減速車道車輛換車道的研究

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1、減速車道車輛換車道的研究㈠元胞自動機基本原理1.元胞自動機基木原理元胞口動機是吋間、空間、狀態(tài)都離散，空間的相互作用及時間上因果關(guān)系皆局部的網(wǎng)格動力學(xué)模型，特別適合川于空間復(fù)雜系統(tǒng)的時空動態(tài)模擬研究。不同于一般的動力學(xué)模型，元胞白動機不是由嚴格定義的物理方程或函數(shù)確定，而是川-?系列模型構(gòu)造的規(guī)則構(gòu)成，凡是滿足這些規(guī)則的模型都可以算作是元胞自動機模型。元胞口動機最基本的組成單位包括元胞、元胞空間、鄰居及演化規(guī)則四個部分。（1）元胞：元胞（Cell）,又稱為單元或基元，是元胞口動機的最基本組成部分，分布在離

2、散的一維、二維或多維歐兒里得空間的品格點上。（2）元胞空間：元胞空間是指元胞所分布在歐兒里得空間上的網(wǎng)格點的集合，口前研究的重點多放在一維和二維元胞自動機上，三維及三維以上的元胞自動機的研究相對綾少。（3）鄰展在元胞空間的網(wǎng)格上，每個元胞都是同質(zhì)的，其大小一樣。元胞的鄰域規(guī)則即確定元胞自動機鄰居的規(guī)則通常是以半徑r為標(biāo)準(zhǔn)，和某個元胞之間的距離小于半徑r即為此元胞的鄰居。（4）演化規(guī)則：演化規(guī)則就是根據(jù)元胞當(dāng)前狀態(tài)及其鄰居狀況確定下一時刻該冗胞狀態(tài)的動力學(xué)函數(shù)，或者可以稱為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)。此函數(shù)構(gòu)造了一種

3、簡單的離散時空局部物理系統(tǒng)，簡記為：式屮：Fc-U態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，也稱為元胞白動機的局部映射或局部規(guī)則；S電一分別表示元胞當(dāng)前狀態(tài)和鄰域元胞當(dāng)前狀態(tài)。演化規(guī)則是元胞自動機模型中最為關(guān)鍵的部分，元胞自動機模型的成功與否很大程度上取決于演化規(guī)則的設(shè)計。2.元胞B動機一般特征標(biāo)準(zhǔn)的元胞自動機模型具有以下特征：（1）同質(zhì)性：在元胞空間內(nèi)的每個元胞的變化都服從相同的規(guī)律，所有元胞都受同樣的規(guī)則支配。（2）并行性：各個元胞在每一時刻的狀態(tài)都是獨立的行為，相互Z間不發(fā)生作用，并不會產(chǎn)生相互Z間的影響。（3）時空局部性：每個

4、元胞下一時刻的狀態(tài)取決于其周圍半徑為r的鄰域（或者英他形式的鄰居規(guī)則所定義的鄰域）屮的元胞的當(dāng)前時刻t的狀態(tài)，即所謂空間、時間的局部性。從信息傳遞的角度看，元胞自動機中傳輸?shù)男畔⑹怯邢薜?。除以上特征，元胞自動機還具冇空間離散、時間離散、狀態(tài)離散FI?冇限等特征。其中，質(zhì)性、并行性、局部性是元胞白動機的核心特征，任何對元胞白動機的擴展都應(yīng)當(dāng)盡最保持這些核心特征，尤其是局部性特征。㈡元胞自動機在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用早在1986年，元胞自動機被應(yīng)用于道路交通的研究⑶，隨后元胞自動機在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用愈加廣泛，目前最

5、具代表性的兩個方面分別是1992年Nagel和Schreckenberg提出的―維元胞自動機Nasch模型⑷及Biham>Middieton和Levine提出的二維元胞自動機BML模型⑸。其中Nasch模型是用來研究高速路的，BML模型是用來研究城市路網(wǎng)的，這兩類模型是以Wolfram命名的184號規(guī)則模型為基礎(chǔ)發(fā)展而來的。本文建構(gòu)的元胞自動機模型也是對于NaSch模梨的改進。從元胞自動機的應(yīng)用來看，在交通領(lǐng)域其主要有單車道模型和多車道模型。（1）單車道模型單車道的元胞自動機模型包括確定型和隨機型兩類，1

6、84號模型即為最簡單的確定型模型，此處介紹具有代表性的隨機型模型NaSch模型（簡稱NS模型）。與184號規(guī)則相比，NS模型將車輛的最大速度擴展到了大于1的情況，并引入了隨機慢化。該模型有四步并行更新規(guī)則⑹：①加速：叫Tmin仇+1,怙）②減速:仇妙）③隨機慢化：以隨機概率〃令叫maxW-1,0）；④位置更新：撿-撿+乙。其屮叫兒分別表示第n輛車的位置和速度円嚴⑺-心7表示其和前車Z間空的兀胞數(shù)，％狀表示元胞的最大速度，"表示隨機慢化概率，/為每輛車所占的元胞。NS模型屮規(guī)則①反映了駕駛員傾向于以盡可能大

7、的速度行駛的特點，規(guī)則②確保車輛不會與詢車發(fā)生碰撞，規(guī)則③引入隨機慢化來體現(xiàn)駕駛員行為的差異,既可以反映隨機加速行為，又可以反映減速過程中的過度反應(yīng)行為。除NS模型外，單車道元胞自動機模型還冇巡航控制模型、慢啟動規(guī)則模型、VDR模型、速度效應(yīng)模型、舒適駕駛模型等，均是基于NS模型進行的改進。（2）多車道模型單車道模型在研究車輛運行時，其重要的不足Z處就是不允許超車，難以反映實際道路運行中的超車現(xiàn)象。目前的多車道元胞自動機模型，一般采用Sparmann的換道邏輯，區(qū)分了換道動機和安全要求，元胞自動機換道規(guī)則

8、是對這兩種因素的具體表達。換道動機是指能夠決定駕駛員是否產(chǎn)生換道意識的條件;換道安全性是指決定駕駛員是否將換道意識付諸行動的條件，具體包括本車道和目標(biāo)車道的前后車距是否滿足換道條件。以Chowdhury等人提出的一個典型的對稱型雙車道換道規(guī)則STCA模型為例，其換道規(guī)則為：Ww8aPnSaPnM>8aPSafe上式屮第一、二個條件為動機性條件，第三個條件為安全性條件。多車道元胞自動