（系统工程专业论文）基于元胞自动机的自行车流建模研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着世界范围内能源和交通问题的日益严峻，如何规划和管理交通、合理配 置交通资源越来越受到人们的重视。智能交通系统是交通规划、管理和控制的重 要手段，交通建模与仿真是智能交通系统的重要内容之一。自行车流作为交通流 的重要组成部分，具有灵活、人力驱动等特点，表现出与机动车不同的行驶特征。 自行车流常与其它交通流发生冲突，对交通产生不小的影响。国内外学者近年来 加大了自行车流建模的研究力度，但仍有许多研究空白需要填补，至今尚无公认 成熟的自行车流模型，因此这是个具有理论研究意义与应用价值的研究课题。 本文通过对自行车流特点的研究和分析，主要完成了自行车流的微观和中观 建模，取得如下研究成果： ( 1 ) 结合实际自行车流的基本特征，改进原有自行车流微观模型。通过分析 自行车流的速度密度关系，总结期望速度对自行车行驶起着不可忽视的作用。 在原有c a 自行车流微观模型基础上引入期望速度的影响，仿真结果比原模型更 符合实际情况。 ( 2 ) 为了增加微观模型的可扩展性，提出一种新的自行车微观模型一一广义 元胞自动机模型。该模型以分层结构和矩阵计算为特点，将模型的更新统一为矩 阵计算的形式，各种交通影响因素在各个层次上对骑行决策施加影响。并将广义 元胞自动机模型从路段扩展到路口，利用可接受间距的冲突点方法处理不同交通 对象之间的冲突。仿真结果体现自行车流基本变量关系，定性地验证了导航、信 号灯对自行车流的影响，初步地验证了路l = i 模型。 ( 3 ) 针对大规模路网仿真对模型细致程度的不同要求，提出一种中观自行车 流模型一一c e l l s t r e a m 模型。该模型在路段以群( c e l l ) 描述若干特性类似的自行 车，在路口以流( s t r e a m ) 描述目的地相同的自行车。模型能表现出自行车流整体 的速度密度特性，运算简单，适合大规模网络仿真。该中观模型本质上对自行 车流的描述基于个体，这为今后在此基础上研究混杂模型提供了可能。 关键词：交通流仿真；自行车流模型；元胞自动机；中观仿真；微观仿真 1 1 1 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ec o n t i n u o u sd e t e r i o r a t i o no ft r a f f i cp r o b l e mw o r l d w i d e ，h o wt or e g u l a t e a n dm a n a g et h et r a f f i cs y s t e ma n dh o wt or e l o c a t er e s o u r c e sh a v eb e e na t t r a c t i n g p e o p l e sa t t e n t i o n i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sa ne f f e c t i v ew a yt or e g u l a t e ， m a n a g ea n dc o n t r o lt r a f f i cs y s t e m ，i nw h i c hm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o np l a ys i g n i f i c a n t r o l e s b i c y c l ef l o w , a sa ni m p o r t a n tp a r to ft r a f f i cf l o w , i sf l e x i b l ea n dh u m a n d r i v e n ， h a v i n gi t su n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s i ti n t e r a c t sw i t ho t h e rt r a f f i cp a r t i c i p a n t sa n da f f e c t s t h ew h o l et r a f f i cs y s t e m p l e n t yo fw o r kh a sb e e nd o n eo nb i c y c l ef l o wm o d e l i n g t h e s ey e a r sw h i l em o r er e m a i n st ob ed o n e ac o m p r e h e n s i v em o d e lo fb i c y c l ef l o w h a sn o tb e e nr e a c h e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c so fb i c y c l ef l o w , t w om i c r o s c o p i cm o d e l s a n dam e s o s c o p i cm o d e lw e r ed e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i s p a p e rw e r ec o n c l u d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee x i s t e dm i c r o s c o p i cb i c y c l ef l o wm o d e lw a si m p r o v e db a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fb i c y c l ef l o w t h r o u g ha n a l y s i so fr e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e e da n d d e n s i t y , t h eu n n e g l i g i b l ea f f e c to fd e s i r e ds p e e dw a sc o n c l u d e d t h ee x i s t e db i c y c l e f l o wm o d e lw a si m p r o v e db yb e i n gi m p l e m e n t e dw i t hd e s i r e ds p e e d s i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h ea c c u r a c yo f t h em o d e l ( 2 ) t oi n c r e a s et h ee x p a n s i b i l i t yo ft h em i c r o s c o p i cm o d e l ，an e wm o d e lw a s p r o p o s e d e x t e n d e dc e l l u l a ra u t o m a t o nm o d e l ：i tf e a t u r e st w oc h a r a c t e r i s t i c s l a y e r sa n dm a t r i x e s i tu p d a t e dt h r o u g hc a l c u l a t i o no fm a t r i x e s 。d i f f e r e n ts o r t so f f a c t o r si n f l u e n c i n gb i c y c l eb e h a v i o r sw e r ed e s c r i b e di nd i f f e r e n tl a y e r s a c c e p t a b l e d i s t a n c e sw e r ec o n s i d e r e dt o m a n a g et h e c o n f l i c t so ft r a f f i c p a r t i c i p a n t s a t i n t e r s e c t i o n s s i m u l m i o nr e s u l t ss h o w e dc o n s i s t e n tc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h er e a ld a t a q u a l i t a t i v ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt ov a l i d a t et h ee f f e c t so fn a v i g a t i o n ，t r a f f i c l i g h t c o n f l i c t sa ti n t e r s e c t i o nw e r ea l s os i m u l a t e d ( 3 ) am e s o s c o p i cm o d e l ，c e l l s t r e a mm o d e lw a sp r o p o s e d c e l lw a su s e dt o d e p i c tb i c y c l e sw i t ht h es a m ec h a r a c t e r i s t i c sw h i l es t r e a mw a su s e dt od e p i c tb i c y c l e s v 浙江大学硕士学位论文 w i t ht h es a m ed e s t i n a t i o na ti n t e r s e c t i o n s t h i sm o d e lw a sa b l et or e f l e c tt h ei n p u t s p e e d - d e n s i t yr e l a t i o n s h i p i ti ss i m p l ea n df a s t , s u i t a b l et ob ea d o p t e di nl a r g e - s c a l e d s i m u l m i o n t h i sm e s o s c o p i cm o d e lw a si n d i v i d u a l b a s e d ，t h e r e f o r ec a nb ep o s s i b l y u s e dt od e v e l o ph y b r i dm o d e l sw i t hm i c r o s c o p i cm o d e l s k e yw o r d s ：t r a f f i cf l o ws i m u l a t i o n ；b i c y c l ef l o wm o d e l ；c e l l u l a ra u t o m a t o n ； m e s o s c o p i cs i m u l a t i o n ；m i c r o s c o p i cs i m u l m i o n v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教行机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贞献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学僦姗者繇杨穆 签字帆2 , o l 。年专月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被套阅和 借阅。本人授权逝姿态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 1 渤 学位论文作者签名：初砖 导师签名：y 纷 签字日期：勘lo 年乡月，f 日签字日期：_ 切和年弓月f 1 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：液化空气杭州有限公司 电话：1 3 8 5 8 0 3 2 0 9 7 通讯地址：杭州市余杭区勾庄工业园区庙长桥路1 1 号邮编：3 1 1 1 1 2 浙江大学硕士学位论文 致谢 转眼已经在浙大度过了六个春夏秋冬，随着论文的完成，我的求学生涯就要 告一段落了。借此机会，我想感谢六年来帮助、关心过我的人们。 首先要感谢我的导师王慧教授，王老师扎实的理论知识，严谨的治学态度和 平易近人的作风深深感染了我，使我受到了潜移默化的熏陶。感谢李平教授对我 的关心和帮助，李老师渊博的学识和对问题精准的把握对我的研究工作很有启发。 此外，也要感谢宋春跃副教授的指导和帮助。 感谢智能交通组的所有成员：闻育、刘泓、邹振宇、钱蓓蕾、冯毅恒、沈旗、 罗莉华、贺明、武欣、盛能、张兰渝、孙伟力、沈逢春、龚李龙等同学。作为交 通组的一员，能在这样一个积极向上的集体中和大家一同工作和学习，我感到非 常骄傲和自豪。特别是刘泓师兄对我的研究工作提出了很多宝贵的建议，给予我 极大的帮助，在此特别表示感谢。 感谢本科四年和研究生两年半中我的众多好朋友们，是你们陪伴我渡过了人 生中最精彩的六年，是你们令我的生活丰富多彩。感谢我的男朋友曹亮和姐姐杨 菲，谢谢你们在工作中对我的支持和生活中对我的照顾。最后，要感谢我的父母， 你们为我的成长付出了辛勤的汗水和无私的爱，希望本文的完成能给你们带来一 点欣慰。 杨珍 2 0 0 9 年1 2 月 绪论 1 绪论 摘要：首先对目前城市交通现状进行分析，提出自行车流建模这个研究焦点，明确了本文的 研究背景及其意义；介绍元胞自动机模型的发展和原理，对其在交通领域中的应用进行了综 述；从宏观、微观、中观三个方面，对自行车流建模的研究现状进行分析，指出了当前研究 中的不足和本文试图做出的改进。最后对本文的具体内容和研究成果作了简要的概述。 关键字：交通建模；自行车流建模；元胞自动机 1 1 研究背景和意义 近年来，由于现代化城市的快速发展，各国的交通系统均得到飞速的发展， 交通系统已成为国民经济投入的重要部分，如我国2 0 0 8 年9 月出台的4 万亿元 经济刺激计划中，与交通系统相关的投资约为1 8 万亿元【。同时，现代城市遇 到了交通拥堵、安全和能耗等交通问题，大大影响了城市的经济建设和运行效率。 仅以交通拥堵为例，我国每年交通拥堵导致的经济损失约占当年g d p 的 5 8 t 2 1 ；美国2 0 0 7 年交通拥堵造成约4 2 亿小时的延误，2 9 亿加仑燃油的浪费， 共导致了7 8 0 亿美元的经济损失【3 1 。 一种较好的解决方法是通过对交通流的研究，建立可靠的交通流模型，并结 合交通规划、管理和控制等手段构建智能交通系统，从而充分发挥交通系统的效 率。运用上述方法，其投资虽只有交通基础建设的5 1 0 ，却可以通过辅助交 通管理决策制定，提高交通基础建设的效果，从而有效改善交通状况【4 1 。此外， 交通流模型还可被应用于社会学和经济学f q 题的研究，如s t e p h a ne 借助 t r a n s i m s 研究控制流行病传播的机理【5 】等，可见交通流模型具有很大的推广应 用前景。 在许多发展中国家，由于受经济条件的制约，自行车是一种重要的交通出行 方式。在拥有自行车王国之称的中国，自行车流在交通流中占相当比例。由于许 多城市中心人口密集、用地紧凑、交通拥挤，许多居民选择以自行车的方式出行， 尤其是时间不长的出行，以自行车为主。据调查统计分析，当出行时间在3 0 m i n 浙江大学硕士学位论文 以内，自行车交通比重占3 0 以上，个别城市高达5 0 以上【6 1 。人口大于2 0 0 万 的城市，自行车出行量的平均值约为城市总出行量的3 5 。在人1 ：31 0 0 万到2 0 0 万的中等城市，自行车出行量约为4 0 ；在人口小于1 0 0 万的小城市，自行车 出行量约占5 0 1 7 。由于我国城市人口密度大，经济发展不平衡，这种状况不可 能在几年内发生根本改变。换而言之，城市交通中混合交通的现象将持续相当长 一段时间。 在一些发达国家，由于环保无污染、占用道路面积少、兼具健身功效，自行 车也越来越被提倡为交通工具，欧洲的一些城市，如巴黎，已经开始提供公共自 行车租赁服务。荷兰一直以来就是大量使用自行车的国家，被誉为除中国以外的 另一个“自行车王国”；美国政府也从9 0 年代初开始大力倡导自行车交通，美国 联邦公路管理) 两( f e d e r a lh i g h - w a ya d m i n i s t r a t i o nf h w a ) 么布的数据显示政府在 自行车交通设施和研究上投入的资金从1 9 9 1 年的1 0 0 万美元到2 0 0 1 的上亿美元， 由此可见美国政府对自行车交通的重视【8 1 。 自行车作为一种交通工具方便了出行者，却也给城市交通带来了不小的影响。 自行车在路段上行驶时，若自行车专用道和机动车道之间没有隔离带，它对机动 车流的干扰表现为两种形式：一种是违规占道，即少数车辆阻挡附近车道的车流； 另一种是交通阻尼，即多数车辆为了安全而降低车速或拉大同附近车道的距离。 其中违规占道是引发交通事故的主要原因；交通阻尼是干扰的主要表现形式，也 是导致车流速度下降的主要原因9 1 ，据北京和上海的调查：若车道之间没有隔离 设施，机动车流、非机动车流的车速相对有隔离设施的车流会各自下降约1 5 【1 0 】 在交叉路口，自行车的存在不仅会使冲突点数量和密度大大增加，而且自行车相 对缓慢的行驶速度也对交叉口处的机动车通行能力有非常大的影响。在北京，自 行车高峰总流量达到1 0 0 0 0 辆以上的十字路1 2 1 已经有1 0 0 多个，这意味着在这些 十字路口，每分钟有1 7 0 辆左右的自行车通过，这无疑会减缓机动车流速度，导 致交通堵塞现象的发生。 综上所述，自行车交通是混合交通的重要组成部分，不论从其在交通总量中 占据的比例还是从其对整体交通状况的影响来看都需要在建模仿真时进行充分 的考虑。同时，由于自行车的骑行特性，如个体小、灵活、蛇形运动、人力驱动 绪论 等，它的行驶行为和机动车的驾驶行为截然不同，有必要针对自行车建立区别与 机动车模型的仿真模型。因此，通过自行车流建模研究，建立符合自行车流特性 的模型，无论对混合交通流微观仿真模型，还是对城市交通管理、交通安全、交 通流组织都非常有意义。 1 2 元胞自动机模型及其在交通中的应用 1 2 1 元胞自动机模型简介 元胞自动机( c e l l u l a r a u t o m a t o n ，c a ) 的概念最早在2 0 世纪5 0 年代由v o n n e n m a n n 提出，主要用于模拟生命系统所具有的自复制功能，而其真正得到广 泛关注则是在c o n w a y 于1 9 7 0 年提出生命竞争之后，随后c a 被广泛用于各个 领域。原因是这类简单的模型能十分方便地复制出复杂的现象或动态演化过程中 的吸引力、自组织和混沌现象。因此目前c a 被广泛应用于模拟各种物理系统和 自然现象，如流体流动、星系形成、雪崩、交通流模拟、并行计算及地震等。用 c a 来模拟一个物理过程的优点在于省去了用微分方程作为过渡，而直接通过制 定规则来模拟非线性物理现象。在这些实际应用中，c a 模型通过简单的微观局 部规则揭示了自然发生的宏观行为，是目前研究时空离散的理想物理模型，在研 究复杂系统方面被认为是一种最有效的工具之一。 c a 模型最基本的组成包括四个部分：元胞( c e l l ) 、元胞空间( l a t t i c e ) 、邻 域( n e i g h b o r ) 及更新规则( r u l e ) 。其一般特征总结如下- ( 1 ) 时间离散等距，即系统的演化是按等间隔的离散时间分布进行，步长西 一般取单位时间l 。 ( 2 ) 空间离散齐性，这反映在每个元胞的变化都服从相同的规则，元胞的分 布方式相同。 ( 3 ) 状态离散有限，c a 的状态只取有限个数离散值。 ( 4 ) 计算同步并行，若将c a 的构形变化看成是对数据或信息的计算或处理， 则c a 的处理是同步并行的，特别适合并行计算。 ( 5 ) 更新规则局部，每一个元胞的当前状态，只受其当前邻域中的元胞状态 影响，从信息传输的角度看，c a 中的信息传输速度有限。 浙江大学硕士学位论文 ( 6 ) 变量维数无限，动力系统中一般将变量的个数成为维数，每个元胞的状 态都可以被看作是一个变量，所以包含无限多元胞的c a 是一类无穷维动力系统。 以上特征只是c a 模型的一般特征，在实际应用中，模型构建者常常会对 c a 模型或多或少地进行扩展，突破上述限制而构建出形形色色的扩展c a ，这 也是c a 应用领域非常广泛的原因。但任何对c a 的扩展都要尽量保持其一般特 征，尤其是更新规则局部特征 2 0 世纪9 0 年代，随着交通流模拟的需要及职能交通的发展，人们开始尝试 将物理学中的元胞自动机理论应用到交通领域【】，出现了交通流元胞自动机模型。 交通流c a 模型的主要优点是：( 1 ) 模型简单，特别易于在计算机上实现。 在建立模型时，将路段分为若干个长度为三的元胞，一个元胞对应一辆或几辆汽 车，或是几个元胞对应一辆汽车，每个元胞的状态或空或是其容纳车辆的速度， 每辆车都同时按照所建立的规则运动。这些规则由车辆运动应遵守的运动规则和 交通规则组成，并且包含驾驶行为、外界干扰等随机变化规则。( 2 ) 能够再现各 种复杂的交通现象，反映交通流特性。在模拟过程中人们通过考察元胞状态的变 化，不仅可以得到每一辆车在任意时刻的速度、位移以及车头时距等参数描述交 通流的微观特性，还可以得到平均速度、密度、流量等参数，呈现交通流的宏观 特性。 自行车速度较慢、制动和转向非常灵活，许多自行车在行驶时表现出蛇形前 进等现象，因此自行车流是相比机动车流更加复杂、随机性更强的系统，因此选 择采用c a 模型来进行自行车微观模型的研究。 1 2 2单车道c a 模型 n s 模型是一个简化的一维c a 模型，由德国学者n a g e l 与s c h r e c k e n b e r g 于1 9 9 2 年提出【12 1 ，用来描述高速公路交通流的最小化一维c a 交通流模型。其 每一步都是模拟实际交通流各种特性所必需的，它为更复杂的情况或城市交通流 提供了基本规则。 该模型用一个一维点阵代表一条单车道，即将所研究的单车道分成n 个长度 为三的小路段( 元胞) ，点阵中每个位置代表一个元胞，每个位置或空闲或容纳一 辆车。定义元胞长度l 为道路阻塞时的平均车头间距；车辆速度的取值范围为 4 绪论 0 一，惭5 元胞长度s ；时间步长可以认为是驾驶员的反应时间，通常取1 s ； 每个位置的状态有7 种，分别为：空闲、该位置车速为0 、1 ，2 、3 、4 和5 。在 n s 模型中，所有车辆的状态将同时按照以下4 条规则变化： ( 1 ) 加速规则：如果v ( t ) v m a x ，则v ( t + 1 ) = m i n ( v m 甜，v ( f ) + 1 ) 。 ( 2 ) 减速规则：如果v ( t ) g a p ，则v ( t + 1 ) = g a p 。 ( 3 ) 随机规则：在概率尸下，m + 1 ) = m a x ( v ( f + 1 ) 1 ，0 ) 。 ( 4 ) 车辆运动：x o + 1 ) = x ( 力+ v ( f + 1 ) 。 这里的g a p 是本车与前车之间的空格数，表示车辆的位置。因为t - = i s ，所以 v ( o = v 。在该模型中，加速规则反映了驾驶员将逐步使车辆加速到最大速度；减 速规则反映了驾驶员为避免与前车发生碰撞而采取的减速措施；随机规则反映了 驾驶员运动行为的不确定性。在n s 模型中，随机减速概率p 是一个重要参数， 当p = 0 时，n s 模型就是一个确定型c a 模型( d e t e r m i n i s t i ct r a f f i cc a ) 。 从模拟结果看，n s 模型很好地反映了车流运动的宏观特性，主要表现在： ( 1 ) 呈现起动停车波( s t a r t t o s t o pw a v e s ) 现象，即在空间一时间图上，可以清晰 地看到车流逐渐由低密度下畅行到高密度下拥挤的运动过程，形象地表现出车流 运动象波一样在车队中传播的景象。( 2 ) 模拟得到了连续的流量一密度曲线，与实 测结果极为相似，显示出交通流的两种状态一一拥挤状态和非拥挤状态。 n s 模型有两种边界条件，一是周期性边界，二是开放性边界。周期性边界 条件是一种理想化的c a 模型分析手段。它是指路段起点和终点是联通的，适用 于密度不变时车辆亚稳定状态的分析。由于采用并行更新方式，得不到确切的解 析解。但周期性边界条件可以通过仿真得到近似的解析解，为分析问题提供强有 力的验证平台。近年来，这种周期性边界方式在分析n s 模型及其扩展模型方面 获得很大的成功。开放性边界条件是指车辆驶入路段和驶出各自符合一定的概率 分布，它比周期性边界条件更加符合现实情况，尤其在研究交通工程学家所关心 的高速公路匝道口控制方面。 n s 模型是最简单的一维交通流c a 模型，仅4 条规则就可以表现出交通流 的最基本特性。在该模型的基础上，人们又做了多种改进和修正，以期更准确地 反映交通流特性。 浙江大学硕士学位论文 1 2 3多车道c a 模型 将单车道模型扩展为多车道模型的主要措施就是建立交通流换道规则，已有 不少学者在此方面作出贡献。其中，双车道模型因为车道的不同情况，如快车道 和慢车道的区别，分为对称( s y m m e t r i c ) 车道和非对称( a s y m m e t r i c ) 车道两 种模型。另外，根据行驶车辆的不同，比如有两种或多种最大速度y 一不同的车 辆，也可以分为对称的和非对称的两种模型。 一般地，双车道模型的更新步骤分为两步：第一步，根据换道规则同步变更 车道；第二步采用单车道模型同步更新车辆位置。驾驶员有两个最主要的换道需 求动机：一是另一车道驾驶更方便，可以获得更大的行驶速度；二是车辆快要行 驶到需要转弯的地方，产生换道需求动机，同时满足安全条件。1 9 9 6 年，r i c k e r t 提议车辆在满足以下四个条件后，才被准许换道1 3 1 ： ( 1 ) g a p ( d 厶， ( 3 概撕( d 厶，b a c k ， ( 4 ) r a n d ( ) s n ，t h e nv n - m i n ( v ，磊一1 ) ； i f 磊 s na n dm i n ( v ，磊一1 ) 7 s 。时，车辆的速度取决于它能否在红灯前通过交叉1 2 ； 3 ) 随机化h 以概率p 趋向于m a x ( v 圹l ，0 ) ； 浙江大学硕士学位论文 4 ) 位置更新东向的车辆：驴矿v n ；北向的车辆：扩舻。 初始化时，将一与t 个车辆随机的放置在模型中，以上面的规则并行刷 新。从自由流阶段向堵塞阶段的密度相交点为矿( d ) ，它同模型的参数p 、。、 丁的关系目前尚未完全清楚。从计算机模拟中得到的数据无法证明它同这些参数 无关，诱发堵塞的动态随机性同b m l 模型是一致的，通过自组织形成的完全阻 塞同b m l 模型也基本相同然而该模型平均速度随时间的变化，以及在流动阶 段随着密度c 、减速概率p 、路段长度d 、信号周期丁的变化都比b m l 模型更 接近现实。 该模型还可以在以下方面作改进：( 1 ) 多车道；( 2 ) 在交叉点处制定较为现 实的车辆转向规则；( 3 ) 设置不同类型的信号灯，包括绿波带等。 1 2 5 c a 模型在交通中的应用 自c a 产生以来，对于c a 分类的理论研究一直是c a 的一个重要研究课题。 基于不同的出发点，c a 可有多种分类。其中最有影响力的是w o l f r a m 在2 0 世 纪8 0 年代初提出的基于动力学行为的c a 分类研究。 c a 在流体力学中最重要的应用之一就是c a 交通流模型，1 9 8 6 年c r e m e r 和l u d w i g 最先采用c a 建立了交通流模型。w o l f r a m 所命名的第1 8 4 号模型是 c a 最原始的形式，该模型属于确定性c a 模型。其他模型一般都是在该模型的 基础上进行改进，以模拟更真实的、复杂的情况。比较典型的有n s 模型和f i 模型以及二维的b m l 模型。 下面是近年来国内外c a 在交通建模研究工作的文献综述： 在一维元胞自动机模型方面，1 9 9 2 年，n a g e l 和s c h r e c k e n b e r g 提出了著名 的单车道n a s c h 模型1 1 。在此之后，许多学者对n a s c h 模型进行了改进，将连 续模型中许多特性加入到n a s c h 模型中。m t a k a y a s u 和h t a k a y a s u 在1 9 9 3 年 率先建议在c a 模型中使用慢启动规则( t t 模型) t 1 6 l 。1 9 9 6 年，b e n j a m i n ，j o h n s o n 和h u i 通过引入慢启动对n a s c h 模型的更新规则进行了修订( b j h 模型) ，不同 于t t 模型，b j h 模型中，如果一辆车由于前车的阻拦而采取了刹车行为，那么 在下一时刻该车只能以一定概率向前行驶1 7 】。同年，f u k u i 和i s h i b a s h i 提出的f i 模型，并引发了一系列的研究，该模型与n a s c h 模型的主要差异是：l 、车辆不 绪论 需要逐步加速；2 、随机慢化仅对高速行驶的车辆起作用【1 8 】。1 9 9 7 年， s c h a d s c h n e i d e r 等人在1 t r 模型基础上提出了一个扩展模型，在扩展模型中，静 止车辆如果前面只有一个空元胞，则不在按照确定性规则加速，而是以一定概率 加速( s l o w t o s t a r t 模型) 【1 9 】。同年，f u k u i 和i s h i b a s h i 提出了停着的车辆重新启 动会有时间上的滞后【2 们。1 9 9 7 年，e m m e r i c h 和r a n k 将跟驰理论中最优速度 ( o p t i m a lv e l o c i t y ，o v ) 模型的思想引入元胞自动机模型中 2 h 。1 9 9 8 年，b a r l o v i c 等人在n a s c h 模型的基础上，提出了v d r ( v e l o c i t y d e p e n d a n t r a n d o m i z a t i o n ) 模型，该模型中的随机慢化概率不再是固定不变，而是车辆速度的函数，该模型 可以体现n a s c h 模型所不能的亚稳态和回滞现象2 2 1 。2 0 0 0 年，k n o p s e 等人提出 了一种考虑驾驶员希望平稳和舒适驾驶的模型( c o m f o r t a b l ed r i v i n g ，c d 模型) ， 由于该模型中引入了刹车灯效应，又称刹车灯( b r a k i n gl i g h t ，b l ) 模型【2 3 1 。2 0 0 2 年，k e m e r , k l e n o v 和w o l f 在k e m e r 提出的三相交通流理论基础上，提出了完 全离散的模型( 简称k k w 模型) ，该模型引入了车辆跟驰理论中车辆之间存在 作用范围的概念【“1 。2 0 0 3 年，姜锐等人提出的m c d ( m o d i f i e dc d ，m c d ) 模 型中，刚停车的车辆驾驶员仍十分敏感，只有停车时间超过一定时间，驾驶员的 敏感度会下降【2 5 1 。2 0 0 4 年，l e e 等提出了一种考虑速度限制的c a 模型，在该模 型中，采用一种启发式方法确定车辆的速度，为保证安全驾驶，司机总是对前车 的行驶状况做最坏的打算，也就是说，总是以为前车会突然减速【2 6 1 。 多车道c a 模型方面，1 9 9 3 年，n a g a t a n i 等人提出了一种完全确定性双车道 模型，考察了最大速度为l 的双车道系统，车辆在每一仿真步长或者换道或者向 前行驶2 7 ，2 引。r i c h e a 等人在1 9 9 6 年提出了一套换车道规则，将机动车换道特性 应用于c a 2 9 1 。c h o w d h u r y 等人1 9 9 7 年提出了存在两种不同速度车辆时的换道 规则，换道参数不再是确定性的，而是和速度等其它参数拥有函数关系，该模型 被称为s t c a 模型，成为之后许多换道研究的基础【3 0 1 。n a g e l ，w a g e r 等人对德国 等国家高速公路中存在的l a n eu s a g ei n v e r s i o n 的现象进行了究 3 1 , 3 2 1 。1 9 9 9 年， k n o p s e 将a n t i c i p a t i o n 的影响引入双车道换道模型马h 3 3 , 3 4 1 ，2 0 0 2 年，k n o p s e 又 将b r e a kl i g h t 的影响引入换道模型中【3 5 1 。2 0 0 5 年，贾斌等提出了一个具有鸣笛 效应的双车道模型【3 6 1 。2 0 0 6 年，孔宪娟和高自友等提出了一个考虑次近邻车辆 9 浙江大学硕士学位论文 影响的双车道模型【3 7 1 。2 0 0 7 年，孟剑平和戴世强等人提出了一个包含摩托车的 混合交通流的双车道元胞自动机模型3 8 1 。 1 3 自行车流建模研究现状 1 3 1 自行车流宏观建模现状 2 0 世纪9 0 年代以前，由于国外对非机动车的研究需求并不是很强烈，文献 可见的关于非机动车的模型研究非常缺乏，对自行车的研究一方面关于非机动车 流的宏观统计数据调查与分析，如p i e t 根据荷兰的自行车统计数据分析自行车流 的出行人数、出行时间、行车里程等变量之间的关系【3 9 1 ；另一方面，大量研究工 作集中于通过统计、调研等方法，研究考虑包括自行车在内的非机动交通参与者 ( 如行人、慢跑者、轮滑者) 的交通设施设计研究，如是否共享车道、道路宽度、 交叉路口的设计，并用舒适性、安全性、服务等级等指标对交通设施进行评估。 同样地，在国内，对于智能交通系统和交通仿真的研究刚刚起步，非机动车 交通在国家发展计划中也不占主要地位，因此研究方向也集中在宏观的角度：九 十年代，同济大学的杨佩昆、彭锐等人对自行车流的宏观模型做了较多的工作 1 4 0 , 4 1 1 ，张苏新等对自行车的离散规律进行了研究，特别值得一提的是彭锐的博士 论文进行了大量的实地调查统计，为自行车交通流参数的统计特征、参数的相互 关系、车流的流体力学比拟、车流的波动现象和散布现象建立了相关的模型，构 成了一个相对完整的自行车流宏观理论体系4 2 1 。周溪召对非机动车道的时空饱和 度进行了研究，得出了高峰时段自行车流模型与时空饱和度的计算公式【4 3 1 。2 0 0 6 年杨紫松研究了信号交叉口自行车交通组织方法【4 钔。2 0 0 7 年，吕剑，史其信等 研究了混合交通中自行车密度速度关系4 5 1 。梁春岩研究了自行车交通流特性【4 6 】 王招贤研究了基于平交路1 3 的自行车交通安全特性【4 7 1 。2 0 0 8 年，熊辉等利用流 体扩散模型，建立信号交叉1 ：3 自行车通行能力模型【4 引 自行车宏观模型和机动车宏观模型类似，从统计角度研究速度、密度、流量 这些基本交通参数的函数关系，在信号配时设计等交通控制中有较广泛的应用。 其不足是无法对自行车的行为进行细致描述，在交通管理越来越精细的今天，需 要研究一些细致的交通管理方法( 比如r o u n d a b o u t ) 对于自行车流的影响，这 l o 绪论 就需要对自行车行为进行更加细致的描述。 1 3 2 自行车流微观建模现状 随着近年来国际上交通问题的日益突出，发达国家开始把自行车交通当作有 效的解决办法之一。因此将自行车模型加入微观交通仿真软件中已经成为一种趋 势，同时也己成为评价软件优良的一项指标。荷兰的f l e x s y t 、芬兰的h u t s i m 、 德国的v i s s i m 还有美国的c o r s i m 都先后在其仿真软件中加入了自行车模型。 1 9 8 8 年r a m a n a y y a 建立的m o r t a b 模型4 9 1 、s u t o m a 进一步建立啦t r a s m i c 模型f 5 0 1 、1 9 9 4 年英国南安普敦大学的h o q u e 发展的m i x s i m ( m i x e dt r a 饿c s i m u l a t i o n ) 模型5 1 1 以及1 9 9 8 年同校的m h o s s a i n 提出的m i x n e t s i m 模型展 示出国外学者在此领域的一系列研究成果 5 2 - 5 4 】。2 0 0 9 年，g r e g o r yg o u l d 和a l e x k a m e r 等试图通过自行车的微观建模进行仿真，从而进行自行车公共设施和服务 等级的研究。他们以成熟的c a 机动车模型为基础，采集了校园内的自行车数据， 对模型参数进行了校正，将仿真结果和实际数据有一定的一致性【5 5 1 。 国内随着交通研究的深入，也涌现出一批致力于自行车交通的研究学者。西 安交通大学的李昕、段军政【5 6 1 以现实交通场景和数据采集作为支持，对人在骑车。 过程中接受信息、进行判断决策和最后执行决策的全过程做了较为深入的研究， 从数学上分析了关于自行车行驶速度、加速度等行驶特征参数的规律，也对转弯 和躲避障碍物等抽象特性进行了考察，最终以自行车在交叉路口的行驶方式为例 进行了建模。2 0 0 6 年，赵春龙利用采集得到的数据，采用线性回归的方法得到 了平面交叉口混合交通流自行车穿越机动车微观行为模型5 7 1 。2 0 0 7 年，董陈继 也采用了类似的方法得到平面交叉口机动车干扰下的自行车微观行为模型【5 8 1 。 2 0 0 7 年，黄玲对混合交通流无信号交叉口自行车微观行为进行了研究，提出了 规范化自行车交通行为理论模型，对战术和操作层次行为模型进行理论建模【6 】。 2 0 0 8 年，魏丽英，吕凯提出了基于b p 模型的信号交叉1 ：3 处自行车跟驰模型，反 映了信号交叉口处自行车群内前后车之间的刺激反映关系1 5 9 。 然而需要注意到的是，国内外的自行车微观模型大多仍以跟车模型为基础， 辅以换道或横向移动模型，甚至部分模型是将自行车看成特殊的机动车或者行人， 具有很大的局限性。由于自行车的灵活性和随机性比机动车较强，在机动车微观 浙江大学硕士学位论文 模型的基础上进行改进而来的自行车微观模型往往非常复杂，给模型校正带来了 困难，也不利于大规模路网仿真的应用。 1 3 3 自行车流中观建模现状 在模型的细致性和有效性之间寻找平衡的过程中，一种介于微观和宏观