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1、毕业论文设计（论文）题目 基于元胞自动机的城市交通仿真系统设计 学院名称 交通运输工程学院 专 业 （班 级） 交通运输（11级2班） 姓 名 （学 号） 指 导 教 师 系（教研室）负责人 2015 年 6 月 6 日目 录中文摘要1英文摘要21引言41.1 研究背景和意义41.2 交通仿真软件的研究概况71.3 元胞自动机82道路交通流中的元胞自动机模型112.1 道路交通流理论研究的意义112.2 NaSch模型112.3 BML模型142.4 NaSch和BML的耦合模型173交通流参数183.1 交通流量q183.2 平均速度184模型的建立和仿真结果分析194.1程序编写的基本思路
2、和流程图194.2 路段建模194.3交叉口建模204.4程序流程图224.5元胞自动机模型参数224.6车辆速度与交通流参数之间的关系24结论33致谢34参考文献340基于元胞自动机的城市交通仿真系统设计摘要:交通运输是一个国家经济发展的重要基础，对经济发展起到了至关重要的作用，拥有发达的交通运输系统可以帮助人们减少在运输过程中的时间浪费，能够加快资源的运送效率，能够保障出行的舒适，快捷。国家或者城市的发展越来越重视交通运输的发展。虽然世界各国对交通运输系统的投入都非常大，但收效并不明显，单纯的通过增加道路不能从根本上解决交通拥堵,交通事故问题。所以我们需要通过元胞自动机对城市路网进行建模与
3、仿真，进一步了解路网的特点，进而从根本上解决各种交通问题。本文通过建立一个小型的城市路网，通过元胞自动机的模拟仿真，分析了在路网中不同车流密度和不同信号灯周期的情况下，路网中的车辆速度会有怎样的变化。最后发现，城市交通系统是可以通过改变信号灯控制策略和控制车辆密度来控制的。城市路网的规划者可以通过仿真模拟测试出合适的信号灯周期和车辆密度，对城市交通系统进行有效的控制，保障人们的出行效率，加快城市发展。关键词：元胞自动机，信号灯周期，车辆平均速度,车辆密度Abstract: Transport is foundation for country economic development. Wel
4、l-developed transport system can reduce wasting time during transport, and accelerate the delivery of resource efficiency, protect travelers to feel comfortable and fast. Countries or cities pay more and more attention to the development of transport .Although most countries pay much more on transpo
5、rt systems, the effect is not obvious. We cannot solve traffic problems fundamentally by increasing the roads. So we need to simulate the urban road network model by Cellular Automata, and learn more about the road network, then solve the traffic problem fundamentally. We should set up a small urban
6、 road network, through simulation of cellular automata; analyze the average speed of the vehicle under the different traffic densities and different cycle of lights. Finally we found that urban transport system can be controlled by changing the signal controlling strategy and the vehicle density. Th
7、e planners of urban road network can get the correct data of the cycle of lights and the vehicle density. Then they can control the urban traffic systems effectively, ensure the travel efficiency of people,accelerate the development of cities.Keywords: cellular automate, cycle lights, average speed
8、of vehicle, vehicle density1 引 言1.1 研究背景和意义交通运输与人们日常生活与社会快速发展有着密切的关系。拥有良好的交通运输系统对人们生活水平的提高、社会的快速发展以及国家经济的提升都有巨大的帮助。然而，我国目前大部分城市都存在交通拥堵问题，究其直接原因大致可以归纳为以下两点：一方面，当今的交通设施不足以满足人们随着经济的快速发展所增加的出行次数；另一方面则是交通基础设施设置不合理，导致利用率低，造成交通拥堵。国民经济的发展对于国家的发展至关重要，但是国民经济的发展需要各个方面共同努力。交通运输系统国民经济发展的重要基础，在国民经济发展过程中具有不可忽视的作用。
9、由于近些年国家城市化的快速发展，导致了城市中人口和车辆的迅速上升，导致了城市道路设施无法满足日益增长的汽车数量，引发了许多例如交通堵塞，交通事故，资源浪费以及环境等问题。这些问题严重影响了城市、国家的发展与建设。例如北京，60年代北京汽车数量只有2000多辆，而到了1997年，北京市汽车数量已经超过100万辆，再过了十年，汽车总量超过300万辆，直到现在，北京市汽车数量仍然在快速增长中。由于车辆迅速增加，导致北京市主干道的高峰时段的平均速度低于12km/h，严重影响了城市交通运输体系，对城市经济发展产生了严重的阻碍作用。据估计，由于交通阻塞所导致的经济损失，北京市每年损失超过60亿元，因此解决
10、交通问题已成为发展经济的首要前提。实际上不仅仅在我国，世界上大部分国家都存在着各种各样的交通问题，即便是发达国家也存在。许多的国家通过投入大量资源试图缓解交通压力，但结果不尽如人意，经过大量的研究实验发现，想要从根本上解决道路交通问题，不能单一地通过增加道路来实现。而是必须通过交通的立体化和现代化，借助于高新技术来改造现有的道路运输系统及其管理体系，对交通进行科学的管理，才能大幅度的提高交通通行能力，改善交通问题。但是交通问题并不容易解决，但解决了一个问题的时候，还会出现其他问题。单纯的增加道路虽然能够暂时缓解交通压力，但有可能会对整个路网带来其他的不可预知的影响。所以，想要从根本上解决交通问
11、题，不仅要依靠现有的交通资源，还需要合理的理论指导。总的来看，路上的车辆或者行人都具有像液体一样的流动性，可以通过流体力学这样的学科加以研究，所以将路上的行人车辆称为交通流。我们需要通过对交通流进行深入的研究才能提升道路的运行效率，从根本上解决交通拥堵问题。近些年来，国内外都在仔细研究交通流理论对实际交通的具体意义。交通流是一门通过像流体力学、非线性数学和交通工程学等学科描述的一门新兴学科。它可以通过建立交通流模型来对现实交通进行仿真，用来模拟现实交通的一些特性，进而帮助城市对交通路网进行更好的规划，对交通设施进行更加有效的布置，对交通控制系统的选择有更好的帮助。因此我们需要对交通流理论进行深
12、入的研究。过去的半个世纪中，出现了大量的交通流理论，但这些交通流理论中把单路中的交通流设定为一种固定的、没有变化的性质，而现实中的交通流是多种多样的。所以虽然交通流理论在流体力学方面具有他特定的优势，但却在微观层次的交通分析时存在明显的缺陷。并且，在研究交通现象的时候，大部分都要采用经验方法和数学方法，但由于交通系统非常复杂，系统收到多个因素的作用与干扰，所以通过经验方法和数学方法很难准确的描述交通系统。近些年来，交通工程学中出现了很多新技术，对交通分析的工具要求更高，所以出现了通过计算机来模拟复杂的交通现象，这种方法已经普遍应用在了关于交通工程的多个领域。如今，全世界已经存在大约一百多个交通
13、流仿真模型，并且有大概几十种的仿真软件用于商业，在这方面，我国严重落后于发达国家，需要向发达国家学习，并且要研究出适合自己的交通理论。我国是一个面积广阔的国家，而且具有特殊的交通特点所以不能仅仅通过学习发达国家的交通仿真模型，必须要针对自己国家的城市交通特点来研究交通流模型，提高交通管理水平，从根本上解决我国交通问题，更加快速的发展经济。元胞自动机是由著名的计算机科学家约翰冯诺依曼所发现，1940年他创造了一个由二维网格组成的模型，是一个能够自我复制的元胞自动机模型，该模型是由数千个元胞构成，可惜的是当时的计算机水平比较低，约翰冯诺依曼所提出的元胞自动机的想法在当时并没有受到人们的重视。在之后
14、，数学家坎威于1970年提出了生命游戏机，之后就成为了著名的元胞自动机模型。20世纪80年代，克莱默首先通过元胞自动机对交通领域进行研究，开创了通过元胞自动机研究交通流的先河。与此同时，美国天才物理学家沃尔夫正在深入研究元胞自动机，他对元胞自动机进行了分类整理，并且在21世纪初发表了他的著作一种新科学。沃尔夫对于元胞自动机的深入研究为以后的元胞自动机的发展与应用做出了不可磨灭的贡献，他所提出的184号元胞自动机就是现在元胞自动机交通流模型的雏形。在19世纪90年代，德国的两名研究人员Nagel和Schreckenberg通过研究184号模型，发现了著名的NS模型，这是一个一维的平面模型，也是在
15、这一年，美国科学家宾汉姆等人同样发现了另一种元胞自动机模型，是一种二维的模型，就是后来的BML模型，这些发现对于元胞自动机应用于交通领域起到了巨大作用。 在此之后，通过人们的不断研究，元胞自动机的应用也越来越多，并且他的模拟精确度也越来越高。1993年，M.Takayasu和H.Takayasu决定在NS模型中引入慢启动，这样既可以仿真出亚稳态现象和相分离现象，还能模拟出回滞现象。皮特森等人提出了一种在多车道条件下的换道模型，Chowdhury和Schadsch- neider等人将NS模型和BML模型结合到一起，用来仿真城市的交叉路口。Nagatani 通过研究一条横穿路网的道路形成的交通拥堵，发现并提出了平衡场理论，用于解决交叉口之间的冲突。在短短的几十年内，元胞自动机模型飞速发展，应用领域越来越多，人们对它的研究也越来越深，通过元胞自动机能够模拟的交通问题也越来越逼真，元胞自动
