基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方法
【专利摘要】本发明提供一种基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方法，其包括以下步骤：(一)建立由多个双向两车道组成的城市路网；(二)建立车道上的车辆更新规则；(三)建立交叉口处的车辆更新规则，其中交叉口内元胞和交叉口外围元胞上的车辆遵循不同的更新规则，以及建立避免死锁规则；(四)将N辆车随机分布于城市路网，进行仿真实验，其中车遵循步骤(二)和(三)的规则行驶；(五)采集步骤(四)的车的出行数据，并进行计算和分析，用以评价城市路网的交通流的特性。该方法可真实反映双向交通道路和交叉口复杂的车流运行状态，提高在交通仿真的真实性。
【专利说明】基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交通工程【技术领域】，尤其涉及一种城市路网交通流的仿真设计方法。
【背景技术】
[0002] 交通仿真是随着计算技术的进步而发展起来的采用计算机数字模型来反映复杂 交通现象的交通分析技术和方法。近几十年来，不同领域的研究者从各自的角度对道路交 通流的特性进行了分析，建立了许多交通流理论和模型。其中，二维元胞自动机模型是研究 城市路网交通流的有效工具。但是，现有的元胞自动机模型都对交通的局部规则进行了大 量简化，很难真实反映交叉口复杂的车流运行状态，这大大降低了模型在交通仿真中的真 实性。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，确有必要提供一种基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方 法，该方法可真实反映交叉口复杂的车流运行状态，提高在交通仿真中的真实性。
[0004] -种基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方法，其包括以下步骤：
[0005] (一），建立城市路网：
[0006] 城市路网由SXS条道路组成，每条道路包括相向行驶的两个车道，每条车道被分 割成L个元胞，以使每个元胞容纳一辆车，其中该SX S条道路形成多个交叉口，交叉口停车 线前方设禁止变换车道线，交叉口处的元胞包括交叉口内元胞和交叉口外围元胞，交叉口 外围元胞设于交叉口内元胞的周围，S和L均为正整数；
[0007](二），建立车道上的车辆更新规则：
[0008] (1)车按照换道规则进行换道；
[0009] (2)换道后，各条车道上的车按照单车道模型规则前进；
[0010](三），建立交叉口处的车辆更新规则：
[0011] (1)交叉口内元胞上的车辆更新规则，如果车前方的元胞是空的，则车在当前时间 步结束时向前移动一个元胞，否则，车将停车等待；
[0012] (2)交叉口外围元胞上的车辆更新规则，如果车前方的元胞是空的，且交叉口内不 存在车试图占用该元胞，则车向前移动一个元胞，否则，车将停车等待；
[0013] (3)避免死锁规则，当交叉口内元胞为空，且交叉口外围元胞均被直行或者左转 车辆占据时，从交叉口外围元胞的车中随机选择一辆车停车等待，其余的车则前进一个元 胞；
[0014] (四），将N辆车随机分布于城市路网的元胞上以作为起始地，并为每辆车随机分 配另一个元胞分别作为目的地，车选择起始地与目的地之间距离最短的路完成出行，当车 到达目的地后，再随机选择新的目的地，继续在城市路网上行驶，其中，车遵循步骤（二）以 及（三）的规则行驶，城市路网的交叉口内的元胞不作为起始地和目的地，N为正整数；
[0015] (五），采集步骤（四）的车的出行数据，并进行计算和分析，用以评价城市路网的 交通流的特性。 ^
[0016] 其中，步骤（二）中所述车按照换道规则进行换道是指在禁止变换车道线前，车允 许借反向车道超车，如果车在反向车道行驶到禁止变换车道线时还没有机会换回本道，则 在禁止变换车道线前停车，等待机会换回本道，其中所述本道为与车辆行驶方向一致的车 道，所述反向车道为与车辆行驶方向相反的车道。
[0017] 其中，步骤（二）中所述单车道模型规则包括加速、减速、随机慢化和纵向位置更 新这四个规则，具体如下：
[0018] (1)加速规则，
[0019] 若 vn<vmax，则 vn+l ;
[0020] gvn = vmax，则 vn 不变，
[0021] 其中，vn表示第η辆车的速度，vn为〇到之间的任意一个整数，Vmax为最大速 度；
[0022] (2)减速规则，
[0023] 若 Hn = 0,则 vn - min (vn，dn，sn_daTOid);
[0024] 若Hn二1时，包括无信号灯控制时和有信号灯控制时两种情形，其中，
[0025] 在无信号灯控制时，vn - min (vn, 4, sn)，
[0026] 在有信号灯控制时，
[0027] 当前方交叉口信号灯为红灯，或者前方交叉口内存在车试图占用前方停车线内第 一个元胞时，vn - min (vn，dn, sn);
[0028] 当前方交叉口信号灯为绿灯，且前方交叉口内不存在车试图占用前方停车线内第 一个元胞时，vn - min (vn，dn, sn+l);
[0029]其中，Hn = 0表示车在反向车道上行驶，Hn= 1表示车在本道上行驶，dn表示第n 辆车与前车之间的距离，Sn表示第η辆车与前方交叉口之间的距离，（^^表示禁止变换车 道线的长度； ?
[0030] (3)随机慢化规则，
[0031]以随机慢化概率P，vn -max (vn-l，〇)，对应于现实中各种不确定性因素造成的驾 驶员的随机减速；
[0032] (4)纵向位置更新规则，
[0033] 在 t+Ι 时亥lj，xn - xn+vn，
[0034] 其中，xn表不第η辆车在某个车道中的位置。
[00^5]其中，步骤（五）中，通过路网交通量、路网交通密度和路网车速来评价城市路网 ^殳通流的，性，其中，在考察时段r个时间步内，t时刻，队表示路网中的车辆数，^ i，η表 不车道i上第η辆轴猶辅，Vt j m表示交叉口」内第m辆车嶋时车速，％表示到达 目的地的车辆数，所述路网交通量按照以下公式计算：
[0036]
【权利要求】
1. 一种基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方法，其包括以下步骤： (一） ，建立城市路网： 城市路网由SX S条道路组成，每条道路包括相向行驶的两个车道，每条车道被分割成 L个元胞，以使每个元胞容纳一辆车，其中该SX S条道路形成多个交叉口，交叉口停车线前 方设禁止变换车道线，交叉口处的元胞包括交叉口内元胞和交叉口外围元胞，交叉口外围 元胞设于交叉口内元胞的周围，S和L均为正整数； (二） ，建立车道上的车辆更新规则： (1) 车按照换道规则进行换道； (2) 换道后，各条车道上的车按照单车道模型规则前进； (三） ，建立交叉口处的车辆更新规则： (1) 交叉口内元胞上的车辆更新规则，如果车前方的元胞是空的，则车在当前时间步结 束时向前移动一个元胞，否则，车将停车等待； (2) 交叉口外围元胞上的车辆更新规则，如果车前方的元胞是空的，且交叉口内不存在 车试图占用该元胞，则车向前移动一个元胞，否则，车将停车等待； (3) 避免死锁规则，当交叉口内元胞为空，且交叉口外围元胞均被直行或者左转车辆占 据时，从交叉口外围元胞的车中随机选择一辆车停车等待，其余的车则前进一个元胞； (四） ，将N辆车随机分布于城市路网的元胞上，并为每辆车随机分配另一个元胞作为 目的地，车选择起始地与目的地之间距离最短的路完成出行，当车到达目的地后，再随机选 择新的目的地，继续在城市路网上行驶，其中，车遵循步骤（二）以及（三）的规则行驶，城 市路网的交叉口内的元胞不作为起始地和目的地，N为正整数； (五） ，采集步骤（四）的车的出行数据，并进行计算和分析，用以评价城市路网的交通 流的特性。
2. 如权利要求1所述的基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方法，其特征 在于，所述步骤（二）中所述车按照换道规则进行换道是指在禁止变换车道线前，车允许借 反向车道超车，如果车在反向车道行驶到禁止变换车道线时还没有机会换回本道，则在禁 止变换车道线前停车，等待机会换回本道，其中所述本道为与车行驶方向一致的车道，所述 反向车道为与车行驶方向相反的车道。
3. 如权利要求2所述的基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方法，其特征 在于，所述步骤（二）中所述单车道模型规则包括加速、减速、随机慢化和纵向位置更新这 四个规则，具体如下： (1) 加速规则， 若 Vn〈Vmax，则 Vn+1 ; 若Vn = Vmax，则\不变， 其中，Vn表示第η辆车的速度，vn为0到vmax之间的任意一个整数，v max为最大速度； (2) 减速规则， 若 Hn = 0,则 vn - min (vn, dn, Sn dav〇id); 若扎=1时，包括无信号灯控制时和有信号灯控制时两种情形，其中， 在无信号灯控制时，Vn - min (vn, dn, sn)， 在有信号灯控制时， 当前方交叉口信号灯为红灯，或者前方交叉口内存在车试图占用前方停车线内第一 个元胞时，Vn - min (vn, dn, sn); 当前方交叉口信号灯为绿灯，且前方交叉口内不存在车试图占用前方停车线内第一 个元胞时，vn - min (vn, dn, sn+l); 其中，Hn = 0表示车在反向车道上行驶，Hn = 1表示车在本道上行驶，dn表示第n辆车 与前车之间的距离，Sn表示第η辆车与前方交叉口之间的距离，dav()id表示禁止变换车道线 的长度； (3) 随机慢化规则， 以随机慢化概率P，vn - max (vn_l，0)，对应于现实中各种不确定性因素造成的驾驶员 的随机减速； (4) 纵向位置更新规则， 在 t+Ι 时亥lj，xn - xn+vn， 其中，xn表示第η辆车在某个车道中的位置。
4. 如权利要求1所述的基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方法，其特征 在于，所述步骤（五）中，通过路网交通量、路网交通密度和路网车速来评价城市路网的交 通流的特性，其中，在考察时段r个时间步内，t时刻，N t表示路网中的车辆数，vt;i，n表示车 道i上第η辆车的瞬时车速，v t^m表示交叉口 j内第m辆车的瞬时车速，Wt表示到达目的 地的车辆数，所述路网交通量按照以下公式计算：
其中，Q(r)表示路网交通量； 所述路网交通密度按照以下公式计算：
其中，/X〃）灰示路网交通密度，凡611表示城市路网中的元胞总数，其中，凡611 = (LX (4XSX (S-1))+4XS2)； 所述路网车速按照以下公式计算：
其中，只/)表示路网车速。
5. 如权利要求1所述的基于元胞自动机模型的城市路网交通流仿真设计方法，其特征 在于，所述元胞的长度为7. 5米至15米。
【文档编号】G06F17/50GK104298829SQ201410541168
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】施俊庆, 程琳, 胡永举, 李磊, 黄芳 申请人:浙江师范大学