《基于细胞自动机的交通流模拟控制.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于细胞自动机的交通流模拟控制.pdf（3页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、!#$%计算机工程与应用&细胞自动机模型的描述人工生命是关于再现自然界生物行为特征的人造系统的研究，它包含了一系列建模理论与方法，自增殖细胞自动机理论与模型就是其中的一种。作为人工生命计算模型与关键算法之一，细胞自动机理论是一种利用计算机研究和模拟复杂、非线性动力系统的极为有效的方法。()*+(*,-./0*的细胞自动机是为建立“生命逻辑结构”的数学形式、模拟生物的自复制行为并且能在计算机上得以实现而引入的一个数学模型。由于它是利用局部特性及简单的一致性法则来模拟、处理总体上具有高复杂性的离散过程和现象，因此细胞自动机在模式识别、图像处理及人工智能等方面都有着重要应用。细胞自动机的基本原理是把
2、一个长方形平面分成若干个网格，每一个格点表示一个细胞或一个基本单元，其状态赋值为或&，对应于网格中的空格和实格，在事先设定的一定规则下，网格中的空格和实格就按一定的规则演化。它是一种时间和空间都离散化的数学模型，其时间轴、空间变量乃至描述组成系统的个体细胞的状态变量都是分立的。这些细胞具有有限的状态并且排列成一个有规则的晶格结构。晶格中细胞的状态根据一个局域作用规则而被更新。具体地说，在（12&）时刻，一个细胞的状态根据1时刻它自己的状态和1时刻它邻域细胞的状态而改变，因此整个晶格上的细胞状态进行同步变化。从数学上来描述如下：3：一个规则的晶格结构，结构中的每一个单元（元素）称为细胞；4：一个
3、状态的有限集合；,：领域的有限集合，5,56*（邻域大小为*），7!,，8!3，728!3；（7，8为细胞）9：4*:;4，转换规则含有（3，4，,，9）#个参数的模型就构成一个细胞自动机。细胞自动机中的晶格结构是维空间的，也就是该结构可以在（?=1（）：*,（8）A）；,（8）6?*3：8:*,A上述表达式表示：细胞8在12&时刻的状态由其邻域内细胞（,（8）在1时刻的状态（=1（）决定。严格地说：细胞自动机是一个并行计算机的一种理论模型。细胞自动机可视为由若干小单元构成的动态阵列，其中每一单元具有有限个状态，在离散步序中，每一小单元按一致的法则，由其原状态及其邻域单元的状态决定新的状态。在
4、任一时刻，诸小单元状态的总体构成细胞自动机的格局。从初始格局到最后格局的演化过程为计算处理过程，最后格局被视为计算结果。!模拟平面十字交叉路口交通流的二维动态细胞自动机模型随着经济的发展和物质生活条件的不断改善，汽车数量不断增多，城市道路交叉路口变得越来越拥挤，已成为道路交通的瓶颈。因此如何提高交叉路口的通行能力对改善道路交通至关重要。但交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，因此，其数学模型的建立往往非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法来描述。在处理这样的一个复杂系统时，模拟是最好的工具。基于细胞自动机的交通流模拟控制吴忠汪明艳（上海工程技术大学管理学院，上海!BBC）D:/
5、0E：F.G)(*HIIJ&CB$7(/摘要该文以KLK语言为仿真工具，通过构造二维细胞自动机模型，对平面十字交叉路口的交通流进行了分析和模拟控制。仿真结果较为理想，这充分说明了细胞自动机极其广泛的应用前景。关键词细胞自动机模拟交通流文章编号&!:IBB&:（!#）%:!&#:B文献标识码K中图分类号MN!B!#$%&()*%+,),-.+,*/+(+0!/)00%1 2(+3 4)5#-+,!3+67%&#,5%+,)(.#()/8*+&)*+,9:+,;9),;O0*0H-/-*1，4PD4，4)0*H)0!BBC）85*/)1*：Q*1)R S0S-8，.R-*H KLK 0R R/.E
6、01(*1(E F-T.E.S 0 1F(:/-*R(*0E=-EE.E08 K.1(/01(*1(0*0EUG-0*7 E(F 01 1)-*1-8R-71(*$M)-71(R/.E01(*R T-11-8$M)R R)(FR/(8-V1-*R+-0SSE701(*R(=-EE.E08 K.1(/010$?#=3+/-5：=-EE.E08 K.1(/010，4/.E01(*，M807 9E(F基金项目：国家社会科学基金（编号：!WXCC）；上海市教委青年基金（编号：&Y,Z!）资助作者简介：吴忠（&ZCI:），副教授，博士生，研究方向：信息安全管理。汪明艳（&Z%:），硕士生，研究方向：计算
7、机应用与控制。!&#计算机工程与应用!#$%复杂系统是由许多不同状态的大量基本单元在非线形作用下形成的有机整体，因而以非线形相互作用为基础对复杂系统进行多角度、多方法描述是必要的。一般认为，复杂系统是由许多基本单元组成的，而且每个基本单元的状态有有限的几种，每一基本单元的状态随时间的演化只取决于相邻单元的状态，这三个方面正是细胞自动机的基本出发点。因此本文采用了二维细胞自动机模型。由于演化规则可以预设，并且许多过程可以通过计算机来模拟完成，从而可以使平面十字交叉路口的交通流这样的复杂系统宏观演化行为的微观进制具有直观性及可控性，进而可以模拟整个地区的交通流。!$&二维动态细胞自动机模型的建立在
8、笔者所设计的平面交叉路口的二维细胞自动机模型中，模拟时间步序中的每个细胞代表一辆机动车，每条道路中拥有有限的细胞（机动车）。通过使用简单的规则集可以把这个细胞（机动车）移到另一个细胞处，即实现了机动车的运行状态的变化，因此可以从整体上模拟出平面交叉路口的交通流的变化特性，进而可以对该平面交叉路口的路况进行分析，从而实现对该平面交叉路口的有效的智能控制。整个路段上的汽车数量可以人为控制，交叉路口中间设有一交通信号控制灯，它对#个方向上行驶的汽车进行控制，每个路口具有转向功能。为了达到直观控制的目的，路口上的交通信号灯需要模拟。在初始化时通过提供细胞一些路线选择功能，使细胞分布在不同的道路上即在二
9、维空间中，每个细胞有一个或多个进入点，而且每个细胞可以在一个或多个方向上行驶。每个细胞（机动车）具有有限的一些信息，最重要的信息是速度()*（+,-./!0）；1，同一行驶方向上两辆汽车间的警戒距离；变速行驶的速度为.2,3，它的值从4()*（如图&所示）。图&平面十字交叉路口示意图该文对要研究的一般交通路况作了以下假设：（&）如果每辆汽车的前方没有障碍物（一辆汽车或红灯），那么它就以每小时()*的速度行驶；（!）如果一辆汽车与障碍物的距离在1米内（考虑到每辆汽车长度的因素，设定的这个距离为一辆汽车的尾部到另一辆汽车的尾部），那么它必须根据这个距离减慢速度；（5）如果一辆汽车与前方汽车的距离为
10、&米，它必须完全停止。即，若6是两辆汽车间的距离（一辆汽车的尾部到另一辆汽车的尾部），!若6781，那么汽车速度8()*；若&9691，那么汽车速度在4()*之间；#若698&，那么汽车的速度8（停止）。从上述三个表达式中可知，这三个参数()*，&，1完全决定了交通路况中的交通行为。根据研究重点，该交通模型没有把驾驶员的反映时间考虑在内，也没有考虑到汽车的减速或加速等其它的一些因素。另外，在处理边界条件时，为了保证局域规则对每辆汽车（细胞）是相同的，每个街道的首、尾相连即采用周期边界条件。系统根据制定的规则在离散的时间步序中进行更新。!$!算法设计!$!$&模型中主要变量及其说明+):;?0=
11、：汽车的宽度和长度，二者为常数；.2,3：每辆汽车初始时的速度；3*：水平方向上变速行驶的汽车速度；3：垂直方向上变速行驶的汽车速度；:A)3：汽车正在行驶的街道，:A)3的值取45中的一个；*：水平方向上行驶的汽车位移；：垂直方向上行驶的汽车位移；+):：汽车对象；B:?C-)?：垂直方向上行驶的控制标志，B:?C-)?8&表示垂直方向上的汽车不允许通行，B:?C-)?8表示垂直方向上的汽车允许通行；B:?C-)?D：水平方向上行驶的控制标志，B:?C-)?D8&表示水平方向上的汽车不允许通行，B:?C-)?D8表示水平方向上的汽车允许通行；0E:：随机数，与E(一起决定汽车是否可以转向；E
12、(：表示第E(号汽车，与0E:一起决定汽车是否可以转向；-,?0=：每辆汽车与它同方向上行驶的前面紧挨着的汽车距离；1：警戒距离，18+):;?0=；B:?-,C0，B:?:?=0：交叉路口中水平方向道路上的警戒线位置；B:?BA00A(，B:?0A2：交叉路口中垂直方向道路上的警戒线位置。!$!$!仿真程序框图图!汽车行驶速度的计算程序框图!$!$5结果分析该文依据所建立的二维细胞自动机模型，利用GHH语言环境进行了编程并仿真。之所以选择GHH语言，是因为它具有与平台无关、多线程等特性。细胞自动机是由许多细胞构成，细胞自动机系统中细胞状态的更新是同步进行的，必须多线程!&%!#$%计算机工程
13、与应用进行处理。而&(语言提供了设计多线程程序的方法，能够实现同步运行。另外，用&(语言写出的仿真程序，可以不加修改地在任何平台上运行，可以将自己的仿真程序嵌人到浏览器中。依赖&(良好的面向对象的功能，可以使该模型具有良好的人机交互功能。该模型能够直观地模拟出行驶的车辆在一定的车辆密度规定下的二维点阵上的运行规律性。模拟结果表明，经过一段时间运行后，系统达到一种动态的平衡，即某一条道路上的汽车数量达到了一个稳定数值。但该模型的仿真结果也显示出了另外一个值得研究的问题，即：某条道路上的汽车数量几乎达到了饱和状态，而某条道路上的汽车数量极少，从而导致路口的通行能力降低，这就是所谓“绿时浪费”现象。
14、在研究中，采用了人为干预，改变信号控制周期的方法，取得了较好的效果。)结语束细胞自动机在交通控制流中的应用说明它是研究复杂系统的一个极为有用的方法。通过该方法可以直观、形象地模拟出某一地区的交通密度、道口的通行能力等。在传统的定时控制方式中，由于交通信号控制参数不再改变，这种控制方式属于开环控制，对交通流的变化没有任何反应，因而容易造成“绿时浪费”，降低路口的通行能力，因而定时控制具有较明显的缺点，它适合于车流量较大且车流变化规律性较强的交叉路口；而感应控制容易产生绿时分配不合理的现象，同样也会降低路口的通行能力。但上面出现的问题，对一个经验丰富的交警却能应付自如，这说明可通过模拟交警思维的智
15、能控制方法在复杂路口的信号控制方面有着广泛的应用前景。交通系统所具有的基本特征及细胞自动机的时间、空间及状态的离散性特点都决定了细胞自动机在城市交通管理领域中具有较高的研究价值。（收稿日期：!)年#月）参考文献*$胡海英，胡瑞安，许永年等$自增殖细胞自动机的建模理论和算法+&,$华中理工大学学报，*-%；!)（*）!$吕晓阳$细胞自动机的演化与计算理论+&,$华南师范大学学报（自科版），*-.；!)$段里仁$道路交通自动控制+/,$北京：中国人民大学出版社，*-*#$刘健勤$人工生命理论及其应用+/,$北京：冶金工业出版社，*-0%$张永安，白学志$复杂系统研究的重要工具：细胞自动机及其应用+&,$自然杂志，-12!.$史忠植，莫纯欢$人工生命+&,$计算机研究与发展，*-%；)!（*!）0$3455678 9&$:;7?=A6 8B C;D=4785 E4FA864786 48 GA55H5;H=7F=+&,$IJ64D*E，*-1#；.-20#图)信号灯控制下的汽车运行状态程序框图!*.