實現基于粒計算的交通流模擬系統

章文捷，張亦瀟

（浙江省機電設計研究院有限公司，浙江杭州310002）

實現基于粒計算的交通流模擬系統

章文捷，張亦瀟

（浙江省機電設計研究院有限公司，浙江杭州310002）

近年來，隨著城市車輛的日益增多，道路擁堵現象越趨于嚴重，如何有效地解決道路擁堵現象顯得尤為重要。擬將計算機仿真技術運用到交通道路上，在粒計算、元胞自動機和交通流網絡3層結構模型中引入了換道體系，通過面向對象技術、C#語言編程，實現交通流模擬系統的動態仿真。通過可視化窗口、時空斑圖和對綠信比等參數的分析和調試，其結果表明該系統是可行的，并具有有效性，為計算機仿真技術在交通道路上的應用奠定基礎和提供幫助。

交通流；粒計算；動態仿真；C#語言編程

近年來，一套以計算機技術、現代通信技術和現代控制技術為基礎的智能交通系統（ITS）正在不斷發展和應用，我國也正在對ITS技術由“點”到“線”再到“面”逐步發展。

交通流理論是運用數學和物理理論分析研究道路上行人和機動車輛（主要是汽車）在行動中的規律，包括人流、信息流、能量流和物質流的復雜系統。伴隨著現代經濟的快速發展，交通需求量也顯著增加，人們對交通的快捷、便利提出了更高的要求。交通流理論的應用能更好地分析交通現狀及其本質，使道路通暢、車流穩定，無堵塞現象。

基于粒計算的元胞自動機交通流的研究，將換道體系引入到元胞、粒、交通網絡3層結構模型中，同時改進了模型，使其更符合實際的交通情況，并結合面向對象技術、C#語言編程，在Visual Studio 2005平臺上實現了交通流模擬系統的動態仿真。通過對綠信比、邊界、時間周期長短與NS規則的對比分析，得出時間周期長短對交通流沒有太大的影響；根據車輛邊界調整綠信比，可更好地控制交通狀況；在車輛高速運行的道路上，3層結構模型比NS規則建立的交通流模擬系統更好，并驗證了該系統的可行性和有效性。

1 定義

交通流是指交通運輸設備在道路上連續行駛而形成的車流量。廣義上，它包括各類車輛的車流和行人的人流。一段時間內，在不受橫向交叉相互影響的道路上，交通流呈現連續流狀態；而在遇到路口信號燈管制時，交通流呈現為斷續流狀態。自從1997年，T.Y.Lin在他的論文中提出粒計算（Granular computing）后，一個包含多個學科研究的新領域誕生了。粒計算是將一個復雜的問題分成簡單的若干個子問題，然后管理和處理解決這些子問題，提高了研究人員對問題的洞察力和觀察領悟能力。元胞自動機（CellularAutomata，簡稱“CA”），是一時間和空間都離散的動力系統，是指具有離散、有限狀態的元胞。

對于交通流模擬系統，原有的3層結構模型是通過運用粒計算對道路交通流內的車輛進行分類劃分，即按照車輛所處的位置和作用，將道路上的車輛歸類劃分為頭車梯隊、中間車梯隊和尾車梯隊。本文在此基礎上，借鑒其他學者的研究，將換道體系引入到模型中，其規則如下：

式（1）中：dn為第n輛車與其同車道前方相鄰車輛間的車距；dnm為第n輛車與前方相鄰車道車輛的車距；dnk為第n輛車與后方相鄰車道車輛的車距；vmax為允許車輛行駛的最大速度；dn＜min（vn＋1，vmax）為第n輛車在原車道行駛受到前方車輛的阻延；dnm＞dn為第n輛車若變換車道，可行駛更快的速度；dnm＞df為第n輛車若變換車道，與變道的后車輛之間應保持的安全車距。

2 交通流模擬系統

本文實現的交通流模擬系統，是將粒計算引入到元胞自動機的動力系統中，形成基于粒計算、元胞自動機和交通流網絡的3層結構模型。在該模型中，粒計算、元胞自動機和交通流網絡分別與實際交通系統中的車輛層、車隊層和交通網絡層相對應。3層結構模型是將元胞自動機里的車輛按照所處的道路中的不同位置和作用，將道路上的車輛歸類劃分為頭車梯隊、中間車梯隊和尾車梯隊，對于不同的車輛梯隊，系統采用不同的演化規則，從而彌補了元胞自動機中同質性的缺點。同時，該模型是一個時間和空間都離散的系統，每一個時間步里都會更新一次元胞層內車輛所處的位置和速度，車輛位置的變化，使得車輛之間的距離隨之變化，從而使粒層內的車隊發生變化，比如車隊的合并、分離運算等，車隊的整體變化則表現為交通網絡層的變化。在粒計算結構模型中，當粒計算內所有車輛按照事先規定的演化規則完成更新后，即完成了該粒計算結構模型層的整體更新。在交通流網絡結構模型中，交通流內的所有粒子按照事先規定的粒計算演化規則完成更新后，就完成了該交通網絡結構模型層的整體更新。

在系統中，每輛車不僅是一個單獨的個體，而且還隸屬于它所處位置的梯隊。對于整個交通流系統，數據更新是從頭車梯隊到尾車梯隊的所有車輛進行遍歷更新的過程，每個梯隊的數據更新又是從頭車到尾車的遍歷更新過程。整個交通流系統采用了內外2層循環進行，外循環是對道路交通中整個車隊進行遍歷，即從車隊的頭車梯隊到尾車梯隊都進行一次數據遍歷；內循環則是再劃分梯隊后，對每一類梯隊內的所有車輛進行遍歷，即從每個梯隊內的頭車到尾車進行一次數據遍歷。車輛在車隊中仍是處于高速行駛的狀態，而整個車隊的運行情況反映了當下交通系統的整體運行情況。

車輛換道發生在梯隊中車輛的跟隨過程中，將車輛更新的一次時間步細分為2個子時間步，其中，第一個子時間步是車輛按照事先約定的換道體系進行車道更換，第二個子時間步是將所有的車輛在各自車道上按照NS規則進行位移和速度的更新。當車道內的某一輛車在原始的車道上不能獲得最優行駛速度時，可通過變更到相鄰車道以獲得最優行駛速度。通過面向對象技術、C#語言編程對交通流模擬系統進行實現，整體設計如圖1所示。

3 模擬及數據分析

這里選用開放邊界條件，隨機減速概率為p＝0.1，一個單元節點長度為7.5 m，整個系統共設置了2 500個單元節點，即道路長度為18.75 km，最大速度vmax＝5，其對應的實際車速為135 km/h。道路叉口紅綠燈的信號周期為T＝Tg＋Tr，其中，Tr，Tg分別為周期內紅燈和綠燈的信號周期時間，其綠信比為

圖1 整體設計流程圖

3.1 綠信比對車流密度的影響

車輛出流量β設置為1.0，即車輛到達出口邊界時，不受邊界條件的限制按車輛原有的行駛速度駛出出口邊界。車輛入流量α在0.1～1.0之間取值，表示車輛在進入交通流量的行駛車道時，需要滿足該行駛車道的邊界條件才能駛入，若車輛不能滿足該行駛車道的邊界條件，則該車輛不得駛入該車道。信號周期T＝100，即紅燈和綠燈時間總和為100 s。根據選取不同的綠信比，統計交通密度的變化情況，如表1所示。表1為交通密度取運行500步的平均值時綠信比取值對車流密度的影響程度，表格橫向表示綠信比Gg的取值，縱向表示車輛入流量α的取值。

表1 綠信比取值對車流密度的影響程度

由表1可以看出，當車輛入流量α＝0.15時，進入系統邊界的車輛較少，整個交通流系統中的車輛都能平穩、勻速、暢通地行駛，此時車輛的行駛不會受到紅綠燈的影響，即設置道路叉口紅綠燈的綠信比對整個交通流系統的車流速度不會產生影響，紅綠燈對整個車流量控制作用無效。但隨著車輛入流量α值的逐漸增大，進入交通流系統邊界的車輛隨之增長，同時在各車道上行駛的車輛也有所增多。考慮道路叉口紅綠燈的控制，若綠燈持續時間較短時，道路叉口的入口處就會因車流量的增多，出現車輛無法正常通行，產生擁擠的現象。由此可以看出，綠燈持續時間的長短將會直接影響到道路叉口入口處車輛聚集的數目、路網效率和整個交通流系統的運行情況。

3.2 綠信比與時間周期長短的關系

這里車輛入流量和車輛出流量分別設置為α＝0.45，β＝1.0，信號周期T依次選取為50，120，250，320，綠信比Gg＝0.5.表2給出了系統運行后交通流量的平均值。

通過表2可以看出，此時整個交通流系統的交通流量和車流密度幾乎不受紅綠燈信號周期T的影響，而只與綠信比Gg的取值有關。

表2 不同周期下的交通流量

3.3 與NS模型的對比

圖2 NS模型（α＝0.45，β＝1.0）

圖3 交通流模擬系統（α＝0.45，β＝1.0）

在相同條件下，將本文系統與采用NS模型的交通流系統進行對比。在NS模型中，車輛在車道上獨立行駛，不產生換道現象，車輛行車速度的更新只與該車輛當前行車速度和其與前車車距有關，整個系統的數據更新是按照NS規則進行的。圖2（a）（b）分別給出了NS模型在α＝0.45，β＝1.0時的運行圖和東西向時空斑圖；圖3（a）（b）分別給出了基于粒計算的交通流模擬系統在α＝0.45，β＝1.0時的運行圖和東西向時空斑圖。通過圖3與圖2的對比，可以看出在十字路口，交通流模型系統比NS模型有更高的通行率，因為NS模型里的車輛是按照事先規定的演化規則形成車隊，其每一梯隊里的車輛都是緊跟著該梯隊內的頭車一起向前行駛，對這個車隊的平均速度有一定的提高作用，同時驗證了本文系統的可行性和有效性。

4 總結

交通系統是一個具有不確定性因素、隨機性強和時變性大的復雜系統，對其整體研究時需要龐大的理論基礎作為支撐。結合面向對象技術、C#語言編程，實現了元胞、粒、交通網絡3層結構模型的交通流模擬系統動態仿真。通過分析綠信比、信號燈時間周期長短的大小對模型的影響，并與NS模型的交通系統對比，結果表明，本文基于粒計算的交通流模擬系統是可行的，具有進一步的研究價值和推廣價值。

［1］馮蔚東，賀國光，劉豹.交通流理論評述［J］.系統工程學報，1998，13（3）.

［2］T.Y.Lin.Granular Computing on Binary Relations I：Data Mining and Neighborhood Systems，II：Rough Set Representations and Belief Functions，Rough Sets in Knowledge Discovery.Heidelberg：Physica-Verlag，1998.

［3］STEPHEN W.A new king of science.Illinois：Wolfram Media Inc，2001.

［4］王永明，周磊山，呂永波.基于元胞自動機交通流模型的車輛換道規則［J］.中國公路學報，2008，21（1）.

〔編輯：劉曉芳〕

TP311.52

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.057

2095－6835（2017）18－0057－03

章文捷（1986—），女，研究方向為高速公路交通控制軟件。