自动巡航混合交通系统对交通流的影响

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1、自动巡航混合交通系统的能耗研究*国家自然科学基金(批准号：10762005)，广西壮族自治区教育厅科研计划（批准号：200507209,200607LX079），玉林师范学院青年基金(批准号：2009YJQN25)资助的课题。†E-mail:zhuliuhua421@sina.com朱留华1)†郑容森1)田欢欢1)刘慕仁2)1）（玉林师范学院物理与信息科学系，玉林537000）2）（广西师范学院物理科学与技术系，南宁530004）基于自动巡航驾驶的元胞自动机交通流模型，研究了单车道上车辆的最大速度、长短

2、车混合比例以及速度期望因子对混合交通能耗的影响。通过计算机数值模拟，得到了混合车流在不同参数下的能耗，并借助于平均场理论对其解析，理论结果与数值模拟相一致。关键词：元胞自动机，自动巡航控制系统，混合交通，交通能耗PACC：0550　　1．引言交通是国民经济的命脉，对国民经济的发展起着基础性、支持性和服务性的作用，其特点决定了交通运输业在提供客货的输送服务时，必然伴随着大量的能源消耗，同时也会带来生态环境的负面影响。研究表明，超过20%的原油消耗和空气污染是由于交通堵塞及“时停时走”交通造成的[1]。建设

3、部近日提供的统计数据显示，目前我国交通能耗已占全社会总能耗的20%，如不加以控制，将达到总能耗的30%，超过工业能耗。鉴于能源越来越稀缺和其需求量越来越大的现实，以及随着经济的发展，交通能源消耗占总能源消耗的比例越来越大的状况，因此分析现阶段交通的混合性对交通能耗的影响，就显得格外有意义。许多学者基于NaSch模型[2]，提出了多种混合交通流模型[3-8]，通过对车辆间相互作用机制的研究，对交通拥堵问题及“时停时走”交通波有了比较深入的了解[9-13]。本文基于自动巡航驾驶的元胞自动机混合交通流模型[1

4、4]，研究了周期性边界条件下，单车道上由两种长度、可分别以不同最大速度行驶的车辆构成的混合交通流的能耗。通过计算机数值模拟，探究了车辆的最大速度、长短车10混合比例以及速度期望因子对混合交通流能耗的影响。2．模型将道路视为一维离散格点链，每一格点对应的实际道路长为，每一时刻，格点可能被两种长度不同、最大速度不同的车辆所占据或为空。设短车占据1个格点，具有的速度极限为，对应实际车速；长车占据2个格点，具有的速度极限为，对应实际车速。每种类型的车辆进行速度更新时不能超过自身的速度极限。用表示第辆车时刻的车尾

5、位置，其中用来区分车辆的类型，表示目标车辆为短车，表示目标车辆为长车。表示第辆车时刻与前方紧邻车辆间的空格点数，则。具有自动巡航控制系统的车辆演化规则如下[14]：(0)确定补偿概率：IfElse;(1)速度更新：(2)速度补偿：以概率补偿(3)位置更新：其中，车辆类型符，速度期望因子为驾驶员事先设定的参数。对于速度为的车辆，其动能为，其中，为目标车辆的质量，，当车辆减速时，车辆的动能减少，导致能量耗散，用10表示单位时间内每辆车的平均能耗。定义：第辆车从时刻到时刻内的能耗为[15]，　　　　(1)因此

6、，单位时间内每辆车的平均能耗为：(2)其中，为车道上的车辆总数，是弛豫时间。3．数值模拟结果与分析模拟时，设车道的长度为，车道上的车辆总数为，则车流的全局密度为；设短车数目为，则短车对车道的占用率为：；长车数目为，则长车对车道的占用率为：。因此，车道占用率。为了考虑车辆的混合程度，引入混合比例系数，设为长车占用率与车道占用率的比值。本文长度均以格点为单位，作了无量纲化处理，取[16]。模拟时采用周期性边界条件，初始时刻，两种类型的车辆按照混合比例系数随机分布在车道上。为消除暂态影响，每次运行对最初的时步

7、不做统计。以后时步进行时间平均，这样就得到了每一次运行的结果。为了减小初始分布对结果的影响，取样本数为30。图中的每个点是30次运行的平均值。3．1车辆的最大速度对交通能耗的影响观察图1a发现：当车辆的最大速度同步时，存在着一个临界占用率，当车道占用率低于临界占用率时没有能量耗散；高于临界占用率时，平均能耗先随占用率的增加而增加，但是平均能耗达到峰值之后将随占用率10的增加而减小；车辆的最大速度值越大，临界占用率越小，平均能耗的峰值越大。观察图1b发现：当车辆的最大速度异步时，同样存在着一个临界占用率，

8、当车道占用率低于临界占用率时，平均能耗几乎不受车道占用率的影响，保持恒定；高于临界占用率时，平均能耗随占用率的增加而减小，但是当慢车的最大速度与快车的最大速度相近时，会出现平均能耗先随占用率的增加而增加，当平均能耗达到峰值之后随车道占用率的增加而减小；慢车最大速度值越大，临界占用率越小，平均能耗的峰值越大。10图1平均能耗随车道占用率的变化曲线(a)最大速度同步，(b)最大速度异步3．2车辆的混合比例对交通能耗的影响图2平均能耗随混合比例的