基于NS元胞自动机车辆通行对小区开放周边道路的分析

张彭豪，徐延海

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)



基于NS元胞自动机车辆通行对小区开放周边道路的分析

张彭豪，徐延海

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)

小区开放会对道路周边的车辆通行造成很大的影响，对开放小区前后，周边道路的影响进行了讨论，开放小区会导致周边道路上车流量减小，以及行驶车辆的最大速度降低。再根据分析建立元胞自动机模型进行仿真，利用MATLAB编程软件分别求解出小区开放前后车流量和最大速度的模拟时空图和流量密度图。通过比较所得图像，最后得出：开放小区会使周边道路交通阻塞的时间减小，缓解周边道路的通行压力。

小区开放；最大速度；车流量； NS元胞自动机；MATLAB软件

引 言

随着科技发展和社会的进步，小区的建设也列为发展要务，因此国家提出了推广街区制的意见，原则上不再建设封闭式小区，已建成的小区要逐步开放，而小区的开放对车辆的速度和车流量有着很明显的影响。

本文采用定量的分析，利用MATLAB仿真与元胞自动机(CA)模型对车辆速度和车流量进行研究，找出产生的影响，为分析小区开放车辆的速度和密度提供依据。

1 NS元胞自动机模型

由于在道路车辆通行过程中，车流密度能较好地反映道路上车辆的集中程度，而交通量对车流密度有很大影响，所以建立元胞自动机模型，可定量地比较不同车速和车流量间交通量和车流密度的关系。

元胞自动机是由空间上各向同性的一系列元胞组成，用于模拟和分析几何空间内的各种现象。其中NS模型为一维的CA模型，在NS模型中，道路是被划分成离散的元胞，每个元胞可能是空的，也可能被一辆车占有，每辆车的速度可以取为0、1、2Vmax。该NS模型的建立需要满足如下四种运行规则：

a)加速过程：vn→min(vn+1,vmax)

b)安全刹车过程：vn→min(vn,dn-1) (dn=xn+1-xn-L)

c)随机慢化过程：vn→max(vn-1,0)

d)位置更新：xn→xn+vn

2元胞自动机模型的求解与分析

通过对元胞自动机模型的分析，可以发现小区开放会直接影响到周边道路行驶车辆的最大速度以及周边主要道路的车流量，然后根据对这两项指标的研究及仿真实验，可以间接性地研究小区开放对周边道路所产生的影响。

1.1对最大速度的研究

当某个住宅小区开发，该小区将会作为周边道路的“中枢站”，进入该小区的车辆，将选择一个小区出口驶出，从而驶入该小区周围的主要道路，因此，不可避免地会出现车流的交汇，并道。而在此过程中，并道双方的车辆，将会在该条道路上提前减速，低速行驶，保证行车的安全。据此，利用元胞自动机模型，对其进行求解分析。利用matlab编程软件编程，可以得出该模型的运行界面如图1所示。

图1 元胞自动机模型运行图

图2 模拟车辆道路运行图

如图1所示，该直线为模拟出来的单车道路图形，该道路上的白点表示车辆，黑点表示元胞。

将附录一中的数据带入matlab编程软件中分别求解出小区开放后车速为5和小区开放前车速为12情况下的模拟时空图和流量密度图，如图2所示。

图3 不同车速下的元胞自动机的模拟时空和流量密度图

图3中，(a)、(b)图分别表示车速为5时，道路中车辆的模拟时空图和流量密度图。同理，(c)、(d)分别表示车速为12时，道路中车辆的模拟时空图和流量密度图。对比图(a)、(c)表明，汽车最大车速会对车辆时空位置造成较大影响，车速为12时，车道上出现了明显的周期性阻塞和周期性空当；当车速为5时，周期性阻塞出现次数及持续时间均下降。对比图(b)、(d)，发现二者的车流量在密度为0.18处都出现了明显的下降趋势。因此，可以得知，车辆的最大速度会对小区周边道路的通行产生明显的影响。由此，可以得出小区开放会在一定程度上，缓解周边道路的交通压力。

1.2对周边道路车流量的研究

假设在小区一定距离范围内的汽车数量是稳定的情况下，考虑到小区开放后，小区周边主路上进出小区的交叉路口也会相应地增多，那么在小区周边道路上行驶的车辆会有一定的减少。由此，可以根据周围主道路上车辆减少情况，间接地来对小区开放对周边道路造成的影响进行研究。

利用元胞自动机模型，通过matlab编程软件模拟小区开放前的汽车数量为200和小区开放后的汽车数量为300的两种模型，并对两者的模拟时空图和流量密度图进行分析，如图4所示。

图4 不同汽车数量下的元胞自动机的模拟时空和流量密度图

图4中，(a)、(b)图分别表示主道路上车流量为200时，道路中车辆的模拟时空图和流量密度图。同理，(c)、(d)分别主道路上车流量为300时，道路中车辆的模拟时空图和流量密度图。对比图(a)、(c)表明，汽车的车流量会对车辆时空位置造成较大影响，在相同的空间位置上，(c)图相比于(a)图的周期性阻塞周期明显较短，阻塞时间明显较长。对比图(b)、(d)，发现(b)图在密度为0.18时达到流量峰值之后开始下降，(d)图在密度为0.09时，车流量就开始下降，可以得出车流量会对道路的通行造成明显的影响。因此，可以得知，道路上的汽车数量会对小区周边道路的通行产生明显的影响。

3结论

本文通过采用元胞自动机的模型以及matlab软件对车辆的车速以及车流量的研究，取得的主要结论如下：

(1)车速越高，造成周边道路交通阻塞的时间增加，周期变短；

(2)车流量越大，造成周边道路交通阻塞的时间增加，周期变短；

(3)对车辆的最大速度和车流量的研究结果表明，可以推测出小区开放会在一定程度上，有利于缓解周边道路的交通压力。

[1]祝付玲.城市道路交通拥堵评价指标体系研究[D].东南大学,2006.

[2]李向朋.城市交通拥堵对策——封闭型小区交通开放研究[D].长沙理工大学,2014.

[3]裴玉龙,丁千峰.考虑封闭小区内道路使用的路网评价研究[C].建设节约型城市交通系统(上)，2005:231-236.

[4]王天翼,王武宏,蒋晓蓓. 基于车辆变道行为与排队论的交叉口进口道优化设计[J]. 道路交通与安全,2014(6):42-45.

[5] 赵韩涛，王宏燕.有应急车辆影响的多车道交通流元胞自动机模型[N].物理学报，2013，62.

[6] 王素欣，王雷震，高利，崔小光，陈雪梅.BPR路阻函数的改进研究[J].武汉理工大学，2009(6)：446-449.

[7] 郑英力，翟润平，马社强.交通流元胞自动机模型综述[J].公路交通科技，2006(1)：110-115.

[8]http://wenku.baidu.com/link?url=VD8Tl3VqlPRrG1BCZr-

mNMIitInh0EFAbRPN-gdwH0oNYFm2TJmtD8KgIAv_Hkx-

LM8bIlhAke0A93O32578e2sJZFO2hzNVO6S7XKqDa1keC.

[9] 张博，赵慧英.元胞自动机交通流NS模型的参数关联研究[J].昆明理工大学，2016：45-51.

[10]张兴强.道路工程[M].北京：北京交通大学出版社，2009.12.

(责任编辑：孙强)

Based on the NSCellular Automata Traffic Analysis of the Nearby Community Open Road

ZHANG Penghao，XU Yanhai

(School of Automobile & Transportation, Xihua University, Chengdu, Sichuan 610039, China)

Community open to the road traffic will cause great influence. In this paper, the open before, during and after the community surrounding roads are discussed. The influence of the open area can lead to the surrounding road traffic is reduced, and the maximum speed of vehicle is reduced. Simulation according to the analysis of cellular automaton model is established, using MATLAB software, respectively, to solve the area before and after the opening traffic and the maximum speed of analog space-time diagram and the flow density diagram. By comparing the image, and finally it is concluded that open village, will reduce surrounding roads traffic time, alleviate traffic pressure of surrounding roads.

community open; maximum speed; traffic flow; NS cellular automata; MATLAB software

2016-10-27

张彭豪(1995- )，男，四川德阳人，车辆工程专业2014级本科生。

TB126

A

1671-4385(2016)06-0105-04