元胞自动机

基于元胞自动机的城市交通网络模拟模型大连理工大学张名举刘勤一孙宇哲指导教师贺明峰•本工作的目的是探讨利用元胞自动机模拟城市交通的可能性，给出了一个可行的理论与方法框架，并通过具体交通网络（局部）的计算机模拟，说明了该模拟模型的有效性，得到一些有效的结果及一些可以进一步探讨的问题。•一初等元胞自动机•二基于元胞自动机的基本交通模型•三基本模型的扩展•四城市交通网络的模拟一、初等元胞自动机•1.1模型的建立考虑有等长的L个格子的线段每一个格子i都有两种状态0和1，在t时刻i格子的状态记为：tiX记),(111titititiXXXfX，•1.2关于函数f采用周期边界，即为元胞自动机，由于只有0、1两种状态，所以函数f共有256种状态。256种状态•对给定初值及规则f，可通过计算机得到N步以后的演化结果T111110101100011010001000T+1000…1000…1000…1000…1000…000…1011…1101…1二、基于元胞自动机的基本交通模型2.1.1模型的建立考虑一个有等长的L个格子的线段，每个格子可有一个向右行驶的车或为空。行驶规则为：若前方格子有车，则停止。若前方为空，则前进一格，不能跟驰。采用周期边界，此即为NS模型(1992)即：f为：T111110101100011010001000T+1101110002.1一维模型•2.1.2结果2.2二维基本模型2.2.1模型的建立•考虑一个L*L的网格，对任一格子(i,j),共有三种状态，即有一个向右行驶的车、有一个向上行驶的车和空。行驶规则为奇数时间向右行驶的车可以前进，切一辆车只有前方格子里空时可前进一格。不能跟驰，偶数时间步向上的车可以行驶，规则同右行。（BML模型1992）•2.2.2结果快照三基本模型的改进•3.1一维变速模型在NS模型的基础上，考虑车可有不同的速度，并制定相应的运行规则，最大速度为Vmax为正整数，这样，每个格子的状态为空，或具有一个小于等于Vmax的非负整数的车。运行规则考虑加速、减速、随机事件等因素。3.1.1模型•3.1.2结果•3.2二维双向模型在原二维的元胞自动机基础上，考虑双向行驶机制，则每个格子有七中状态：空，右行，上行，左行，下行，左右，上下。运行规则类似于原二维模型。3.2.1模型•3.2.2结果•3.2.3快照•3.3二维双向多道模型在二维双向模型的原胞自动机基础上，两列并排。即考虑左左右右的情形。类似于前述模型可给出相应的规则。3.3.1模型•3.3.2结果•3.3.3快照•3.4二维三向模型对L*L网格中的任意(i,j)有四种状态，空，右，左，上，下。即为比BML模型多一种斜行机制，此时每三个时间段为一个计量单位。依次为右行，上行，斜行。3.4.1模型•3.4.2结果•3.5二维基本街区模型3.5.1模型如下网格车的运行机制用BML模型•3.5.2结果四城市交通网络的模拟•4.1道路分类根据具体交通网络格路段的特性，将路段分为单行路，双向单车道，双向多车道等情形。•4.2转弯机制1。等概率转弯机制2。不等概率转弯机制•4.3交叉口策略对给定切换周期考虑不同的定时切换策略具体有1.等时间分配红绿灯2.按照流量控制红绿灯分配时间•4.4边界条件1.闭合边界2.周期边界3.开放边界•4.5结果•下图为大连市交通网络的一个局部•其拓扑图如下：•上图中已根据具体情况将路段分类，现考虑在封闭边界条件下，考虑不同转弯机制及交叉口策略组合对交通效率的影响。五进一步可讨论的问题•5.1立交桥问题。•5.2超车问题•5.3停车场问题•5.4边界问题（周期边界，开放边界）•5.5交叉口局部的CA模型•5.6红绿灯的协调问题•5.7改善路段作用的模拟•5.8增加路段作用的模拟