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原文传递基于元胞自动机的二维道路交通流动力学建模及复杂特性研究

论文题名：	基于元胞自动机的二维道路交通流动力学建模及复杂特性研究
关键词：	二维道路;交通流;元胞自动机;动力学建模;复杂特性
摘要：	随着我国城市化的步伐进一步加快，城市人口和汽车数量急剧增加，交通问题已成为严重制约现代城市发展的重要瓶颈。因此，如何科学管理、指导以及有效地控制交通拥堵是一个亟待解决的问题。由于交通系统是一个典型的自驱动复杂动态巨系统，具有高度的非线性和不确定性。因此，如何通过力学、物理学、非线性科学、计算机动态仿真等多学科理论和研究方法的结合，建立合理的交通流模型来探索其宏观特征和拥堵现象的形成机理，对于提升我国交通流的基础理论及应用水平具有重要意义。本文在交通流元胞自动机模型的基础上，针对二维道路交通中无交通灯效应、多交通事故、四向交通流中的车辆慢启动效应以及考虑OD属性的城市道路网络，提出改进的模型，并进行相应的数值模拟与分析，探讨了交通流的宏观特征和交通拥堵相变的形成机理。此外，还为城市道路合理规划，应对突发交通事故及堵塞控制提出相关建议。　　全文的主要工作如下: 　　一、考虑无交通灯效应的城市交通流，提出改进的BML元胞自动机模型，研究不同方向车辆数量的非对称性等因素对交通流的影响，并探讨了交通拥堵的微观机理。　　在BML元胞自动机模型的基础上，采用随机序列更新，提出描述无交通灯效应的二维交通流元胞自动机模型。数值模拟研究了系统尺寸、不同方向车辆数量的非对称性对交通流的影响。通过对基本图和典型时空演化斑图的研究表明:新模型能够展现BML模型中从自由流相到完全堵塞相的一阶相变过程，但其临界密度远比BML模型中的小，这表明无交通灯控制的城市交通极易诱发交通拥堵;当系统的长度和宽度较大时，堵塞密度将不再随系统的尺寸变化;不同方向车辆数量的非对称性可以增加系统的稳定性，并能有效地减少交通拥堵。以上研究结果可为合理控制和优化交通提供有价值的参考。　　二、考虑存在交通事故的城市道路系统，提出多交通事故的交通流元胞自动机模型，研究交通事故数目、发生交通事故的空间位置分布等因素对城市交通流的影响。　　借鉴Nagatani的建模思想，将BML模型进行扩展，提出多交通事故的二维交通流元胞自动机模型。数值模拟研究了交通事故数目、事故发生地的空间位置分布等因素对城市交通流的影响，并对交通流的时空动力学特性进行了探讨。结果表明:随着交通事故数目n的增加，系统拥堵区域增大，极易发生交通堵塞;交通事故点的空间位置分布对城市道路系统的交通流有显著的影响作用。当两交通事故发生在同一车道上时，其事故点间距越大，越能够减小交通拥堵。最后，提出了一些关于面对突发交通事故时采用的应急处理措施和建议。　　三、将BML模型进行拓展，针对实际交通中的四向交通流，考虑车辆的慢启动效应，提出了慢启动效应的四向交通流元胞自动机模型，研究由慢启动效应所诱发的交通流宏观现象和两相共存形成的微观机理。　　在BML模型的基础上，考虑车辆的慢启动效应以及四向道路交通，建立了慢启动效应的城市道路四向交通流元胞自动机模型。通过数值模拟，研究了慢启动效应、交通灯周期等因素对四向交通流的影响，并对典型的时空动力学特性、相变及“死锁”现象进行了讨论。结果表明:慢启动效应对交通流起重要的影响作用，且新模型能够展现多自由流带和多局部区域堵塞共存的中间态，该现象的时空斑图与现实情况符合较好。此外，通过运用平均场理论分析，我们得到了车辆自由运动速度Vmax的理论值，该结果与数值模拟的结果完全一致。　　四、借鉴OD(Origin and Destination)的建模思想，考虑城市道路的OD属性，建立了含住宅区与工作区动态路径选择的交通流元胞自动机模型，研究了工作区数目和两工作区域的空间位置分布对城市交通流的影响。　　借鉴OD的建模思想，将BML模型进行改进，考虑城市道路存在的OD属性，提出了含住宅区与工作区动态路径选择的交通流元胞自动机模型，用以描述真实城市道路交通流特性。数值模拟研究了工作区域总面积一定时，工作区域数目和工作区域的位置分布对交通流特性的影响。结果表明:随着工作区域数目n的增加，临界密度减小，系统更容易发生交通堵塞;与其它分布相比较，当两工作区的空间分布在同一直线上时，交通系统更易诱发交通堵塞;此外，当n=2，θ=0时，随着工作区域间距的减少，能够缓减交通堵塞。以上的研究结果可为居民区与工作区的合理布局及交通拥堵控制提供有益的参考。　　最后，对全文进行了总结，并指出需要进一步研究的问题。
作者：	张国新
专业：	系统理论
导师：	邝华
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广西师范大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文