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原文传递基于元胞自动机的老铁山水道内交通流仿真研究

论文题名：	基于元胞自动机的老铁山水道内交通流仿真研究
关键词：	船舶交通流;元胞自动机;基本图理论;AIS数据
摘要：	随着习近平总书记提出的“一带一路”战略的深入发展，海上贸易运输也获得了新的发展机遇，部分国内外重要航道内的船舶流量和密度都在不断增大，由此带来的船舶间微观行为也在不断增加，导致这些重要航道内的船舶复杂行为逐渐增多，从而在微观层面表现出航道内减速跟随和追越现象不断涌现，为了解决并研究这些复杂交通现象背后的产生机理，本文将从复杂性科学和交通工程学角度入手，对船舶交通流模型进行建模，来对各种微观行为进行研究。　　基于元胞自动机(CellularAutomaton，CA)的交通流模型作为微观交通流模型，广泛地适用于道路和海上交通流研究中，然而相比道路交通模型，海上交通流模型的研究多是基于基本图理论下进行的，而对于较为新颖的三相交通流模型则较少涉及，尽管两种学说之间的争议至今仍然没有统一的解决方式，但二者都有其合理的部分，因此本文受道路交通工程方法的启发，采取求同存异的方式，从实测数据入手，通过将两种理论之间的合理部分进行结合建立了跟随航行和追越两个新模型，来加深对交通流的认识。通过总结船舶交通流模型的发展现状，了解到目前仿真研究中存在的不足之处；以航道内交通实测数据为基础，分析了船舶间的相互行为并总结了其特征，同时结合海上交通工程中相关研究成果，建立了基于元胞自动机的船舶交通流模型，通过与船舶自动识别系统（AutomaticIdentificationSystem，AIS）数据对比和相关数学方法的验证，证明了该模拟方法的可行性。　　首先建立了单通道内减速跟随情况下的船舶交通流模型。本模型研究的是后船航速大于前船却不允许追越时，对后船因受到前船速度扰动而减速跟随的行为进行了分析。以实际中跟随航行情况下后船和前船速度变化趋势为研究对象，引入了三相交通流理论中的速度适应机制，使其体现在慢化概率上，这样可以使后船的速度随着空间间距与前船速度之和的变化而进行变化，并结合船舶领域和避碰规则等理论，确定了船舶减速的时机和幅度，制定出相应的演化规则，获得了一个改进版Nagel-Schreckenberg（NS）模型。从仿真结果和实测对比来看，该规则的引入使得新模型在一定程度上反应出了海上真实环境下的航行情况。该方法适合追越受限时船舶交通流的建模，奠定了单向航道内可追越情况下船舶交通流模型的基础。　　之后将单通道内减速跟随情况下的船舶交通流模型拓展到双通道条件下，建立了可追越情况下的船舶交通流模型。该模型以船舶的“换道”为重点研究对象，结合避碰规则制定了对应的演化规则。在规则作用下，将后船在追越行为下不与他船发生新的紧迫局面原则、后船转向追越保证安全横距时对船速的影响和两船同时采取换道行为时可能产生理论位置矛盾等问题纳入考虑，使本模型的建立与追越过程中实际产生的行为和特征相吻合。同时对可追越情况下的船舶交通流模型的速度适应机制产生的原因进行了说明。　　通过与实测数据对比以及相关数学方法的验证，说明了本文采用的仿真模型属于一种介于上述两种理论间的过渡模型，通过对基本图理论框架下的模型进行改进可以模拟出类似同步流的性质，并命名为类同步流。该仿真方法可以促进了三相交通流理论在船舶交通流建模中的应用，为相关的船舶仿真发展提供一种新的思路。
作者：	屠强
专业：	海上交通工程
导师：	郑中义
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021