基于元胞自動機的交通系統(tǒng)建模與模擬

前言

　　交通運輸系統(tǒng)是人類生活、社會經(jīng)濟活動的重要組成部分。良好的交通運輸系統(tǒng)是人們?nèi)粘Ｉ睢⑵笫聵I(yè)等正常運轉及促進經(jīng)濟飛速發(fā)展的必不可少的基本條件。然而，目前我國各大城市都被交通擁堵問題所困擾，究其直接原因大致可以歸納為以下兩點：一方面，由于經(jīng)濟的發(fā)展使得人們出行需求顯著增加，現(xiàn)有交通運輸網(wǎng)絡已不能夠滿足這些交通需求；另一方面則是交通設施設置不合理，交通管理措施不能夠適應現(xiàn)代交通的發(fā)展等?！　〗鼛啄陙恚覈糠殖鞘写笠?guī)模、高強度、高標準的交通建設使交通狀況有所改善，但交通擁堵仍不時發(fā)生，而現(xiàn)有的許多交通資源又未獲得充分利用，有些道路的設計通行能力還遠遠沒有達到，有些高架路變成了停車場，有的立交橋則多次重建。雖然從20世紀80年代開始，國內(nèi)部分城市相繼從國外引進了先進的交通管理控制系統(tǒng)（如SCOOT、SCATS系統(tǒng)等），但由于國內(nèi)的混合交通流特性與國外的單純機動車流特性差別很大，特別是在交叉路口混合交通流情況下，機動車、自行車、行人相互干擾，致使通行能力嚴重下降，許多在國外行之有效的交通管理措施在我國并沒有收到預期的應用效果，“水土不服”的問題非常嚴重，具體表現(xiàn)在假設條件過于理想、處理手段過于簡單，大多數(shù)規(guī)劃方案和控制系統(tǒng)存在機理不清、基礎不牢的內(nèi)在缺陷，因而難以從根本上達到緩解和預防城市交通擁堵的目的。這些問題，究其學術上的原因，是對交通行為和交通流的內(nèi)在演化機理缺少深入研究?？梢?，如果缺乏先進的理論指導，單純依靠修建道路等交通設施和采用傳統(tǒng)的管理方式來解決城市交通問題，不僅成本高昂、資源浪費、環(huán)境污染嚴重，且效果有限。為實現(xiàn)城市交通的暢通，發(fā)達國家普遍采用了高科技投入與多學科領域專家合作研究相結合的辦法，設計、建設和管理與其國情相適應的科學的城市交通系統(tǒng)。隨著我國經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，如何利用科學的手段來緩解和預防城市交通擁堵已是當務之急。其中首要的工作是深入研究并揭示交通擁堵產(chǎn)生的內(nèi)在機理，只有這樣，才有可能實現(xiàn)從“治標”到“治本”的轉化，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供基本保障。因此，對交通流理論的研究就必不可少。

內(nèi)容概要

本書在介紹元胞自動機的基礎理論和交通流理論的基礎上，系統(tǒng)地闡述了元胞自動機模型在交通系統(tǒng)建模與模擬中的應用。    本書在理論研究方面不僅可以對解決當前我國城市交通問題提供一定的理論支持，而且可為廣大工程技術人員對交通流的建模與分析提供參考。    本書可作為高等院校交通運輸工程等專業(yè)的研究生教材和高年級本科生選修教材，也可供從事交通流理論及其相關研究的科技工作者及交通軟件開發(fā)人員參考。

書籍目錄

前言上篇：元胞自動機的基礎知識  第一章 緒論    1.1 元胞自動機簡要發(fā)展歷程    1.2 元胞自動機的應用概述  第二章 元胞自動機的定義、構成和特征    2.1 元胞自動機的定義    2.2 元胞自動機的構成    2.3 元胞自動機的特征  第三章 經(jīng)典的元胞自動機模型    3.1 Conway和他的“生命游戲”    3.2 Wolfram和他的初等元胞自動機    3.3 能自我復制的元胞自動機    3.4 Langton螞蟻    3.5 格子氣自動機    3.6 研究顆粒流的元胞自動機  第四章 元胞自動機的分類    4.1 基于維數(shù)的元胞自動機分類    4.2 基于動力學行為的元胞自動機分類下篇：元胞自動機在交通領域中的應用  第五章 道路交通流理論簡介    5.1 道路交通流理論研究的意義    5.2 常用的變量及測量方法    5.3 基本的交通實測現(xiàn)象與特征    5.4 交通流理論模型分類  第六章 道路交通流中的元胞自動機模型    6.1 單車道元胞自動機模型    6.2 多車道元胞自動機模型    6.3 雙向交通的CA模型    6.4 混合交通中的偏析現(xiàn)象    6.5 多值元胞機模型  第七章 元胞自動機模型在道路交通瓶頸研究中的應用    7.1 交通中的瓶頸現(xiàn)象    7.2 匝道瓶頸研究    7.3 路口瓶頸的研究    7.4 其他典型交通瓶頸的研究  第八章 城市路網(wǎng)交通流中的元胞自動機模型  第九章 其他交通系統(tǒng)中的元胞自動機模型  第十章 元胞自動機模型、交通流狀態(tài)和復雜網(wǎng)絡  附錄一 交通流理論模型簡介與對比  附錄二 TRANSIMS系統(tǒng)簡介及案例后記參考文獻本書部分彩圖

章節(jié)摘錄

　　§2.1.2 元胞自動機的定義　　盡管元胞自動機有著較為寬松，甚至近乎模糊的構成條件，但作為一個數(shù)理模型，元胞自動機有著嚴格的科學定義。同時，元胞自動機是一個地地道道的“混血兒”，是物理學家、數(shù)學家、計算機科學家和生物學家共同工作的結晶。因此，對元胞自動機的含義也存在不同的解釋，物理學家將其視為離散的、無窮維的動力學系統(tǒng)；數(shù)學家將其視為描述連續(xù)現(xiàn)象的偏微分方程的對立體，是一個時空離散的數(shù)學模型；計算機科學家將其視為新興的人工智能、人工生命的分支；而生物學家則將其視為生命現(xiàn)象的一種抽象。下面給出幾種常見的定義?！　　?.1.2.1 物理學定義　　元胞自動機實質上是定義在一個由具有離散、有限狀態(tài)的元胞組成的元胞空間上，并按照一定的局部規(guī)則，在離散的時間維度上演化的動力學系統(tǒng)?！　≡谠詣訖C中，空間被一定形式的規(guī)則網(wǎng)格分割為許多單元。這些規(guī)則網(wǎng)格中的每一個單元都稱為元胞，并且它只能在有限的離散狀態(tài)集中取值。所有的元胞遵循同樣的作用規(guī)則，依據(jù)確定的局部規(guī)則進行更新。大量的元胞通過簡單的相互作用而構成動態(tài)系統(tǒng)的演化。不同于一般的動力學模型，元胞自動機不是由嚴格定義的物理方程或函數(shù)確定，而是由一系列的演化規(guī)則構成。元胞自動機相當于傳統(tǒng)物理學中近距離作用的“場”，是“場”的離散化模型。

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