大的交通運(yùn)輸能力，在對(duì)信號(hào)燈