城市道路交通流仿真算法研究.pdf

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1、随着社会经济的发展，城市中的道路交通状况变得越来越拥挤，智能交通系统应运而生。它的应用，将有助(ITS)于实现单一依赖基础设施扩张的粗放型交通增长向依靠高新技术进步，以提高效率为核心的集约型交通发展的转变，在这个系统中，道路交通流的仿真是个重要的研究方向。世纪年代统计物理和非线性科学的进展，特别是相2070变与临界现象、非平衡过程、自组织临界性、非线性动力学和元胞自动机模型等新理论的提出，为交通流这一复杂系统的研究打开了新的思路。元胞自动机模型与其它模型如流体力学模型相比，在保留了交通流这一复杂系统的非线性行为和其它物理特征的同时，更易于在计算机上操作。年，1992和提出了把车辆当成基本研究单

2、元处理NagelSchreckenberg的一维交通流元胞自动机模型，引起国际学术界的广泛(CA)注意，但这种模型与实际的交通流模型还有着较大的差异。本文首次将跟踪前一车辆的行动这个行为引入到一维交通流元胞自动机模型中，从而对原有的模型作出了一个较大的修正，使之更加符合实际情况，较准确地反映了城市道路交通网中的车流变化状况。交通流仿真1 交通流仿真是复现交通流时间空间变化的技术。交通流仿真研究的两个核心内容就是：交通流仿真模型的建立以及交通仿真实验系统的开发。据模型描述程度的不同，交通流仿真可分为宏观交通流仿真、微观交通流仿真；据仿真系统驱动方式的不同，又可以分为时间扫描仿真与事件扫描仿真；时

3、间扫描法是将时间分成等长或不等长的确定的小时段，而事件扫描法则以预定事件的出现作为确定仿真步长的依据，用来建立仿真程序的事件必须是对仿真具有重要意义的事件，交通流的仿真需要反映路网的连续动态特性，其中的事件即使不是重要的，也需反映出来，所以交通流的仿真不适宜采用事件扫描法。而采用时间扫描法则可描述每一时间段 本系统是所有车(1/3s)辆的状态，因而能更真实地反映路网交通状况。本系统采用的是基于时间扫描法的微观交通流仿真。引入跟随前车的元胞自动机交通流仿真2 基本概念与术语2.1 道路：可以容纳两辆或更多车辆车在其上行驶的道路，它包括两条彼此平行但方向相反的并行道路。并行道路：同一个前进方向上的

4、几条单行道组成的路，是有向的。单行道路：宽度为容纳一辆车通行的路，是有向的。路段：两个交叉路口之间的一条并行道路，是有向的。车格：路段的一小部分，一条路段分为很多个车格，其长度为一辆车的车长 在此路段内行驶的各类车辆的统计平(均车长 再加上安全行驶时的平均间距。)仿真系统2.2 系统结构2.2.1 本系统以路段作为最小的道路计量单位，根据汽车在这条路段上行驶到终点时是否会遇到信号灯，系统内的路段可以分为两种类型 有灯类路段和无灯类路段。它们的区别在:于：只有是从系统内指向系统外的道路才是无灯类的路段，其余都是有灯类的路段，车辆在无灯类的道路上行驶时不会遇到信号灯的阻拦。有灯类的路段由两部分组成

5、 候车部分和主干道部分。:靠近信号灯的那一端有一定长度的路段是候车队列部分，其内可以容纳一定数量的汽车，汽车驶入候车队列后就不可再更换车道。候车队列部分包括 条并行的车道，最左侧的侯3车道内的汽车是即将左转弯的汽车，中间的候车道内的汽车是即将直行的汽车，最右边的候车道内的汽车是即将右转弯的汽车。主干道部分的路段上的汽车是可以自由更换行车道的。任何一辆汽车都必须先经过主干道，然后才能进入相应作者简介：张安胜，硕士，主研方向为矢量地图校正、智(1975)能交通系统及交通仿真；董敏，博士；林建臻，硕士 收稿日期：2001-09-26城市道路交通流仿真算法研究张安胜1，董敏 2，林建臻3中国科学技术大

6、学自动化系，合肥；中国科学技术大学计算机系；清华大学电子工程系，北京(1.2300692.3.100084)摘要：将元胞自动机模型与车流跟随模型相结合，提出了一种全新的道路交通流仿真算法，快速准确地仿真再现了含有 个交叉路口的城4市道路交通网络中的车流变化状况。关键词：交通流；仿真；自动机；算法The Research of the Algorithm on the Simulation of the Urban Road TrafficZHANG Ansheng1，DONG Min2，LIN Jianzhen3；(1.Dept.of Automation,USTC,Hefei 2300692

7、.Dept.of Computer,USTC,Hefei 2300693.Dept.of Electronic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084)【】AbstractIn this paper,the celluar automata model is combined with the vehicle follow model.A new algorithm of the traffic flow simulation is proposed,it recurs the variation of the traffic flow i

8、n the urban road net which includes four crosses rapidly and accurately.【】；Key wordsTraffic flowSimulationAutomataAlgorithm第28卷第8期Vol.28 8计算机工程Computer Engineering2002年8月 August 2002 软件技术与数据库 文章编号：10003428(2002)08 010203文献标识码：A 102中图分类号：U491.1 12+的候车队列。主干道又分为若干个车格，入口车格为 号车1格，。其中，代表道路号。出口车格为，gridp1pg

9、ridpmaxgridp.因为无灯类的路段上的汽车可以畅行无阻，不必等候信号灯，所以其只有主干道，不含有候车队列。从整体上来说，本系统仿真了一个具有两纵两横 条道 4路、个交叉路口的城市道路交通网，每个交叉路口都有红4绿灯进行控制。因为每条道路的两端均各有一个驶入口和一个驶出口，所以这个系统一共含有 条进入路段和 条驶出路88段，汽车只能从这 条进入路段处产生。如图 所示。81图道路交通示意图1 图 中的各路段长度如下：1，103 105:0.8 km ，108 110:1.1 km，109 115:1.3 km，104 114:0.6 km其余路段长度均为 2.3 km各路段的信号灯相序及时

10、间：直行绿，左转弯绿 (60s)，红灯(30s)(90s)相关规则2.2.2 车辆产生规则：在任一时刻，每个道路入口处是否产生汽车，都是随机的，总体上的汽车产生频度可以通过调节参数来控制，但是产生汽车的前提条件是：将要产生汽车的这条入口路段的入口车格是 即最后一个车格 空的。()行驶规则：无论是哪种路段，每一条路段都可以分为很多个大小相等的车格，仿真中每推进一步，如果该汽车当前位置的前一个车格是空的，那么此汽车即可以前进一个车格，否则汽车仍然停在原来的车格中。如果该车是候车队列中的第一辆车，那么仅当它的目标车格是空的，而且信号许可的时候，此车方可前移。信号灯变化规则：位于同一个交叉路口的 条路

11、段的信4号灯有关联关系，具体如下：位于同一条直线上的两条路段的信号变化情况完全一致，其相序均为：直行绿，左拐弯绿，红灯；东西和南北走向的路段在信号时间上恰恰完全相反，当东西走向的路段是绿灯 包括直行绿和左拐弯绿 时，()南北走向的路段是红灯，反之亦然。仿真算法2.3 改进之处2.3.1 在传统的元胞自动机模型中，有两个基本的假设。其中一个假设是如果在 时刻，号车格前方的 号车格中也有:tn-1 n汽车，那么在时刻，即使 号车格中的车子已经驶出，t+1 n 号车格中的车子也不能前移，但在实际系统中，此时，n-1 原来在号车格中的汽车可以驶入号车格。本文采用的算 n n 法，对每一条道路，依据车格

12、的前后顺序，从最前面的一个车格开始，逐个车格进行判断处理，将本来在时间上的并行演化转化为在空间上的串行演化。就是根据道路的编号顺序，逐个路段进行处理，在处理每一条路段时，都从该路段最前方 即道路出口 的第 号车格开始，先判断 号车格中是()n n否有汽车；如有，再判断此车的前移条件是否满足；如满足，则前移，否则停在原来的位置。根据这个方法。依次往后对当前路段上的每个车格进行同样的判断处理。仿真流程2.3.2 仿真流程如图。2图仿真算法流程图2 仿真结果3 此系统的输出取决于两个方面：一个是系统内的参数设置，包括系统内各条路段的长度、每条路段的候车队列的长度、每个信号灯的相序及时间；另外一个就是

13、系统的输入，即各个入口路段进入的汽车。因此，不同的输入会导致不同103 该路段所有车辆均前移 队列中的其余车判断前移 仿 真 结 束 开 始 时 间 结 束 左 候 列 空 遍 历 完 毕 首 格 有 车 出 口 路 段 进 入 左 候 队 列 判断该车的转向 直 候 列 空 目标车格空 进 入 直 候 队 列 进 入 目 标 路 段 判断路段信号状态 左候列首车前移 直候列中的首车前移 目标车格空 目标车格空主干道中的车判断前移 106118102117101124113123116122112121111120107119105103108110114104109115NYYYYNNYNY

14、YYNN右转左转直行直行绿红灯左行绿的输出。现以满负荷输入时 即：只要某条入口路段能进(车，就持续地进入车辆 的一种情况为例，给出汽车在某一)条路线上的 个不同时间段上的仿真结果。汽车从路段进3101入，行经和路段，最后从路段驶出。汽车时速为114109121。表 中的时间均是仿真时间，单位为。60 km1 1/3 s表仿真输出时间表1 从表中可以看出，汽车以时速经过上述路线所需60km 时间大致在之间。396-485s通过观测与之近似的实际路段中的情况，发现其基本与实际情况相符，误差小于。5%结论4 通过给定几次不同的输入，发现在未导致全局堵车的情况下，无论是何种输入，系统的数据库记录均与表

15、 相似。1可以看出，满负荷输入时，在最初一段时间内，系统内的汽车均能以最大速度行驶，但到一定时刻后，速度突然开始快速下降，降至某一水平后，其速度达到平稳状态，以后系统均以此速度运行，这也就是系统的饱和状态运行速度。此外，通过对结果数据库的分析，还发现以下的结论：某辆汽车通过系统所用的时间，取决于多种因素如系统内:的汽车密度、该车行经路线、该车路上所遇到的信号灯等。但是，在行车路线确定的情况下，系统内汽车密度这个因素是决定性因素。本文采用的算法将道路交通网中的所有车辆共同的运行过程都精确地描述了出来，它为交通流仿真提供了一个全新的仿真架构。今后的进一步研究重点将要集中在城市交通中常见的各种特殊情

16、况。如：公交车停靠站、意外撞车事故、救护车和消防车等特殊车辆对交通流的影响等。总之，在交通流仿真方面还有很多的工作要做。参考文献1 Wolf D E.Cellular Automata for Traffic Simulations.Physica A,1999斯普里特计算机辅助建模与仿真北京 科学出版社2 J A.:,1991上接第页(60)使用语言实现系统中的各个对象。3)Java编写服务器方主程序，其功能是创建服务方对象实现的实4)例，并向注册，同时等待接收请求。Java-ORB编写客户方，其作用是获取服务器方初始对象引用，5)Applet与用户进行交互，并根据用户指令向服务器方对象实现

17、实例发出请求，并将结果返回给用户。将客户方和服务器方主程序分别与桩和构架文件等联6)Applet编，并将该嵌入到一个页面中。AppletHTML至此，用户可通过浏览器浏览该页面，就可以调用服务器方对象实现的操作了。集成工具接口实现4.2 如图 所示，各商业软件组件通过接口与服5CORBAWeb务器端的对象实现进行联系或直接通过接口直接与RMIWeb浏览器端小应用程序直接联系。前者，Java AppletC+ORB起到了信息中介的桥梁作用，它负责接收客户方(Java 的请求，再调用相关的构架代码指定的对象实现来完Applet)成对相关商业软件对象的请求调用。如果商业软件组件对象是静态调用对象，那

18、么首先要将其所有的类和实现方法在服务器中注册且发布，然后ORB在浏览器端添加对该对象的调用方法，因此要对组件有一定的了解。如果商业软件组件对象是动态调用对象，就无须对组件有所了解，直接将组件挂上集成系统即可。CAX下面给出了静态构架的应用开发过程：C+ORB了解商业组件对象的所有类和实现方法；1)编写或修改浏览器端小应用程序，其目的是获取服务器方初2)始对象引用，与用户进行交互，并根据用户指令向服务器方对象实现实例发出请求，并将结果返回给用户；编写服务器方主程序，其功能是创建服务方对象实现实例，3)将所有商业对象的类和方法在服务器端进行注册和发布；C+ORB将客户方小应用程序和服务器方主程序分

19、别与桩和构架文件4)等联编 并将该嵌入到一个页面中。,AppletHTML结论5 基于的信息集成系统，CORBACAX可以实现跨平台间的分布式操作，系统以第三代技术为基石，用户可在异地、Web异种操作平台上并行、协同地进行产品设计。不仅实现集成系统内在功能模块CAX的 即插即用，还有效地对各种工具CAX软件进行封装集成。目前，基于的CORBA集成系统设计思想已经应用于无锡机CAX床股份有限公司的信息集成系统设计CAX中，实施效果良好，下一步要更大限度地实现各种应用工具、软件工具的集成。参考文献汪芸技术及其应用 南京 东南大学1 .CORBA.:出版社,1999-062 Object Manag

20、ement Group.Realtime CORBA.OMG Document:orbos-198-10-05,19983 Harmon P.Distributed Computing at Telecoms.Component Develop-ment Strategies,1998,8(10):1-164 Henning M,Vinoski S.Advanced CORBA Programming With C+.Addison Wesley,19995 Object Management Group.Product Data Management Enablers (Revised Su

21、bmission).OMG Document mft/98-01-01,1998104序 号第一个第二个第三个第四个第五个第六个第七个第八个第九个进入时间153756153169200637965806687驶出时间120212241229145414571462777680348068所用时间118711871173130112881262139714541381 图 5集 成 工 具 接 口 实 现 示 意 图 Web浏览器 Web页面 Java Applet 客户 IDL 桩 Web服务器 Web页面 C+ORB IDL 构架 对象实现 。CAE对象服务器 CORBA接口 CAD 对象服务器 RMI 接口 CORBA接口 CAM对象服务器 CORBA接口 ActiveX接口 数据库 IIOP Http IIOP IIOP IIOP IIOP Http 图5 集成工具接口实现示意图