探析基于元胞自动机仿真的高速公路移动瓶颈研究

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1、长沙理工大学硕士学位论文基于元胞自动机仿真的高速公路移动瓶颈研究姓名：李炎申请学位级别：硕士专业：交通信息工程及控制指导教师：黄中祥20090516摘要由于我国高速公路货车超载现象十分严重，高速公路上行驶的重载货车对路段通行能力的折减得到有关管理部门和学者的重视，重载货车对其上游车辆运行所造成的瓶颈影响的范围、机理都是一个动态过程，在国外有关研究中被称为“移动瓶颈”，由于“移动瓶颈"是一种在时间上和空间上同时动态变化的过程，难以观察和检测，所以一直以来对移动瓶颈的研究都停留在理论假设的阶段。本文以移动瓶颈的形成机理及其对高速公路通行能力的影响为研究目的，首

2、先从国内外有关路段通行能力和移动瓶颈的经典假设与基本理论出发，总结了关于重载货车对高速公路影响的各种研究方法，特别是被广泛应用的PCE(当量车折算系数)等效原理方法，在移动瓶颈的相关研究理论中，由Newell的密度一流量曲线理论，提出分析评价移动瓶颈造成路段通行能力折损的因素，提出相关评价指标，即上游车流密度以及移动瓶颈本身速度。元胞自动机(CellularAutomaton)是一种基于细胞演化规则的仿生模拟方法，为了研究运用元胞自动机仿真研究移动瓶颈现象的可行性，本文以前人在交通流元胞自动机仿真领域的研究为基础，并在Daganzo等人对线圈实测数据的研究

3、基础上，通过对一段实测数据进行分析处理，以流量累计曲线为基本工具，研究了移动瓶颈在时空运行中的时间变化特性与空间变化特性，研究了移动瓶颈试验得到的流量累积曲线与元胞自动机仿真的时空斑图的内在联系，证实了利用元胞自动机交通流仿真研究移动瓶颈现象的可行性。对于元胞自动机模型本身，本文以双车道对称性元胞自动机模型为基础，改进了传统的STCA模型，得到了一种更安全的双车道对称性模型，本文的后半部分，以面向对象的开发思想，以元胞自动机模型为理论模型，以VC++2005为开发工具，开发了可视化仿真软件，具有多种的输入输出形式，在输入上既能够输入宏观交通流指标如密度、平

4、均车速信息，又能够设定单个车辆参数，在输出上具有动画、时空斑图、检测器流量信息等多种手段，全方位、多层级、多角度地再现了移动瓶颈的时空运行。最后，本文用模拟的方法验证了前半部分的理论分析与假设，运用数理统计的手段对仿真结果进行了数据分析处理。运用回归分析的方法得到了移动瓶颈速度与高速公路路段通行能力呈正比，移动瓶颈上游车流密度在车流量适中(10veh／km)的条件下，移动瓶颈对路段通行能力影响最大，以及当重载货车间车头间距小于40米时，对路段通行能力具有相当显著影响等相关结论，并得出了移动瓶颈条件下重载货车的等效比例系数。在最后得出的有关结论和建议，为高速

5、公路管理部门更好的制定货车行驶规则、提高高速公路道路交通安全都具有积极意义。关键词：移动瓶颈：高速公路；元胞自动机；交通仿真HAbstractBecauseoftheoverloadingoftheheavytruckontheexpresswayofChinabecomingmoreseriously,therearemoreandmorescholarsandauthoritiesconcerningthelossofcapacityofroadsectioncausedbyheavytruck．Themechanismofthebottleneck’

6、Sformulationisadynamicprocedurebothintimeandspace，whichwascalledmovingbottleneckintheliteraturebefore．Andbecauseit’Sdynamiccharacterintimeandspace，themovingbottleneckphenomenonishardlytobedetectedandrecorded．Sotheresearchofthemovingbottleneckismostlyconcerningthetheoryassumption．T

7、hemainpurposeofthispaperistoresearchtheformulationmechanismandtheeffortfortheexpresswaycapacity．Firstly,thispaperreviewresearchmethodsontheissueoftheeffortheavytrucktakeonexpresswaycapacity'especiallythePCE(passengercarequality)theory．Ontheissuesaboutthemovingbottleneektheory'base

8、onNewell"sdensity-flowcurvetheory