基于元胞自动机_CA_的自行车流建模及仿真
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以上两种方法实际上是一维机动车辆通行能力计 算方法的推广, 由于自行车非常灵活, 常不按照车道 线鱼贯而行, 而是相互穿插或并排行车, 真正的车头 时距很难测量和分析, 而且实际行驶时各自行车之间 未保留足够的安全间距, 因此用这两种方法计算自行 车的通行能力, 只能得到大致的结果, 不能充分反应 自行车流的行驶特性。
中图分类号: U491
文献标识码: A
Bicycle Flow Modeling and Simulation Based on Cellular Automaton
ZHANG Jin, WANG Hui , LI Ping ( Department of Control Science & Engineering, Zhejiang University , National Key Lab of Industry Control Technology,
在独 立的 自行 车道 或专 用自
行车道上, 很少干扰, 骑车 人尚 舒 适, 稍 有 约 束, 可 超 车, 行人 可穿 越。
在独立 自 行车道 或 专用自 行
车 道 上, 常有干扰, 速度受限, 不能变 更 骑车线路, 可以维 持
安全车速, 行人横 穿 难。
在物体 隔 离设施 的 自行车 专
用 道 上, 车流密 集, 干 扰 多, 速 度 低, 行人横 穿
2 单向二维元胞自动机自行车模型的建立
参照机动车辆 CA 交通流模型的建立方法, 单向 二维 CA 自行车模型定义如下。
( 1) 元胞尺寸 由于停车时自行车最大停车密度为 0 63 辆 m2, 则平均 一辆自行车占 据 1 0 63= 1 59m2 辆。再根据 自行车的物理尺寸: 车身长 1 9m, 宽 0 6m, 定义自 行车元胞的大小为: 长 2 0m, 宽 0 8m 的矩形, 则每 个元胞面积为 1 6m2, 符合最小停车密度值。 ( 2) 速度 纵向最大理论速度为 28 74km h ∀ 8m s= 4 个元 胞长度, 即 vmax = 4。横向速度以超过前方邻近元胞 为限, 规定最大为 2 个元胞, 即 v max = 2。 ( 3) 元胞的状态空间 网格的维数按照自行车道的长度和宽度设定, 如 车道为 3 5m, 即有 3 5- 0 5= 3 条自行车道, 则元胞 网格的宽设为 3 个元胞宽度; 若车道长度为 2 000m, 则元胞网格的长设为 1 000 个元胞长度。网格的边界 条件定义为周期性的, 易于分析同一密度下的自行车 运行状态。 ( 4) 元胞的状态属性 每个网格的位置用二维坐标来表示, 如图 1 所示。 可采用矩阵的方法来表示每个网格的状态, 元胞状态 有 6 种可能: 没有自行车占据、有自行车占据且纵向速 度为 v, v # { 0、1、2、3、4} 。采用矩阵变量 A 来表示元
Ct B- 0
5
!
3
600 t
式中, C可 为 单车道一 小时内连 续车流 的平均 通过
量, veh h; B 为自行车车道的宽度, B - 0 5 为车道
的有效宽度; t 为连续车流的通过时间 s; Ct 为 t 时
间内通过观测断面的自行车数量。
路段和交叉口的设计通行能力以实际可能的通行
能力 C可 为参考标准。因为短时间最大通过量 Cmax 是 采用路段高峰时期某一段时间内的密集车流, 车流过
车道的条数。
( 2) 有隔离设施的非机动车道中普通自行车在无
干扰情况下的纵向最大理论速度为 28 74km h, 即自
由速度约为 8m s。 ( 3) 自行车的左右行驶摆动范围各为 0 2m。
( 4) 自行车最大密度常发生在交叉口停车线前, 平均停车密度为 0 54veh m2; 在绿灯放行后 20s 统计, 最大停车密度为 0 63veh m2。
> 25
25~ 20 20~ 15 15~ 10
10~ 5
占用道路面
积 m2 veh- 1 > 9 0
9~ 7
7~ 5
5~ 3
<3
车流状况
自由运行
基本自由 运行
车流稳定 运行
非稳定流 运行受限
间断式束 缚交通流
适 用条件 与 运行状 态描述
在 公路上 或 独立的 自 行车道
上, 骑 行 舒 适无干 扰, 可 自 由 选择速 度和超车, 行 人可穿 越。
Zhejiang Hangzhou 310027, China)
Abstract: For studying urban mixed- traffic, an one- way bicycle model based on two - dimension cellular automaton ( CA) was brought forward after the moving characteristics of bicycle flow were analyzed The size, velocity, state space and attribute, adjacent re gion of the cellular and the evolvement rules of local cellular were included in the model Theoretical analysis and experimental results indicate that the model describes the bicycle flow effectively, and the digital simulation data on velocity density flux and max imum traffic capacity accord with practical or experiential data The influence of lane number on bicycle capacity is investigated using this model T he simulation result shows that one lane capacity increases alone with the added lane width, but the increasing magnitude is descending and will cease till a certain number of lanes This trend completely obeys qualitative analysis Key words: Bicycle flow model; 2 dimention cellular automaton modeling ; Bicycle traffic simulation; Bicycle traffic capacity
( 1) 按汽车行驶原理计算, 即按照前后车辆之间 的安全净空进行 计算。安全间距的取值在 0~ 1m 之 间, 计算得到通行能力 q 最大为 2 012~ 2 280veh h, 通行能力最大时的速度为 15 5~ 17 4km h。
( 2) 按车头时距原理计算自行车道的通行能力, 即测得正常条件下连续行驶的自行车流中前后两车的 最小车头时距 ti , 用 3 600 ti 计算其通行能力。t i 取 值范围一般为 1 2~ 2 4s, 平均为 1 8s, 因此通行能 力范围为 1 500~ 3 000veh h, 平均为 2 000veh h。
自行车车道的宽度, B - 0 5 为 车道的有效宽度; t
为密集车流通过观测断面的某一段时间段 s; C t 为t
时段内通过观测断面的自行车数量。
( 2) 实际可能的通行能力
实际可能的通过量采用的是长时间车辆连续通过
断面的自行车数量除以统计时间, 再换算成单车道的
通过量, 称为路段平均通过量。
C可=
( 5) 自行车的平均反应时间在 1s 左右。 ( 6) 有分隔带的情况下, 单车道自行车通行能力
大致为: 短路段自行车可 通行能力达到 2 100veh h
m; 长路段通行能力为 1 680veh h m; 交叉口及其附
近路段通行能力为 1 000~ 1 200veh h m。
( 7) 自行车流具有摇摆性、成群性、多变性等特 点, 具有较大的灵活性与可压缩性。 1 2 自行车的通行能力[ 10, 11]
0 引言
自行车是一种灵活、方便、经济、无污染的人力 驱动交通工具, 是我国混合交通的主要组成之一。据 统计, 居民出行基本靠步行与自行车, 城市中自行车 的出行量, 一般要占居民出行总量的 40% ~ 60% [ 1] 。 自行车交通迅速发展, 而管理与设施未能相应发展, 以至交通事故明显 增长。据北京 10 年 ( 1981~ 1990
第 23 卷 第 1 期 2006 年 1 月
公路 交通科技 Journal of Highway and Transportation Research and Development
Vol 23 No 1 Jan 2006
文章编号: 1002 0268 ( 2006) 01 0125 05
基于元胞自动机 ( CA) 的自行车流建模及仿真
年) 的统计资料, 死亡事故的第一当事人自行车平均 占 33 2% , 仅次于 机动车的 50 8% [ 2] 。因此, 研究 我国的混合交通流, 必须研究以自行车为主的低速交 通流, 然后和客运系统、交通管理以及各种基础设施 联系起来, 解决自行车的交通问题。而研究自行车交 通流, 首要的问题就是建立自行车交通流模型。目前 对自行车交通流的研究, 主要是在宏观概念上利用概 率论分析自行车流对机动车宏观交通流的影响[ 3~ 6] ;
自行车的两种行驶状态: 即运动与停止状态。在 运动中非机动车的运动轨道不同于机动车, 常作蛇形
运动。在停车时车辆互相穿插, 车道的利用率很高。 其交通特性为[ 1, 2] :
( 1) 自行车的车身长 1 9m, 宽 0 6m。每条自行
车道的宽度定为 1 5m, 且每侧留有 0 25m 的安全间 隙。实际自行车道宽度为 ( B+ 0 5) m, B 为自行车
本文通过分析自行车的行驶特性, 以机动车元胞 自动机 ( Cellular automaton, CA) 建 模方法为 扩展基 础, 建立了自行车二维 CA 模型, 仿真验证表明了该 模型能够灵活有效地描述自行车流的行驶特性, 并且 扩展方便, 易于研究混合交通流。
1 自行车及其行驶特性分析
1 1 自行车的交通特性
车道已 不 可能。
在仅 有划 线混 行道 上, 车 流
密 集, 干 扰 严 重, 车 速 很 低, 一车 如果 倒 下, 后 面 跟 车 倒,
行人 不能 横穿。
1 2 2 自行车道的理论通行能力
第1期
张 晋, 等: 基于元胞自动机 ( CA) 的自行车流建模及仿真
1 27
单车道自行车道的理论通行能力有如下两种计算 方法:
1 2 1 自行车的实际通行能力
自行车的实际通行能力一般有两种主要的描述方
法: ( 1) 短时间最大通wk.baidu.com量
最大通过量是选择路段高峰时期某一段时间内密
集车流, 观察其通过断面的最大交通量, 可以按下式
计算
Cmax =
Ct B- 0
5!
3 600 t
式中, Cmax 为自行车单车道最大通过量, veh h; B 为
行车道服务水平标准按 5 级划分, 对路段和交叉口分 别考虑。表 1 为建议的自行车道路路段交通服务水平
标准。
表 1 建议的自行车道路段交通服务水平标准
Tab 1 Propositional traffic service standard of bicycle road
等级
指标
1
2
3
4
5
骑行速度 km h- 1
张 晋, 王 慧, 李 平
( 浙江大学 控制科学与工程学系 工业控制技术 国家重点实验室, 浙江 杭州 310027)
摘要 : 为研究 城市复杂的混合交通, 通过分析自行车的行驶特性, 建立了包括元胞尺寸、速度、状态 空间及属性 、元
胞的 邻域与局部元胞演变规则的单向自行车二维 CA 模型。理论分析 和数字仿真 表明, 该模型 不仅能灵 活有效地描 述
收稿日期: 2004 10 27 基金项目: 浙江省自然科学基金 ( 601119) 作者简介: 张晋 ( 1975- ) , 女, 山东淄博人, 博士, 主要研究方向为智能交通系统的建模、控制等
( jinzhang@ sunext com)
1 26
公路交通科技
第 23 卷
在微观层面上建立由机动车跟驰模型扩展而来的自行 车模型[ 7~ 9] 。自行车跟驰模型可以在一定程度上体现 自行车交通的特点, 而由于自行车行驶特性与机动车 相差甚远, 该模型与自行车的行驶特性并不相符。
自行 车流, 而 且其速度- 密度特性和最大通行能力的数值范围均符合实际或经验数值。利用该模型还分 析并仿真了 车
道数 对单车道自行车通行能力的影响: 随着车道宽度的增加, 单车道通行能力随之增加, 但幅度呈递 减趋势, 且车 道
数增长到一定时, 通行能力不再继续增长。
关键词: 自行车交通流; 二维元胞自动机建模; 自行车交通仿真; 自行车通行能力
于密集、拥挤, 给行车安全造成不利, 且毫无余地,
故不宜选作设计通 行能力。据 实际城 市 ( 南 京、北
京、福州等) 对 Ct 值的测定, C可 的取值 为: 无分
隔带的 C 可 = 1 800veh h m; 有分 隔带的 C可 = 2 100
veh h m。
根据我国自行车流的实际情况和交通流特性, 自
中图分类号: U491
文献标识码: A
Bicycle Flow Modeling and Simulation Based on Cellular Automaton
ZHANG Jin, WANG Hui , LI Ping ( Department of Control Science & Engineering, Zhejiang University , National Key Lab of Industry Control Technology,
在独 立的 自行 车道 或专 用自
行车道上, 很少干扰, 骑车 人尚 舒 适, 稍 有 约 束, 可 超 车, 行人 可穿 越。
在独立 自 行车道 或 专用自 行
车 道 上, 常有干扰, 速度受限, 不能变 更 骑车线路, 可以维 持
安全车速, 行人横 穿 难。
在物体 隔 离设施 的 自行车 专
用 道 上, 车流密 集, 干 扰 多, 速 度 低, 行人横 穿
2 单向二维元胞自动机自行车模型的建立
参照机动车辆 CA 交通流模型的建立方法, 单向 二维 CA 自行车模型定义如下。
( 1) 元胞尺寸 由于停车时自行车最大停车密度为 0 63 辆 m2, 则平均 一辆自行车占 据 1 0 63= 1 59m2 辆。再根据 自行车的物理尺寸: 车身长 1 9m, 宽 0 6m, 定义自 行车元胞的大小为: 长 2 0m, 宽 0 8m 的矩形, 则每 个元胞面积为 1 6m2, 符合最小停车密度值。 ( 2) 速度 纵向最大理论速度为 28 74km h ∀ 8m s= 4 个元 胞长度, 即 vmax = 4。横向速度以超过前方邻近元胞 为限, 规定最大为 2 个元胞, 即 v max = 2。 ( 3) 元胞的状态空间 网格的维数按照自行车道的长度和宽度设定, 如 车道为 3 5m, 即有 3 5- 0 5= 3 条自行车道, 则元胞 网格的宽设为 3 个元胞宽度; 若车道长度为 2 000m, 则元胞网格的长设为 1 000 个元胞长度。网格的边界 条件定义为周期性的, 易于分析同一密度下的自行车 运行状态。 ( 4) 元胞的状态属性 每个网格的位置用二维坐标来表示, 如图 1 所示。 可采用矩阵的方法来表示每个网格的状态, 元胞状态 有 6 种可能: 没有自行车占据、有自行车占据且纵向速 度为 v, v # { 0、1、2、3、4} 。采用矩阵变量 A 来表示元
Ct B- 0
5
!
3
600 t
式中, C可 为 单车道一 小时内连 续车流 的平均 通过
量, veh h; B 为自行车车道的宽度, B - 0 5 为车道
的有效宽度; t 为连续车流的通过时间 s; Ct 为 t 时
间内通过观测断面的自行车数量。
路段和交叉口的设计通行能力以实际可能的通行
能力 C可 为参考标准。因为短时间最大通过量 Cmax 是 采用路段高峰时期某一段时间内的密集车流, 车流过
车道的条数。
( 2) 有隔离设施的非机动车道中普通自行车在无
干扰情况下的纵向最大理论速度为 28 74km h, 即自
由速度约为 8m s。 ( 3) 自行车的左右行驶摆动范围各为 0 2m。
( 4) 自行车最大密度常发生在交叉口停车线前, 平均停车密度为 0 54veh m2; 在绿灯放行后 20s 统计, 最大停车密度为 0 63veh m2。
> 25
25~ 20 20~ 15 15~ 10
10~ 5
占用道路面
积 m2 veh- 1 > 9 0
9~ 7
7~ 5
5~ 3
<3
车流状况
自由运行
基本自由 运行
车流稳定 运行
非稳定流 运行受限
间断式束 缚交通流
适 用条件 与 运行状 态描述
在 公路上 或 独立的 自 行车道
上, 骑 行 舒 适无干 扰, 可 自 由 选择速 度和超车, 行 人可穿 越。
Zhejiang Hangzhou 310027, China)
Abstract: For studying urban mixed- traffic, an one- way bicycle model based on two - dimension cellular automaton ( CA) was brought forward after the moving characteristics of bicycle flow were analyzed The size, velocity, state space and attribute, adjacent re gion of the cellular and the evolvement rules of local cellular were included in the model Theoretical analysis and experimental results indicate that the model describes the bicycle flow effectively, and the digital simulation data on velocity density flux and max imum traffic capacity accord with practical or experiential data The influence of lane number on bicycle capacity is investigated using this model T he simulation result shows that one lane capacity increases alone with the added lane width, but the increasing magnitude is descending and will cease till a certain number of lanes This trend completely obeys qualitative analysis Key words: Bicycle flow model; 2 dimention cellular automaton modeling ; Bicycle traffic simulation; Bicycle traffic capacity
( 1) 按汽车行驶原理计算, 即按照前后车辆之间 的安全净空进行 计算。安全间距的取值在 0~ 1m 之 间, 计算得到通行能力 q 最大为 2 012~ 2 280veh h, 通行能力最大时的速度为 15 5~ 17 4km h。
( 2) 按车头时距原理计算自行车道的通行能力, 即测得正常条件下连续行驶的自行车流中前后两车的 最小车头时距 ti , 用 3 600 ti 计算其通行能力。t i 取 值范围一般为 1 2~ 2 4s, 平均为 1 8s, 因此通行能 力范围为 1 500~ 3 000veh h, 平均为 2 000veh h。
自行车车道的宽度, B - 0 5 为 车道的有效宽度; t
为密集车流通过观测断面的某一段时间段 s; C t 为t
时段内通过观测断面的自行车数量。
( 2) 实际可能的通行能力
实际可能的通过量采用的是长时间车辆连续通过
断面的自行车数量除以统计时间, 再换算成单车道的
通过量, 称为路段平均通过量。
C可=
( 5) 自行车的平均反应时间在 1s 左右。 ( 6) 有分隔带的情况下, 单车道自行车通行能力
大致为: 短路段自行车可 通行能力达到 2 100veh h
m; 长路段通行能力为 1 680veh h m; 交叉口及其附
近路段通行能力为 1 000~ 1 200veh h m。
( 7) 自行车流具有摇摆性、成群性、多变性等特 点, 具有较大的灵活性与可压缩性。 1 2 自行车的通行能力[ 10, 11]
0 引言
自行车是一种灵活、方便、经济、无污染的人力 驱动交通工具, 是我国混合交通的主要组成之一。据 统计, 居民出行基本靠步行与自行车, 城市中自行车 的出行量, 一般要占居民出行总量的 40% ~ 60% [ 1] 。 自行车交通迅速发展, 而管理与设施未能相应发展, 以至交通事故明显 增长。据北京 10 年 ( 1981~ 1990
第 23 卷 第 1 期 2006 年 1 月
公路 交通科技 Journal of Highway and Transportation Research and Development
Vol 23 No 1 Jan 2006
文章编号: 1002 0268 ( 2006) 01 0125 05
基于元胞自动机 ( CA) 的自行车流建模及仿真
年) 的统计资料, 死亡事故的第一当事人自行车平均 占 33 2% , 仅次于 机动车的 50 8% [ 2] 。因此, 研究 我国的混合交通流, 必须研究以自行车为主的低速交 通流, 然后和客运系统、交通管理以及各种基础设施 联系起来, 解决自行车的交通问题。而研究自行车交 通流, 首要的问题就是建立自行车交通流模型。目前 对自行车交通流的研究, 主要是在宏观概念上利用概 率论分析自行车流对机动车宏观交通流的影响[ 3~ 6] ;
自行车的两种行驶状态: 即运动与停止状态。在 运动中非机动车的运动轨道不同于机动车, 常作蛇形
运动。在停车时车辆互相穿插, 车道的利用率很高。 其交通特性为[ 1, 2] :
( 1) 自行车的车身长 1 9m, 宽 0 6m。每条自行
车道的宽度定为 1 5m, 且每侧留有 0 25m 的安全间 隙。实际自行车道宽度为 ( B+ 0 5) m, B 为自行车
本文通过分析自行车的行驶特性, 以机动车元胞 自动机 ( Cellular automaton, CA) 建 模方法为 扩展基 础, 建立了自行车二维 CA 模型, 仿真验证表明了该 模型能够灵活有效地描述自行车流的行驶特性, 并且 扩展方便, 易于研究混合交通流。
1 自行车及其行驶特性分析
1 1 自行车的交通特性
车道已 不 可能。
在仅 有划 线混 行道 上, 车 流
密 集, 干 扰 严 重, 车 速 很 低, 一车 如果 倒 下, 后 面 跟 车 倒,
行人 不能 横穿。
1 2 2 自行车道的理论通行能力
第1期
张 晋, 等: 基于元胞自动机 ( CA) 的自行车流建模及仿真
1 27
单车道自行车道的理论通行能力有如下两种计算 方法:
1 2 1 自行车的实际通行能力
自行车的实际通行能力一般有两种主要的描述方
法: ( 1) 短时间最大通wk.baidu.com量
最大通过量是选择路段高峰时期某一段时间内密
集车流, 观察其通过断面的最大交通量, 可以按下式
计算
Cmax =
Ct B- 0
5!
3 600 t
式中, Cmax 为自行车单车道最大通过量, veh h; B 为
行车道服务水平标准按 5 级划分, 对路段和交叉口分 别考虑。表 1 为建议的自行车道路路段交通服务水平
标准。
表 1 建议的自行车道路段交通服务水平标准
Tab 1 Propositional traffic service standard of bicycle road
等级
指标
1
2
3
4
5
骑行速度 km h- 1
张 晋, 王 慧, 李 平
( 浙江大学 控制科学与工程学系 工业控制技术 国家重点实验室, 浙江 杭州 310027)
摘要 : 为研究 城市复杂的混合交通, 通过分析自行车的行驶特性, 建立了包括元胞尺寸、速度、状态 空间及属性 、元
胞的 邻域与局部元胞演变规则的单向自行车二维 CA 模型。理论分析 和数字仿真 表明, 该模型 不仅能灵 活有效地描 述
收稿日期: 2004 10 27 基金项目: 浙江省自然科学基金 ( 601119) 作者简介: 张晋 ( 1975- ) , 女, 山东淄博人, 博士, 主要研究方向为智能交通系统的建模、控制等
( jinzhang@ sunext com)
1 26
公路交通科技
第 23 卷
在微观层面上建立由机动车跟驰模型扩展而来的自行 车模型[ 7~ 9] 。自行车跟驰模型可以在一定程度上体现 自行车交通的特点, 而由于自行车行驶特性与机动车 相差甚远, 该模型与自行车的行驶特性并不相符。
自行 车流, 而 且其速度- 密度特性和最大通行能力的数值范围均符合实际或经验数值。利用该模型还分 析并仿真了 车
道数 对单车道自行车通行能力的影响: 随着车道宽度的增加, 单车道通行能力随之增加, 但幅度呈递 减趋势, 且车 道
数增长到一定时, 通行能力不再继续增长。
关键词: 自行车交通流; 二维元胞自动机建模; 自行车交通仿真; 自行车通行能力
于密集、拥挤, 给行车安全造成不利, 且毫无余地,
故不宜选作设计通 行能力。据 实际城 市 ( 南 京、北
京、福州等) 对 Ct 值的测定, C可 的取值 为: 无分
隔带的 C 可 = 1 800veh h m; 有分 隔带的 C可 = 2 100
veh h m。
根据我国自行车流的实际情况和交通流特性, 自