基于元胞自動機的高速公路交通事故仿真研究

【摘 要】在 NaSh 模型的基礎(chǔ)上，考慮交通事故和養(yǎng)護路段等意外事件對高速公路交通流的影響，建立了有意外事件影響的在車道管制下的高速公路交通流元胞自動機模型，并進行數(shù)值模擬。 研究發(fā)現(xiàn)：意外事件對高速公路交通流有明顯影響，并且意外事件對交通流的影響在某一密度值范圍內(nèi)尤其明顯，且意外事件堵塞點在第一車道比在第二車道對交通流的影響??；同時，在該密度值范圍內(nèi)，意外事件堵塞時間和堵塞路段長度越長，對交通流的影響就越大。

【關(guān)鍵詞】元胞自動機 交通事故 意外事件

一、研究背景和意義

元胞自動機模型作為模擬非線性復(fù)雜系統(tǒng)的一種有效工具，近年來在交通流的研究中得到了廣泛的應(yīng)用，模型的時間、空間、狀態(tài)均離散，規(guī)則簡單，非常適合計算機模擬。元胞自動機模型在保留交通流這一復(fù)雜系統(tǒng)的非線性行為和其他物理特征的同時，更易于計算機操作，可以通過靈活修改其規(guī)則以考慮各種實際交通狀況。結(jié)合國內(nèi)外專家學者的研究，本文從微觀角度探討當?shù)缆飞习l(fā)生意外事件時，車輛密度與車流流量，車輛平均速度的關(guān)系。

二、元胞自動機模型

描述高速公路交通流的元胞自動機的模型為FI模型（fukui-ishibashi model）和NS模型（ nagel-schreckenberg model）。國內(nèi)外在運用交通元胞自動機模型研究車輛換道行為和分析交通事故發(fā)生機理等方面取得了一定成果。

交通流元胞自動機模型大致分為兩大類：研究高速公路的一維交通流模型和研究城市交通網(wǎng)的交通流模型\"這兩類模型中最為著名的模型有Ns模型FI模型和BML模型它們都是以wolfram提出的184號模型側(cè)為基礎(chǔ)而建立起來的模型\"Wblftam提出的184號模型是能夠體現(xiàn)交通流特性的最簡單的模型，該模型把道路視為含有L個格點的一維格點鏈，所有的車輛行進方向相同，整個系統(tǒng)采用周期性邊界條件以保持車輛數(shù)守恒\"系統(tǒng)的更新規(guī)則為：在每一時步內(nèi)如果某一車輛的前方最近鄰的格點為空，則在下一時刻該車輛可向前移動一個格點，否則停在原地不動，即使前方的車在此時步中離開，該車也原地不動。

三、模型的建立

以雙向六車道的高速公路為研究對象，最外側(cè)車道為緊急停車道，亦稱救援車車道；最內(nèi)側(cè)車道是超車道；中間車道是正常行駛車道.兩車道高速公路表示為并列的長度為L的元胞鏈，每個元胞的長度定為200/36m，約為5.5m.本文將在高速公路上行駛的車輛歸納為小汽車和貨車，這兩種速度類型的車按密度和混合比例隨機分布于兩車道上，假定每輛小汽車占1個元胞，在高速公路上的車速范圍是0到120km/h，對應(yīng)于0到6個元胞/秒；每輛貨車占3個元胞，在高速公路上的車速范圍是0到100km/h，對應(yīng)于0到5個元胞/秒.兩車之間的最小安全距離與后方車輛成正比關(guān)系，即后方車輛的速度越大與前方車輛間的安全距離就應(yīng)當越大，本文假定最小安全距離在數(shù)值上與后方車輛的速度相等.Xi（t）表示第i輛車在t時刻的位置，Vi（t）表示第i輛車在t時刻的速度，Vhmax和Vlmax分別表示小汽車和貨車的最大速度.Pa為車輛的加速概率，Pd為車輛的減速概率，Pt為車輛的換道概率.第i輛車t時刻與前方緊鄰車輛的間距Gpi（t）為：

四、交通事故對交通流的影響

第一車道發(fā)生事故，且Ts分別為0h，0.5h和1h時的空間占有率與流量關(guān)系圖和空間占有率與平均速度關(guān)系圖.從圖1（a）可以看出，當ρ<0.05，不同的Ts對應(yīng)的流量之間無區(qū)別，說明在低密度下第一車道上發(fā)生交通事故時堵塞時間對車流的影響不大，車輛能夠順暢行駛。當0.05<ρ<0.60時，第一車道中的交通事故就會對車流產(chǎn)生較大影響，隨著空間占有率的增大；Ts為0.5h和1h對應(yīng)的流量明顯比無事故時低，Ts為0.5h時的流量增加趨勢介于無事故和Ts為1h對應(yīng)的流量之間。說明在該階段第一車道的交通事故已經(jīng)對車流產(chǎn)生較大影響。而這一個小時總體的流量和平均速度是由前半小時的堵塞相和后小時的暢通相組成，從而形成Ts為0.5h時流量和平均速度變化圖.當0.05<ρ<0.60時，Ts為1h時交通流流量維持在1100左右，而其他兩種情況下的交通流流量隨著車輛密度的增加有不同程度的下降.當ρ>0.60時，3種情況的流量變化趨于一致，此時道路上的交通流密度較大，車輛之間相互影響明顯，交通流的黏滯系數(shù)較大，從而由于交通事故形成的堵塞對交通流的影響沒有突顯，所以無事故、有事故以及不同的事故時間時對應(yīng)的交通流量差距不大。

當ρ<0.05時，不同的Ts對應(yīng)的平均速度之間沒有太大差別，說明在低密度時在第一車道上發(fā)生交通事故時堵塞時間對車輛的平均速度影響不大，車輛通行順暢.當0.05<ρ<0.60時，3種情況下的平均速度隨著車輛密度的增加下降幅度逐漸減小，但總體呈下降趨勢.從Ts= 0的平均速度下降的情況說明即使在沒有交通事故時，車輛的平均速度也會隨著車輛密度的增加而減小；Ts=1h時的平均速度最小，Ts=0.5時的平均速度介于兩者之間.當ρ>0.60時，車輛密度逐漸增大，第一車道上車輛數(shù)量增多，車輛之間的相互影響增強，由于交通事故造成的堵塞對車輛行駛的速度影響已經(jīng)不是很明顯。所以，隨著車輛密度的增加，有無事故以及事故堵塞時間的長短對車輛平均速度的影響逐漸趨于一致。

參考文獻：

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