减速车道车辆换车道的研究

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1、减速车道车辆换车道的研究㈠元胞自动机基本原理1.元胞自动机基本原理元胞自动机是时间、空间、状态都离散，空间的相互作用及时间上因果关系皆局部的网格动力学模型，特别适合用于空间复杂系统的时空动态模拟研究。不同于一般的动力学模型，元胞自动机不是由严格定义的物理方程或函数确定，而是用一系列模型构造的规则构成，凡是满足这些规则的模型都可以算作是元胞自动机模型。元胞自动机最基本的组成单位包括元胞、元胞空间、邻居及演化规则四个部分。（1）元胞：元胞（Cell），又称为单元或基元，是元胞自动机的最基本组成部分，分布在离散的一维、二维或多维欧几里得空间的晶格点上。（2）元胞空间：元胞

2、空间是指元胞所分布在欧几里得空间上的网格点的集合，目前研究的重点多放在一维和二维元胞自动机上，三维及三维以上的元胞自动机的研究相对较少。（3）邻居：在元胞空间的网格上，每个元胞都是同质的，其大小一样。元胞的邻域规则即确定元胞自动机邻居的规则通常是以半径r为标准，和某个元胞之间的距离小于半径r即为此元胞的邻居。（4）演化规则：演化规则就是根据元胞当前状态及其邻居状况确定下一时刻该元胞状态的动力学函数，或者可以称为系统状态转移函数。此函数构造了一种简单的离散时空局部物理系统，简记为：（3-1）式中：—状态转移函数，也称为元胞自动机的局部映射或局部规则；—分别表示元胞当前

3、状态和邻域元胞当前状态。演化规则是元胞自动机模型中最为关键的部分，元胞自动机模型的成功与否很大程度上取决于演化规则的设计。2.元胞自动机一般特征标准的元胞自动机模型具有以下特征：（1）同质性：在元胞空间内的每个元胞的变化都服从相同的规律，所有元胞都受同样的规则支配。（2）并行性：各个元胞在每一时刻的状态都是独立的行为，相互之间不发生作用，并不会产生相互之间的影响。（3）时空局部性：每个元胞下一时刻的状态取决于其周围半径为r的邻域（或者其他形式的邻居规则所定义的邻域）中的元胞的当前时刻t的状态，即所谓空间、时间的局部性。从信息传递的角度看，元胞自动机中传输的信息是有限

4、的。除以上特征，元胞自动机还具有空间离散、时间离散、状态离散且有限等特征。其中，质性、并行性、局部性是元胞自动机的核心特征，任何对元胞自动机的扩展都应当尽量保持这些核心特征，尤其是局部性特征。㈡元胞自动机在交通领域中的应用早在1986年，元胞自动机被应用于道路交通的研究[3]，随后元胞自动机在交通领域中的应用愈加广泛，目前最具代表性的两个方面分别是1992年Nagel和Schreckenberg提出的一维元胞自动机Nasch模型[4]及Biham、Middieton和Levine提出的二维元胞自动机BML模型[5]。其中Nasch模型是用来研究高速路的，BML模型是

5、用来研究城市路网的，这两类模型是以Wolfram命名的184号规则模型为基础发展而来的。本文建构的元胞自动机模型也是对于NaSch模型的改进。从元胞自动机的应用来看，在交通领域其主要有单车道模型和多车道模型。（1）单车道模型单车道的元胞自动机模型包括确定型和随机型两类，184号模型即为最简单的确定型模型，此处介绍具有代表性的随机型模型NaSch模型（简称NS模型）。与184号规则相比，NS模型将车辆的最大速度扩展到了大于1的情况，并引入了随机慢化。该模型有四步并行更新规则[6]：①加速：②减速：③随机慢化：以随机概率令；④位置更新：。其中分别表示第n辆车的位置和速度

6、，表示其和前车之间空的元胞数，表示元胞的最大速度，表示随机慢化概率，为每辆车所占的元胞。NS模型中规则①反映了驾驶员倾向于以尽可能大的速度行驶的特点，规则②确保车辆不会与前车发生碰撞，规则③引入随机慢化来体现驾驶员行为的差异，既可以反映随机加速行为，又可以反映减速过程中的过度反应行为。除NS模型外，单车道元胞自动机模型还有巡航控制模型、慢启动规则模型、VDR模型、速度效应模型、舒适驾驶模型等，均是基于NS模型进行的改进。（2）多车道模型单车道模型在研究车辆运行时，其重要的不足之处就是不允许超车，难以反映实际道路运行中的超车现象。目前的多车道元胞自动机模型，一般采用S

7、parmann的换道逻辑，区分了换道动机和安全要求，元胞自动机换道规则是对这两种因素的具体表达。换道动机是指能够决定驾驶员是否产生换道意识的条件；换道安全性是指决定驾驶员是否将换道意识付诸行动的条件，具体包括本车道和目标车道的前后车距是否满足换道条件。以Chowdhury等人提出的一个典型的对称型双车道换道规则STCA模型为例，其换道规则为：上式中第一、二个条件为动机性条件，第三个条件为安全性条件。多车道元胞自动机模型的研究重点在于换车道规则的制定。Cremer最早对元胞自动机换道规则进行了研究，根据前方是否存在慢车和目标车道是否满足换道要求的情况决定换到规则[