基于元胞自动机的自动-手动驾驶混行交通流特性研究

基于安全距离的元胞自动机交通流模型研究邱小平;于丹;孙若晓;杨达【摘要】With the traffic congestion increasing significantly, traffic safety level declines and traffic accident rate increases gradually. To improve driving safety, the length of the cellular cells is fined, and the Gipps’safe distance rule is introduced to improve the NaSch model, further, a new cellular automata traffic flow model is proposed. The Gipps’safe distance rule is widely proved to have good performance in describing the vehicle driving behavior. In addition, we use the field data to calibrate and evaluate the proposed model. The numerical simulation analysis is carried out to analyze the model. Model evaluation results show that the performance of the new model is better than NaSch model. The simulation results show that the improved model can describe the traffic flow characteristics well and can reproduce free flow, synchronized flow, congestion and other traffic phenomenon in the real traffic flow. Furthermore, the study also found that the drivers’overe stimation of the maximum deceleration of vehicle ahead will lead to decreased road capacity. However, the drivers’overestimation of their own vehicle maximum deceleration will increase the capacity of the road, but is likely to cause unsafe driving behaviors and increase accident rate.%随着交通拥堵状况日益显著，整体交通安全性下降，交通事故率逐渐增大。

基于元胞自动机模型的快速路入口匝道交通流研究1慈玉生，裴玉龙，吴丽娜哈尔滨工业大学交通科学与工程学院(150090)email:ciyusheng1999@摘要：本文选取一维元胞自动机模型对城市快速路入口匝道连接段交通流进行数值模拟研究，通过设置合理的车道变换规则，分析了交通流量、汇入率等参数对入口匝道连接段交通所产生的影响。

研究表明当入流概率不大时，入流车辆对主线车流的影响较小；但当入流概率较大时，主线交通将受到严重干扰，尤其是在主线和匝道的来流车辆均较多时(入流概率大于0.5)，可能导致主线交通严重不畅。

关键词：元胞自动机 入口匝道连接段 车道变换 交通流1．引言城市快速路合流区加速车道上存在的车辆合流行为，往往导致主线交通流的紊乱，不但降低行车速度，而且易引发交通事故，从而成为快速路的“瓶颈”路段。

作为在一定服务水平下城市快速路完成各向交通量转换的载体，匝道是制约其交通功能发挥的关键部位之一。

目前，北京、上海等城市的快速路匝道部分已出现堵车现象，而随着交通量的持续增加，城市快速路匝道合流区行车问题会愈加严重。

分析原因，匝道驶入车流在有限的合流区范围内强迫进行车道交换，使得车流呈高度紊乱状态，造成该区域的实际通行能力大大降低。

频繁的进行车道变换和车辆之间的复杂作用，使得入口匝道连接段同交织区一起经常成为城市快速路的交通“瓶颈”。

入口匝道连接段的交通行为比较复杂，国内外学者对其进行了广泛的研究。

Lighthill和Whitham（1955年）提出了流体动力学模拟理论，并建立了流体动力学模型。

Banks（1990年）研究认为匝道连接段产生排队的区域是中间车道以及入口匝道[1]。

Cassidy和Bertini（1999年）研究了匝道区域的车道变换行为，并以此分析认为瓶颈路段会延伸到入口匝道下游一定距离[2]。

Peter Hidas（2002年）介绍了一种微观交通网络仿真模型，并针对受迫流和自由流两种情况下的车道变换行为进行分析，该模型表明由于高速公路的合流段通行能力有限而存在某些缺陷[3]。

摘 要居民生活水平飞速上升，随之机动车保有量的逐年增长，城市交叉口拥堵问题越来越严重，降低了城市居民的生活质量，缓解城市交叉口交通拥堵问题是交通从业者一直困扰的难题。

本文拟从交通流理论出发，搭建考虑驾驶员性格的近交叉口元胞自动机模型并仿真模拟，模拟仿真不同性格的驾驶员在城市近交叉口交通行为，从驾驶员性格因素分析有的城市近交叉口交通流，剖析城市交叉口交通流机理，分析有倒计时信号灯的交叉口交通流现象，缓解的交叉口交通拥堵。

本文主要基于元胞自动理论，考虑不同性格类型（激进型驾驶员、稳重型驾驶员、谨慎型驾驶员）的驾驶员搭建近交叉口单车道和三车道元胞自动机模型，由于不同性格驾驶员换道概率的不同，为了更好地体现不同驾驶员不同换道需求对交叉口交通流影响，在单车道交叉口模型的基础上搭建更具代表性的三车道交叉口模型，更好的模拟交叉口车辆的跟驰行为，模型运用gipps跟驰理论模拟车辆在近交叉口的跟车现象，gipps跟驰模型从运动学角度出发，计算出车辆之间的安全距离，对比分析车辆与前车的间距，得到车辆行驶的安全速度，以安全为目的，最大的限度模拟有倒计时信号灯控制下交叉口交通流的跟驰现象。

论文最初在给定参数下模拟仿真交叉口交通流并分析不同特性比例组合的驾驶员性格对近交叉口车辆平均速度、平均密度、平均流量、平均延误影响，然后调整交叉口车流量，分析近交叉口三相流状态下驾驶员性格对近交叉口车辆的平均速度、平均密度、平均流量、平均延误影响的影响，得到以下结论：自由流状态下的近交叉口，路段的平均速度、平均密度、平均延误、平均车流量受驾驶员性格影响较小；同步流状态下的近交叉口，当近交叉口激进型、稳重型驾驶员占总比较高时，近交叉口车辆绿灯期间的平均速度会更高，持续时间更长，平均密度会更小、平均车流量会小、平均延误会更小；拥堵流状态下的近交叉口，稳重型驾驶员占比较高优于激进型驾驶员，当近交叉口稳重型驾驶员占总比较高时，近交叉口车辆绿灯期间的平均速度会更高，持续时间更长，平均密度会更小、平均车流量会小、平均延误会更小。

基于元胞自动机的交通仿真模型研究随着城市化和汽车使用量的增加，交通对城市生活和经济发展的影响越来越大。

因此，研究交通流量和交通事故等问题成为了一个重要的话题。

交通仿真模型是研究车流量和交通流动的一种方法。

同时，基于元胞自动机的交通仿真模型成为了一种有效的研究方法。

元胞自动机是一种离散化的动态系统，其由格子或单元（具有一定的状态和接收特定形式的输入）以及它们周围邻居组成。

在这个系统中，每个单元都可以根据其周围的环境和一些规则，自动更新其状态。

基于元胞自动机的交通仿真模型中，道路和车辆被建模成元胞，交通规则被翻译成元胞自动机的规则。

在基于元胞自动机的交通仿真模型中，道路被建模为网格，每个单元格代表着一段特定长度的道路段，而车辆代表一些元胞自动机中的粒子。

车辆会尝试从道路上通过它们的方向和速度，他们可以在其前面的单元格上进行移动。

仿真将会在地图上每秒进行一次更新，根据设定的规则来计算车辆的移动。

现在的交通仿真模型往往是基于离散时间 - 离散事件（DE）方程的构造。

通常，道路上的车辆并非均匀分布。

我们可以通过在交通仿真模型中构建正确的模拟方法来模拟不同的情况，例如，微观交通模型和宏观交通模型。

在微观交通模型中，我们可以通过模拟每个车辆的行为，满足全局交通流动的条件。

例如，模拟车辆的驾驶决策，以及车辆的速度和方向等变量，都可以有效的刻画道路流量和交通状态。

在宏观交通模型中，将道路看做是密度流的场，因此速度是道路密度和平均车速的函数。

通常情况下，这种模型侧重于给出车流量和道路容量的关系，可以用来评估部分路段的通行能力。

然而，在实际应用中，交通仿真模型的鲁棒性和准确性是关键因素。

目前，仿真模型常常存在一些性能问题和精度问题，尤其是对于高密度交通环境，模型的表现往往是不稳定和低效的。

这时候，我们可以使用一些高级的模拟技术，例如将元胞自动机与其他方法相结合，来提高仿真效果和准确性。

在实践中，基于元胞自动机的交通仿真模型已被广泛应用于交通监管、交通流量管理和交通规划等应用场景。

基于元胞自动机的城市交通流模拟与仿真研究近年来，随着城市化进程的不断加快，城市交通问题日益凸显。

为了解决城市交通流量高峰时的拥堵问题，提高交通效率，研究人员们开始使用元胞自动机模型来进行交通流模拟与仿真研究。

一、元胞自动机模型简介元胞自动机是一种复杂系统建模与仿真的重要工具。

它由一系列格点（元胞）组成的二维网格构成，每个元胞代表一个交通参与者，可以是车辆、行人等。

每个元胞都有一定的状态和行为规则，如按照红绿灯信号进行行驶或停止等。

二、城市交通流模拟城市交通流模拟主要包括流量模拟和行为模拟两方面。

流量模拟通过统计每个时刻通过某一点的交通流量，来研究交通流量的分布和变化规律。

而行为模拟则是通过调整元胞的行为规则，控制交通参与者的行为，以实现交通流的优化与控制。

在城市交通流模拟过程中，研究人员可以根据真实的路网和交通组成，将其构建为元胞自动机模型，然后通过调整元胞的状态转换规则，模拟出不同时间段内的交通流量分布、拥堵现象等。

这样可以帮助决策者更好地了解和分析城市交通问题，从而制定更科学合理的交通规划方案。

三、元胞自动机在城市交通流仿真中的应用元胞自动机模型在城市交通流仿真中有着广泛的应用。

通过模拟交通流的运行情况，可以评估不同交通组织方式的效果，如交叉口信号灯、交通流量管制等。

此外，还可以通过模拟不同交通流量分布情况下的交通拥堵现象，探索拥堵产生的原因和解决方法。

另外，元胞自动机模型还可以用于研究特定道路网络中的交通流特性。

例如，可以通过模拟不同区域的交通流量分布，并分析路段的通行能力，以找出导致交通瓶颈的关键路段，并采用合适的调控措施来改善交通流动性。

四、元胞自动机模型的优势和挑战元胞自动机模型在城市交通流模拟研究中具有以下优势：首先，可以模拟大量交通参与者的行为，从而更真实地反映交通流的特征。

其次，可以通过调整元胞的行为规则，实现交通流的优化与控制。

再次，模型参数可调性强，模型灵活性高，适用于不同道路网络和交通组织方式的研究。

交通元胞自动机计算机模拟模型的研究近些年，“交通元胞自动机”（TCAM）作为一种新型的交通系统模拟方法，得到了越来越多的关注。

TCAM作为一种基于元胞自动机理论的计算机模拟技术，旨在模拟和评估实际道路网络的交通流动状态。

它的出现，极大地拓宽了传统模拟技术的范围，并进一步促进交通系统模拟和优化的研究。

TCAM模型基于元胞分解原理，将交通系统细分为空间上连续的元胞单元，并将各种系统要素抽象成实体在元胞内运动的“汽车”。

汽车的运行行为由内置的特定运动规则控制，每个汽车都会根据行驶速度、前者汽车的位置、道路形状和其它障碍物等等的条件来决定它的运动。

这种信息影响运动的方式实现了在任何一个元胞单元及其邻接的元胞单元之间，以及在不同时间点上信息的共享，使得在模拟过程中可以得到更为准确实时的结果。

TCAM模型本身实现了基于汽车动态行为的客观空间信息维护，从而使得模拟数据具有较高的准确性。

模型数据的模拟精度与其建模规则、参数设置及初始条件有关，因此，要设计出更加准确的TCAM模型，需要仔细研究不同参数和设置对模拟结果的影响，以及更为合理地设置初始条件。

此外，TCAM模型本身也可以分析系统的交通流状态，如流量分布、拥挤程度、瓶颈点、系统拥堵状态等，及其可能导致的系统效率问题。

为此，除了在研究TCAM模型自身的建模过程外，还需要结合实际问题，开展实际道路网络的模拟实验，以此来探索系统问题的潜在原因，并在此基础上提出解决方案。

基于以上分析，可以看出TCAM模型的应用具有重要的研究价值，它可以准确地模拟和分析现实世界中的交通状况，进而有助于研究者了解实际系统的特性，从而为优化和改造建立实际参照。

本文就以上内容对TCAM模型进行了简要介绍，并就TCAM模型的研究开展了深入探讨，以期为研究者提供更多参考。

综上所述，TCAM模型是一种可以有效模拟交通运行状况及其随之而来的特性的有用工具。

为此，未来的研究应该将重点放在研究TCAM模型的建模过程以及分析实际交通系统的拥堵状态和原因，以改进系统的效率与实施有效拥堵管理措施。