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1、第24卷第6期（总第150期）2006年6月Vol. 24, No. 6Jun. , 2006系统工程Systems Eng ineering文章编号：1001-4098（2006） 06-0024-04元胞自动机在混合交通仿真中的应用熊桂林，黄悦（中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410075）摘 要：以VC语言为开发工具，通过构造二维 元胞自动机模型，对平面十 字交叉路口的交通流 进行了分析和 模拟控制。仿真结果较为理想，说明了元胞自动机广泛的应用前景。关键词：元胞自动机；混合交通；仿真中图分类号：U491 文献标识码：A第24卷第6期（总第150期）2006年6月Vol. #, No
2、. 6Jun. , 2006第24卷第6期（总第150期）2006年6月Vol. #, No. 6Jun. , 20061引言根据对交通系统描述的细节程度不同,交通流模型 分为宏观仿真模型和微观仿真模型。微观模型是研究混合交 通的有效工具，元胞自动机模型是微观模型的代表之一。 目前国内外关于混合交通微观模型的研究成果仍很缺乏。因此，建立一套适合中国混合交通特点的交通流模型对我国研究智能交通系统来说是迫切需要的。兀胞 自动机（cellular Automata, CA ）是 Von Neu- mann在20世纪50年代研究自我复制的自 动机器时提 出 的。CA是定义在一个由有限状态 的元胞（Ce
3、ll）组成的离 散元胞空间上，按照一定的局部规则，在离散的时间上演 化的动力系统。散布在规贝U格网（Lattice Grid）中的每一 元胞（Cell）取有限的离散状态，遵循同样的作用规则，依 据确定的局部规则作同步更新。它由元胞、元胞空间、状态 集、邻居和规则5个基本的组成 部分组成，具有齐性、离散 性、同步性、确定性等特点。齐性指所有的元胞的分布方式 相同，遵循的规则相同；同步性指元胞的状态在离散时间 上进行同步更新；确定性指所有的更新规则在时间和空 间 上是确定性的，并且相同。在元胞自动机中，某一时刻的一 个元胞的状态只与前一时刻此元胞的状态以及前一时刻 相邻的元胞的状态有关。交通系统是
4、一个具有随机性、模糊性和不确定性的复 杂系统，因此,其数学模型的建立往往非常 困难,有时甚至 无法用现有的数学方法来描述。 CA的特性与交通流的特 性有着极其相似之处，因此考虑用CA建立交通流的模 拟 仿真模型。用元胞自动机模拟交通系统的基本思想是：在整个 交通网络中，每条道路被分成有限的元胞，在模拟的时间 步序中每个元胞代表一辆机动车。如果一个机动车可以 用元胞表示的话，通过使用简单的规则集可以把这个元 胞（机动车）移到另一个元胞处，即实现了机动车的运行 状态的变化，因而从整体上可以模拟岀交通系统中交通 流的变化特性。通 过这个 被模拟的交通 模型，我们可以 对其路况进行分析，从而对交通系统
5、进行有效的智能控 制。2混合交通交叉路口的二维元胞自动机模型随着经济的发展和物质生活条件的不断改善，汽车数量不断增多,城市道路交叉 路口变得越来越拥 挤，已成为 道路交通的瓶颈。因此如何提高交叉路口的通行能力对改 善道路交通至关重要。基于CA的微观仿真模型大致分为单车道模型、多车 道模型和城市交通模型。单车道模型、多车道模型一般以 公路交通为背景，而城市交通中基本路段所占比例较小, 存在差异很大的各类交叉路口。目前的城市交通CA模型主要分为两类：一是网络模型，从整体角度岀发建立抽象 的网络模型进行系统研究；二是研究路网局部性质，特别 是交叉路口控制方式的研究。 本文采用二维CA模型对所 设计的
6、混合交通平面交叉路口进行了模拟仿真研究。在本文所设计的混合交通平面交叉路口的仿真系统 中，每条道路分成有限的元胞格点，每一机动车、非机动第24卷第6期（总第150期）2006年6月Vol. #, No. 6Jun. , 2006第24卷第6期（总第150期）2006年6月Vol. #, No. 6Jun. , 2006收稿日期:2006- 04-28基金项目：广东省科技计划项目（C 10510）作者简介：熊桂林，中南大学信息科学与工程学院副教授。第6期熊桂林，黄悦：元胞自动 机在混合交通仿真中的应用25车及行人均看作一个运动元素，模拟时间步序中的每个 元胞代表一个运动元素，每条道路中拥有有限的
7、运动元 素。元胞格点状态为：1”表示该格点内有一个运动元素，0”表示该格点内没有运动元素。通过使用简单的规则 集 可以把这个 运动元素移到另一格点处，即实现了车辆及 行人的运行状态的变化，因此可以从整体上模拟出平面 交叉路口的交通流的变化特性，进而可以对该平面交叉 路口的路况进行分析，从而实现对该平面交叉路口的有 效 的智能控制。整个 路段上的车辆及行人数量可以人为控 制，交叉路口各方向设有交通信号控制灯 ，它对4个方向 上行驶的车辆进行控制，每个路口均具有左右转向功能。 为了达到直观控制的目的，路口上的交通信号灯需要模 拟。在初始化时通过提供给元胞一些路线 选择功能，使元 胞分布在不同的道路
8、上即在二维空间中 ，每个元胞有一个 或多个进入点，而且每个元胞可以在一个或多个方向上 行 驶。在处理边界条件时，为了保证局域规则对每个运动元 素（元胞）是相同的，每个街道的首、尾相连即采用周期 边 界条件。每个元胞（运动元素）具有有限的一些信息，重要的 信息有元素编号N,速度Vm，同一行驶方向上两个运动元 素间的安全距离Ls、警戒距离La,变速行驶的速度V，它 的值从0Vm，转向随机数（在生成场景时产生）Turn等。对要研究的交通路况制定规则集 ：（1）若每个运动元素的前方没有 障碍物（运动元素或 红灯），它就以V m的速度行驶；（2）若一个运动元素与障碍物的距离 L Ls，它就以V =Vm的
9、速度行驶；（3）若一个运动元素与 障碍物的 距离L a L L s，它 就开始减速，以0 V Vm的速度行驶；（4）若一个运动元素与障碍物的距离L HRfr1門图3 TrafficCtrl仿真系统的一个运行画面NMWfiW-MJiWMoc zw- ；;；! ；!-:-.：-： !-*. .:-.-. :-:. :- : :-:- :-:-1;2 f r r I K W ,.:r. etEifiJr - 994-201 I China Aodemic Journal Ekctronic Publishing Mouse, All right? iese翊腼阿_蓉議納障 脱牌寥3 w :. is.
10、 . . . : ；”：-；: : ：: ：: :丫: ：*：；：:： 丫 Ji: : 74 _ -_*.库西阮 iEiTPt 师:- 冲卫加逼冲申闻y第6期熊桂林，黄悦：元胞自动 机在混合交通仿真中的应用293. 3结果分析设置运动元素总数为120 个,各向随机分布；东西南北向信号 灯方案：红灯30 秒,绿灯27秒表1禁用左转弯情况采样时段（分）51015202530354045机动车通行流量206192188181181181184188185机动车等待数866646666表2启用左转弯情况第6期熊桂林，黄悦：元胞自动 机在混合交通仿真中的应用#第6期熊桂林，黄悦：元胞自动 机在混合交通仿
11、真中的应用#采样时段（分）51015202530354045机动车通行流量14817615113613713211610493机动车等待数81313201216222627间、空间及状态的离散性特点都决定了元胞自动机在城市交通管理领域中有进一步的研究价值。如上述数据显示，该模型能够直观地模拟岀行驶的车 辆在一定的车辆密度下的二维点阵上的 运行规律性，该元 胞自动机模型经过一段时间运行后 ，系统达到一种动态 的 平衡,即某一条道路上的汽车数量达到了一个稳定数值 （如表1）,启用左转弯后，由于左转向和直行机 动车共用一 条车道,而信号控制参 数不发生改 变,该模型的仿真结果 显示岀，一段时间后道路
12、上的机动车数量几乎达到了饱 和 状态，路口的通行能力 降低,这和实际交 通运行状况是一 致的。这时候就要改变信号控制周期或增加左 转向车道以 提高路口的通行能力。以上仅列岀了有代表性的两种交通 控制状况。通过不 同的环境参数设置，即可获得与实际交通流相一致的仿 真 结果。4结束语元胞自动机在交 通控制流 中的应用 说明它是研究 复 杂系统的一个极为有用的方法。通过该方 法可以直观、形 象地模拟岀某一地区的交通密度、交叉路口的通行能力 等。目前元胞自动机在交通流控制上的实际应 用还处于开 始阶段。但交通系统所具有的基本特征及元胞 自动机的时参考文献：1 Chowdhury D, Santen L
13、, Schadschneider A. St a- tistical physics of vehicular tr affic and some relaed systemsJ . Physics Reports, 2000.2 Esser J, Schreckenberg M. M icroscopic simulation of urban tr affic based on cellular automat a J. International Journal of Modern Physics C, 1997.3 Chowdhury D, Schadschneider A. Self
14、 -organization of tra ffic jams in cities: effects of stochastic dynamics and signal periods J. Physical Review E, 1999.4 Nagel K, Stretz P, Pieck M , et al. TRAN SIM S traffic flow characterictics R. L A-U R97-3531. Los A- Muos National Lab, 1997.5 董力耘，戴世强.二维行人交通模型中 转向运动对阻 塞相变的影响J.自然科学进展，2002.杨家新，贺
15、明峰，赵立中，陈勇等.一类二维交通流模 型的周期态J.大连理工大学学报，1996.第6期熊桂林，黄悦：元胞自动 机在混合交通仿真中的应用#第6期熊桂林，黄悦：元胞自动 机在混合交通仿真中的应用#A Mixed Traffic SimulationBased on Cellular Automata第6期熊桂林，黄悦：元胞自动 机在混合交通仿真中的应用#第6期熊桂林，黄悦：元胞自动 机在混合交通仿真中的应用#XIONG Gui-lin,HU ANG Yue(School of Infor mation Science& Engineer ing, Central South Univ ersit
16、y, Changsha 410075, China)Abstract: In this paper, using V C as simulatio n tool we build up a two-dimensional Cellula r Automaton to analyze and simulate the traffic f low at the inter section. T he effect of the simulation is quite ideal. It shows more extensiv e applications of Cellular A utomata.Key words: Cellular Automata; Mixed Traffic; Simulat ion1994-201 I China Academic Journal ILkctronic Publishing House, All rights reserved,http:Z/Vk1,1