基于元胞自動(dòng)機(jī)的交通系統(tǒng)建模與模擬

前言

　　交通運(yùn)輸系統(tǒng)是人類(lèi)生活、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要組成部分。良好的交通運(yùn)輸系統(tǒng)是人們?nèi)粘Ｉ睢⑵笫聵I(yè)等正常運(yùn)轉(zhuǎn)及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的必不可少的基本條件。然而，目前我國(guó)各大城市都被交通擁堵問(wèn)題所困擾，究其直接原因大致可以歸納為以下兩點(diǎn)：一方面，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得人們出行需求顯著增加，現(xiàn)有交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)已不能夠滿(mǎn)足這些交通需求；另一方面則是交通設(shè)施設(shè)置不合理，交通管理措施不能夠適應(yīng)現(xiàn)代交通的發(fā)展等?！　〗鼛啄陙?lái)，我國(guó)部分城市大規(guī)模、高強(qiáng)度、高標(biāo)準(zhǔn)的交通建設(shè)使交通狀況有所改善，但交通擁堵仍不時(shí)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(shè)計(jì)通行能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到，有些高架路變成了停車(chē)場(chǎng)，有的立交橋則多次重建。雖然從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)部分城市相繼從國(guó)外引進(jìn)了先進(jìn)的交通管理控制系統(tǒng)（如SCOOT、SCATS系統(tǒng)等），但由于國(guó)內(nèi)的混合交通流特性與國(guó)外的單純機(jī)動(dòng)車(chē)流特性差別很大，特別是在交叉路口混合交通流情況下，機(jī)動(dòng)車(chē)、自行車(chē)、行人相互干擾，致使通行能力嚴(yán)重下降，許多在國(guó)外行之有效的交通管理措施在我國(guó)并沒(méi)有收到預(yù)期的應(yīng)用效果，“水土不服”的問(wèn)題非常嚴(yán)重，具體表現(xiàn)在假設(shè)條件過(guò)于理想、處理手段過(guò)于簡(jiǎn)單，大多數(shù)規(guī)劃方案和控制系統(tǒng)存在機(jī)理不清、基礎(chǔ)不牢的內(nèi)在缺陷，因而難以從根本上達(dá)到緩解和預(yù)防城市交通擁堵的目的。這些問(wèn)題，究其學(xué)術(shù)上的原因，是對(duì)交通行為和交通流的內(nèi)在演化機(jī)理缺少深入研究?？梢?jiàn)，如果缺乏先進(jìn)的理論指導(dǎo)，單純依靠修建道路等交通設(shè)施和采用傳統(tǒng)的管理方式來(lái)解決城市交通問(wèn)題，不僅成本高昂、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染嚴(yán)重，且效果有限。為實(shí)現(xiàn)城市交通的暢通，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用了高科技投入與多學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜液献餮芯肯嘟Y(jié)合的辦法，設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理與其國(guó)情相適應(yīng)的科學(xué)的城市交通系統(tǒng)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，如何利用科學(xué)的手段來(lái)緩解和預(yù)防城市交通擁堵已是當(dāng)務(wù)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(jī)理，只有這樣，才有可能實(shí)現(xiàn)從“治標(biāo)”到“治本”的轉(zhuǎn)化，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供基本保障。因此，對(duì)交通流理論的研究就必不可少。

內(nèi)容概要

本書(shū)在介紹元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)理論和交通流理論的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地闡述了元胞自動(dòng)機(jī)模型在交通系統(tǒng)建模與模擬中的應(yīng)用。    本書(shū)在理論研究方面不僅可以對(duì)解決當(dāng)前我國(guó)城市交通問(wèn)題提供一定的理論支持，而且可為廣大工程技術(shù)人員對(duì)交通流的建模與分析提供參考。    本書(shū)可作為高等院校交通運(yùn)輸工程等專(zhuān)業(yè)的研究生教材和高年級(jí)本科生選修教材，也可供從事交通流理論及其相關(guān)研究的科技工作者及交通軟件開(kāi)發(fā)人員參考。

書(shū)籍目錄

前言上篇：元胞自動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)  第一章 緒論    1.1 元胞自動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)要發(fā)展歷程    1.2 元胞自動(dòng)機(jī)的應(yīng)用概述  第二章 元胞自動(dòng)機(jī)的定義、構(gòu)成和特征    2.1 元胞自動(dòng)機(jī)的定義    2.2 元胞自動(dòng)機(jī)的構(gòu)成    2.3 元胞自動(dòng)機(jī)的特征  第三章 經(jīng)典的元胞自動(dòng)機(jī)模型    3.1 Conway和他的“生命游戲”    3.2 Wolfram和他的初等元胞自動(dòng)機(jī)    3.3 能自我復(fù)制的元胞自動(dòng)機(jī)    3.4 Langton螞蟻    3.5 格子氣自動(dòng)機(jī)    3.6 研究顆粒流的元胞自動(dòng)機(jī)  第四章 元胞自動(dòng)機(jī)的分類(lèi)    4.1 基于維數(shù)的元胞自動(dòng)機(jī)分類(lèi)    4.2 基于動(dòng)力學(xué)行為的元胞自動(dòng)機(jī)分類(lèi)下篇：元胞自動(dòng)機(jī)在交通領(lǐng)域中的應(yīng)用  第五章 道路交通流理論簡(jiǎn)介    5.1 道路交通流理論研究的意義    5.2 常用的變量及測(cè)量方法    5.3 基本的交通實(shí)測(cè)現(xiàn)象與特征    5.4 交通流理論模型分類(lèi)  第六章 道路交通流中的元胞自動(dòng)機(jī)模型    6.1 單車(chē)道元胞自動(dòng)機(jī)模型    6.2 多車(chē)道元胞自動(dòng)機(jī)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(jī)模型  第七章 元胞自動(dòng)機(jī)模型在道路交通瓶頸研究中的應(yīng)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(dòng)機(jī)模型  第九章 其他交通系統(tǒng)中的元胞自動(dòng)機(jī)模型  第十章 元胞自動(dòng)機(jī)模型、交通流狀態(tài)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)  附錄一 交通流理論模型簡(jiǎn)介與對(duì)比  附錄二 TRANSIMS系統(tǒng)簡(jiǎn)介及案例后記參考文獻(xiàn)本書(shū)部分彩圖

章節(jié)摘錄

　　§2.1.2 元胞自動(dòng)機(jī)的定義　　盡管元胞自動(dòng)機(jī)有著較為寬松，甚至近乎模糊的構(gòu)成條件，但作為一個(gè)數(shù)理模型，元胞自動(dòng)機(jī)有著嚴(yán)格的科學(xué)定義。同時(shí)，元胞自動(dòng)機(jī)是一個(gè)地地道道的“混血兒”，是物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和生物學(xué)家共同工作的結(jié)晶。因此，對(duì)元胞自動(dòng)機(jī)的含義也存在不同的解釋?zhuān)锢韺W(xué)家將其視為離散的、無(wú)窮維的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)；數(shù)學(xué)家將其視為描述連續(xù)現(xiàn)象的偏微分方程的對(duì)立體，是一個(gè)時(shí)空離散的數(shù)學(xué)模型；計(jì)算機(jī)科學(xué)家將其視為新興的人工智能、人工生命的分支；而生物學(xué)家則將其視為生命現(xiàn)象的一種抽象。下面給出幾種常見(jiàn)的定義?！　　?.1.2.1 物理學(xué)定義　　元胞自動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是定義在一個(gè)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(shí)間維度上演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)?！　≡谠詣?dòng)機(jī)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(gè)單元都稱(chēng)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(jìn)行更新。大量的元胞通過(guò)簡(jiǎn)單的相互作用而構(gòu)成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化。不同于一般的動(dòng)力學(xué)模型，元胞自動(dòng)機(jī)不是由嚴(yán)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(gòu)成。元胞自動(dòng)機(jī)相當(dāng)于傳統(tǒng)物理學(xué)中近距離作用的“場(chǎng)”，是“場(chǎng)”的離散化模型。

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