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1、第22卷第12期(总第132期) 系 统 工 程Vol.22,No.122004年12月 SystemsEngineeringDec.,2004文章编号:100124098(2004)1220077205X基于元胞自动机的交通模型综述1,21张 发,宣慧玉(1.西安交通大学管理学院,陕西西安 710049;2.空军工程大学工程学院,陕西西安 710038)摘 要:对基于元胞自动机的交通模型进行综述,将其分为单车道模型、多车道模型和城市交通模型三类。NaSch模型是最重
2、要的单车道模型,经过改进能够再现许多重要的交通流特性。换道是多车道模型的核心,围绕着动机产生和安全要求提出了多种换道规则,最近的模型能够再现密度反转等异常现象。城市交通模型从系统角度研究了网络交通流的相变规律,近期出现了网络模型与多车道模型相结合的趋势。以TRANSIMS为代表的微观仿真平台在大规模路网中得到了成功应用。然而CA交通模型在方法论上存在不足,一些实证规律未能再现,其实际应用也较少。关键词:元胞自动机;交通流;综述;微观仿真中图分类号:U491;N949 文献标识码:A 现代社会普
3、遍面临严重的交通问题,对交通流特性和不足,指出进一步的研究方向。的理解是解决交通问题的前提和基础。传统的交通流模型如流体力学模型、气体动力学模型、跟驰模型等在理论研1 单车道模型究和实际应用中发挥了重要作用。然而由于交通流在时单车道模型研究车辆在一条车道上运动形成的交通间、空间上具有高度的随机性、动态性和复杂性,交通系流。其基本结构是:将一条车道划分为等尺寸的格点,每个[1]统表现出丰富的非线性特征,实证研究表明,交通流存格点有两种状态:空、被某车占据,而每辆车恰占一个格在三相:自由流(freefl
4、ow)、大范围移动阻塞(widemoving点;对时间进行离散化,时钟等步长推进;取车辆位置、速jams)和同步流(synchronizedflow),还有一些“异常”现度作为状态变量,为有限、离散变量。在每个时刻,根据定象,如亚稳态(meta2stablestates)、滞回效应(hysteresis义的规则进行状态更新,反复进行,直到满足终止条件。各effect)、排队消散(platoondispersion)等,传统模型对此模型的区别主要在于状态更新规则,按是否包含随机因素[2]难以解释。另一
5、方面,真实交通系统一般路网规模巨大,可分为确定性模型和随机性模型,以NaSch模型[4]为代道路使用者众多,传统的微观仿真方法面临着计算资源约表的随机性模型是主流,得到了深入研究和实证检验。束,要求有结构简单、计算迅速的交通流模型。(1)确定性CA交通模型(DeterministicTrafficCA,目前基于元胞自动机(CellularAutomata,CA)的交DTCA)通流模型取得了很大进展。CA是研究系统复杂性的重要这类系统不含随机项,其初态给定后,系统的演化是工具,在很多领域得到广泛应用,
6、Cremer等最早用CA思完全确定的。Wolfram的CA184就是一维交通模型[5],但[3]想对交通流进行了研究。虽然CA模型微观上的规则简过于简单。而Nagel给出的一种更新规则是[6]:单、不太真实,但从统计物理的角度看,可以再现系统的宏①vt+1=min{gt,vt+1,vmax}观特性,一般其看作“最小化”的系统,用来揭示系统的本②xt+1=xt+vt质规律。另外,CA时间、空间、状态变量均离散,元胞状态xt,vt表示t时刻车辆的位置和速度,gt是空当(两车之间并行局部更新,适合计算机实
7、现,能够实现大规模路网的空格数)。①是速度更新规则,②是位置更新规则。该系统快速计算。本文对基于CA的交通模型进行了综述,详细能再现自由流模式和拥挤模式,但动态过程过于刚性。介绍了单车道、多车道和城市交通模型的进展,对基于(2)NaSch模型CA的微观仿真软件进行了介绍,分析了CA模型的优点X收稿日期:2004210210作者简介:张发(19702),男,空军工程大学工程学院讲师,西安交通大学管理学院博士研究生,研究方向:交通仿真,组合优化。78系 统 工 程 20
8、04年这是一个最重要的单车道CA模型。Nagel在确定性或刹车状态下的加速有延迟。细分单元格长1.5米,每车[4]模型的基础上加入随机项。车辆n的位置为xn,速度为占据5个单元格。状态更新规则是:vn,速度vn∈{0,1,2,⋯,vmax}为整数,车辆n+1在车辆n①确定随机化参数:前方,两车间距dn=xn+1-xn.单元格长7.5米,时间步长pb,bn+1=1且th
