基于元胞自动机的机动车非机动车混合交通流建模和分析.pdfVIP

第十三届现代数学和力学学术会议暨钱伟长诞辰 100 周年纪念大会文集 基于元胞自动机的机动车非机动车混合交通流建模与分析 1 1 1 1 骆泳吉 ，贾斌 ，李新刚 ，高自友 （1 北京交通大学交通运输学院，北京 100044 ） 摘要：在很多发展中国家，如中国、印度、印尼等，非机动车在城市道路交通中占据了重 要的比例。在城市道路上，非机动车对机动车的干扰十分明显，这种干扰可以划分为两种类 型：摩擦干扰和阻滞干扰。当机动车与非机动车的侧向距离较小时，由于非机动车的行驶具 有不稳定性和摇摆性，机动车为了保证非机动车的安全而通常采取减速行为，由此产生的干 扰称为摩擦干扰；当非机动车行驶于机动车前方，阻碍了机动车前进的道路，机动车不得不 减速甚至停止以避免碰撞，由此产生的干扰称为阻滞干扰。摩擦干扰明显影响机动车流的流 量，阻滞干扰则很容易产生交通拥堵。根据近年来部分学者的实地数据采集及定量研究表明， 随着非机动车道上非机动车辆的增加，相邻的机动车道上的机动车流所受干扰由摩擦干扰逐 渐转换为阻滞干扰。与此同时，为了分析交通流特性，丰富交通流理论，一些相应的微观仿 真模型相继被提出，这些模型从最开始的单一的机动车流，到之后的不同类型的机动车混合 流，取得了一系列的研究成果。然后针对机非混行的交通流，缺乏能够综合刻画摩擦干扰和 阻滞干扰的微观仿真模型。本文根据城市路段机非混行特性，利用元胞自动机模型，搭建了 能够综合体现上述两种干扰的微观仿真模型。利用所建模型，进行数值模拟，通过时空轨迹 图重现机动车所受摩擦干扰到阻滞干扰的变换过程。模拟实验表明，该模型能够很好地刻画 机非混行交通流特性，进一步丰富交通流理论，为城市道路交通设计与管理提供理论基础。 关键词：元胞自动机；异构交通流；自行车；摩擦干扰 大城市交通拥堵问题日趋严峻，已成为制约城市发展的主要障碍。与此同时，交通拥堵导 致的能源浪费、环境污染等问题让“绿色交通”的呼声越来越迫切。为了贯彻可持续发展战 略，很多国家和城市在大力发展公共交通，提倡公共出行的同时，自行车等慢行交通也越来 越受到重视。自行车是一种清洁、环保、能耗低的交通工具，同时也是现代交通系统的重要 组成部分。然而，机非混行的交通流现象一直是我国城市交通的重要特点之一。机非混行现 象导致了自行车行驶的不安全性和交通效率的降低，阻碍了城市自行车交通的发展。在道路 交叉口，机动车与自行车的交叉冲突点多，干扰严重。在没有机非隔离设施的路段，机非混 行现象也比较突出。交通流建模是研究交通基础问题的有效手段，建立城市道路机非混行交 通流理论模型，研究自行车交通流在城市道路交通系统中的运行特性，分析机动车流与自行 车流的干扰机理，可为城市道路交通的设计和管理提供理论支持，具有重要意义。 在城市道路上，非机动车对机动车的干扰十分明显，这种干扰可以划分为两种类型：摩擦 干扰和阻滞干扰。当机动车与非机动车的侧向距离较小时，由于非机动车的行驶具有不稳定 性和摇摆性，机动车为了保证非机动车的安全而通常采取减速行为，由此产生的干扰称为摩 擦干扰；当非机动车行驶于机动车前方，阻碍了机动车前进的道路，机动车不得不减速甚至 停止以避免碰撞，由此产生的干扰称为阻滞干扰（见图 1）。摩擦干扰明显影响机动车流的流 量，阻滞干扰则很容易产生交通拥堵。然后，针对此种机非混行的交通流，缺乏能够综合刻 画摩擦干扰和阻滞干扰的微观仿真模型。 第十三届现代数学和力学学术会议暨钱伟长诞辰 100 周年纪念大会文集 图 1 机动车与非机动车之间的干扰 本文针对上述需求，利用元胞自动机模型，在没有设置机非隔离栏的机非混行路段上，对 机动车和非机动车之间的摩擦干扰和阻滞干扰进行建模,模拟并分析机非混行交通流特性。 1 模型 1.1 定义道路 本文定义了两车道路段，左道为机动车道，右道为非机动车道，两条车道之间没有既非隔 离设施，其中机动车道宽 4 米，非机动车道宽 3 米。路面由长 2.5 米，宽 1 米的元胞构成， 见图 1。 图2 无隔离设施的机非混行路段示意图 出于对自行车安全的考虑，机动车不允许进入非机动车道行驶。同时，由于路段有专用的 非机动车道，自行车应尽量保持在本道行驶。考虑到