考虑行驶状态随机性影响的元胞自动机交通模型外文翻译资料

 2021-11-30 06:11

英文翻译:

考虑行驶状态随机性影响的元胞自动机交通模型

摘要: 元胞自动机(CA)交通模型被广泛用于模拟真实的交通状况。考虑行驶状态随机性的影响,提出了基于NS模型的自动机模型。在我们新模型中,随机可能性随着驾驶状态的不同而不同,这是由确定减速后的速度变化决定的。模拟结果表明,新模型的最大流量大于NS模型,并且新模型比NS模型复杂。

关键词:交通流、元胞自动机、驾驶状态

引言

随着交通拥挤问题的出现,交通流领域引起了人们的关注。根据观察结果,交通流量是复杂的。为了描述交通流的复杂性,提出了许多交通模型,其中元胞自动机(CA)交通模型非常流行。由于CA中的交通要素,CA模型非常适合计算机仿真,因为CA模型中的交通要素是离散的,如时间、位置和车辆速度。CA模型的核心是演化规律,它具有很强的灵活性。根据演化规则和车辆当前状态,并行更新每个车辆的状态。

1992年,Nagel和Schreckenberg提出了NS模型[4]来描述单车道交通流。NS模型的规则包括四个步骤:加速、确定性减速、随机化和车辆运动。虽然NS模型的规则非常简单,但该模型可以重现真实交通中的基本交通现象,如停止和前进波和幻象堵塞。为了模拟实际交通中其他复杂的交通现象,通过修正规则,提出了基于NS模型的改进的CA模型。在NS模型的规则中,随机概率不受前两步结果的影响:加速和确定性减速。这与实际的交通状况不符。事实上,确定减速阶跃后速度的增加或减少意味着不同的行驶状态。速度的增加意味着与前面车辆的间隙大于车辆的当前速度,即行驶状态良好。然而,速度降低意味着与前面车辆的间隙小于车辆的当前速度,即行驶状态差。不同行驶状态下的随机化概率应不同。考虑行驶状态对随机性的影响,提出了一种基于NS模型的元胞自动机模型。论文的其余部分组织如下。第二节介绍了NS模型和新模型。第三节给出了仿真结果和讨论。最后,我们的工作在第四节中结束。

NS模型和新模型

A. NS模型

在NS模型中,道路被划分为L个单元。每个单元的长度为7.5米,每个单元可被车辆占用或空置。(t)和(t)分别表示时间步长t中车辆n的位置和速度。(t)的值是一个介于0和V max之间的整数,它是车辆的最大速度。(t)表示车辆n与其前一辆车辆n 1之间的间距。更新规则由四个步骤组成。

  1. 加速度:

(t 1)=min( (t) 1,)

2)确定性减速:V

(t 1)=min( (t),(t 1) )

3)随机概率P:

If (rand () lt; p) then (t 1)=max((t 1)-1,0)

4)车辆运动:

(t 1)= (t) (t 1)

B.新模型

如上所述,随机化概率在不同的行驶状态下应该是不同的。在此基础上,我们提出了新模型的规则,如下所示。

  1. 加速度:

(t 1)=min( (t) 1,)

2)确定性减速:V

(t 1)=min( (t),(t 1) )

3)随机概率P的确定:

4)随机概率P:

If (rand () lt; p) then (t 1)=max((t 1)-1,0)

5)确定:

If ((t 1)=0 ) then = 1.

If ((t 1)gt;0 ) then =0.

6)车辆运动:

(t 1)= (t) (t 1)

在步骤3中,为了区分不同的行驶状态,我们将确定性减速步骤后的速度与最后一个时间步骤的速度进行了比较。此外,我们添加了JW模型中使用的慢启动规则。表示车辆停止的时间。确定驾驶员仍然敏感的时间。四个随机概率之间的关系是gt;gt;gt;。我们假设=,=,=

模拟与讨论

A. 配置

在仿真中,采用了周期边界条件。车辆的初始分布是均匀的,每辆车的初始速度是V max。假定道路L的长度为2000,相当于实际道路长度15 km。V max设置为4,因为一个时间步对应于1秒,所以该值为108 km/h。其他配置为:t c=8,k 0=1.5,k 1=0.2,k 2=1.2。

为了比较新模型与NS模型的特点,我们假设NS模型中的随机概率P等于新模型中的

B. 基本原理图

图1显示了Ns模型和具有不同P和P 3的新模型的基本图。当为生成不同密度下的基本图,我们进行了30个试验,然后平均30个试验的值,每次试验的时间间隔为50001-60000。

图表 1 NS模型和新模型的基本图

在图1中,两个模型的流量比较呈现出不同的随机化概率。一般来说,两个模型的基本图是相似的。当密度较低时,流量随密度的增加几乎呈线性增加,说明交通是自由流。当密度增加到临界值时,通量达到最大值,然后随着密度的增加,减小到零。值随着随机化概率的变化而变化。

然而,两个模型的基本图之间有两个不同之处。首先,在中等密度范围内(密度大于),NS模型的曲线和我们的新模型的曲线有显著差异。对于NS模型,流量随密度的增加而平稳减小。对于我们的新模型,流量波动很大,这意味着新模型代表了交通演变的复杂性。有关进一步的分析,请参考第三节D。第二节的观察结果表明,由NS模型产生的流量小于经验数据。在图1中,与NS模型相比,在相同的随机概率下,我们的新模型的最大流量较大,这意味着我们的新模型的性能更好。

C. 时空图

图2比较了ns模式和新模型的时空特征。在图2(a)和图2(b)中,当密度较低时,两个模型的时空特征相似。其原因是交通在低密度范围内是自由流,即所有车辆几乎都以最大速度行驶,可以通过图3(a)所示的速度分布进行验证。可以看出,NS模型的速度分布与新模型相似,速度为4()的车辆比例约为80%。

两种模型在中密度范围内的时空特征不同。NS模型中出现了大量的交通堵塞,而新模型中的交通堵塞比NS模型中的要小,如图2(c)和图2(d)所示。从图3(b)所示的速度分布可以看出,速度为0的车辆比例在NS模型中约为33%,在新模型中约为16%。

当密度较高时,两种模型的时空特征差异较大。在密度为0.5的NS模型时空图的图2(e)中,道路上几乎到处都存在拥挤现象。交通堵塞的次数增加了。然而,零散的交通堵塞不会产生很大的堵塞。在图3(c)中,速度为0、1、2、3和4的车辆比例依次减小。大多数车辆的速度为0和1。与NS模型不同的是,新模型的时空图中出现了大范围的运动干扰。在大范围运动阻塞中,车辆速度为0,比例为80%,如图3(c)所示。在无大范围交通拥堵的地区,拥堵程度较低,使得1、2、3、4级车速的比例依次增大。此外,新模型中速度为4的车辆比例比NS模型大得多。以往的研究表明,NS模型只能再现自由流和拥挤流,而不能重现三相交通流。新模型能再现大范围的交通堵塞,这意味着新模型能更好地描述真实交通的特征。

(a)时NS模型的时空图 (b)时新模型的时空图

(c) 时NS模型的时空图 (d) 时新模型的时空图

(e) 时NS模型的时空图 (f) 时新模型的时空图

图表 2 NS模型和新模型的时空图。

a) 时速度分布 b) 时速度分布

c) 时速度分布

图表 3 NS模型和新模型的速度分布

D. 交通稳定性分析

对于我们的新模型,在中等密度范围内交通不稳定,这意味着在中等密度范围内交通演化是复杂的。为了验证这一假设,我们在图4中显示了随机化概率为0.2且密度为0.3时的通量值。在图4中,30个磁通量样本值在ns模型下是相当稳定的,而在新模型下则存在磁通量波动。这一现象表明,NS模型产生的流量是以规则模式演化的,而新模型产生的流量是复杂的演化过程。在CA模型中,随机性的不确定性导致了进化的复杂性。在NS模型中,每辆车的随机概率是不变的。但是,不同行驶状态下的随机概率是不同的。三相理论表明:与自由流和大范围运动阻塞相比,同步流的演化更为复杂。以上结果表明,新规则不仅更合理地描述了驾驶模式,而且更实际地产生了交通量。

结论

基于NS模型,提出了一种考虑驱动状态对随机性影响的CA模型。为了区分不同的驾驶状态,我们比较了确定减速步后的速度和最后一个时间步的速度。在此基础上,提出了新的规则。比较了NS模型和新模型的基本图和时空图。仿真结果表明,新模型的最大流量大于NS模型,新模型的流量演化比NS模型复杂。

在今后的工作中,将驱动状态对随机性的影响引入到三相交通模型中,并分析模型的性能。

图表 4 NS模型和新模型中密度为0.3的通量值

篇二:

大型火车站高架道路落客车道布局设计与评价方法研究

摘要:本文研究了大型火车站高架道路上旅客下客车道的优化布置问题。在讨论火车站功能演变的基础上,提出了旅客下客车道布局的解决方案。此外,还讨论了旅客下车区的交通组织及相应的评价参数。以郑州新高速火车站为例。基于vissim仿真结果,提出了郑州新高速火车站旅客下客车道设计方案。实践证明,所提出的设计方案是可行和成功的。

引言

随着19世纪铁路运输的发展,火车站在城市发展中发挥着越来越重要的作用。一方面,所有社会阶层的旅行需求主要依赖于铁路。另一方面,火车站和铁路决定了城市的总体发展方向。20世纪末,尽管铁路运输受到公路和航空运输的严重影响,但由于能源危机、环境污染和可持续发展的考虑,铁路运输重新得到了公众的认可,这导致了火车站的建设或改建越来越受到社会发展的重视。

现代火车站已不再是传统的客流集散地,而是一种交通与城市一体化的解决方案。它们成为反映大都市经济、社会活动和文化的重要元素。近年来,火车站规划设计发生了重大变化。例如,火车站高架道路上的旅客下客车道,是复杂的交通组织和旅客进出车站的方式。本文主要研究大型火车站落客车道的布局设计和评价方法。

车站功能的演变

自20世纪30年代以来,由贝尔托利米和特约介绍的作为“节点与场地的矛盾”的火车站随着城市发展中发生了重大变化。这些变化总结如下:

(1)从客运集散中心到现代交通一体化要素

早期火车站设计以旅客候车空间和列车到发场为重点,功能相对简单,易于实现。20世纪50年代以后,随着高速铁路的发展和城市交通一体化,车站设计中引入了换乘,并成为车站设计中需要考虑的重要方面。无缝换乘、零换乘、人车分离彻底改变了火车站的单一运营模式。

(2)从主要关注等待空间到

20世纪初强调功能设计,伴随着现代社会的快速发展,火车站设计由以候车空间为主转变为以更有效地分配乘客为主,设计了紧凑、多功能的空间,取代了复杂的候车厅。

(3)从交通功能到城市发展的多功能要素

“传统火车站似乎正在向购物中心、展览中心和文化中心转型” (Dieter Bartzko)。城市发展中由交通功能向多功能要素转变,主要受车站周边土地利用的驱动。火车站成为多式联运发展的重要组成部分。例如,京都火车站由五部分组成:餐厅、杂货店、文化设施、停车场和候车平台,正如设计公司提出的:“这不仅是一个火车站,也是城市的一部分”。

高架道路上的旅客下客车道布局

火车站功能的革命,特别是在高架铁路上使用旅客下客车道,使得传统的地面分区组织无法分配旅客。现代大型火车站大多是以机场航站楼为参照,将旅客下客车道和正常车道分开,使旅客和车辆分开,不应停车。从站台和铁路的布置来看,设计可分为三种典型类型:平行布置、垂直布置和环形布置。

平行布置

在这种设计中,高架坡道与铁路平行,通常是对称的(图1)。其特点主要有以下几个方面:

(1)常规车道和旅客下客车道的高程相对灵活。因此,它们可以与站台或候车厅位于同一楼层;

(2)飞行交通流线型化。通常沿铁路设计为“左进、左出”和“右进、右出”模式;

(3)旅客下客车道在铁路广场周围,不美观;

(4)旅客下车通道与站台在同一层时,必须使用楼梯或者电梯到达车站大厅;

(5)当车场跨度较大时,大部分乘客需要走很长的距离才能到达车站大厅。

图 1 平行布局

平行布置在我国大型现代火车站中十分流行。典型的例子是新建武汉火车站、南京南站和广州火车站。对称布局,与附近公路和当地干道有良好的连通性。因此,它显著提高了分配效率。

垂直布置

在本设计中,高架坡道穿过铁路站场,垂直于铁路。它通常也有一个对称的布局(图2)。其特点主

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