基于元胞自动机模型对小区开放道路通行的影响研究

李浩东 安高佳 陈嘉健

摘要 选取单位时间通行流量、道路网密度、连接度指数、单位时间车辆冲突次数、车辆延误时间五个指标，然后将车辆看成元胞，根据车辆所在位置制定演化规则，构造基于元胞自动机的车辆通行模型。首先将车辆面对的道路结构划分为直行、十字型和T型道路3种情况分别讨论，按照NS模型中的加速、减速和随机慢化规则分析不同司机的行车情况，以此来更新元胞的不同位置，通过仿真模拟得到车辆行驶的过程，以此分析出小区开放后周边道路通行的交通情况。

关键字 通行流量 道路类型 元胞自动机

1引言

首先建立关于车辆通行的数学模型，利用选用的指标研究小区开放后对周边道路通行的影响。不同位置类型的小区，小区的大小、周边的道路结构、车流量不同，开放前后对周边道路通行的影响也是不同的，应用建立的模型，定量比较各类型小区开放前后对道路通行的影响。

2 基于元胞自动机的车辆通行模型的建立与求解

小区开放后，车辆在在周边道路上可能会面对3种不同的道路情况，道路情况不同行车状况也不同，即直行道路、十字路口、T型道路。

小区开放后，开放程度不同，行车过程中司机的目的地不同，行车状况就会不同，故我们分三种车辆行车情况讨论。

根据十字路口的行车情况，我们选用二维空间元胞自动机进行仿真模拟，在二维空间上，所有元胞分布在按欧几里德平面规则划分的网格格子上，选用按照方格划分的网格，即正方形网格。

把一个空间划分成网络，每一个点表示一个元胞，给它们的状态赋值，在网格中用颜色的变化来表示，在事先设定的规则下，元胞的演化就用网格颜色的变化来描述，这样的模型就是元胞自动机。通过对元胞自动机这些网络中的格点的不同定义，以及初始条件的不同，可以模拟出不同的现象和过程。

根据元胞自动机的规则，将小区开放后的周边道路看作大量的格子，车辆看作为元胞，构建的元胞自动机模型的规则如下：

元胞的状态在时刻的状态只直接决定于时刻的元胞及其邻居的状态。只需考虑前方邻居即可。元胞的前進规则：三种道路需要分三种情况，直行路口，当前面的一个网格没有车时，元胞可以前进，否则不能前进;T型路口，向左向右的概率分别为0.5;十字路口，三个方向，各为0.333的概率行走;

元胞的更新规则：利用NS元胞自动机模型的加速规则、减速规则、随机慢化规则更新;当元胞到二维网格边界，即为交叉路口时，将其从二维网格上剔除。

（4）对元胞的状态进行更新：

利用加速规则加速，加速条件为

利用减速规则减速，减速条件判断规则为

是某一辆车与前面一辆车的空格数;

利用随机慢化规则减速，如果车辆的速度大于0，则以概率减为1，否则不变，判断条件及规则为：

则车辆的更新规则为：

（5）当循环达到时，算法结束。

根据上述规则进行模拟仿真得到实际的数据，并利用实际的数据得到单位时间通行流量、道路网密度、连接度指数、单位时间车辆冲突次数、车辆延误时间五个二级指标的值。

3 结论

建立数学模型可以看出，在闹市区小区未开放道路之前，车流量十分密集，在相当大的程度上会造成交通堵塞，人流量及车流量密集之处会发生交通事故的风险也极高。通过小区开放道路后的各项指标数据对比可知明显有效缓解了交通问题;而非闹市区小区相对来说人流量车流量并不大，通过指标数据对比可以看出并无明显差别，因此可以根据实际情况考虑未来是否开放非闹事区小区的道路。

4 参考文献

[1]张彭豪， 徐延海. 基于NS元胞自动机车辆通行对小区开放周边道路的分析[J]. 山东商业职业技术学院学报， 2016， 16（6）：105-108.

[2]孙跃，余嘉，胡友强等.基于元胞自动机原理的微观交通仿真模型[J].重庆大学学报（自然科学版），2005，28（05）：86-89.

[3]关珊，朱家明，关赵阳等.小区开放对道路通行影响的分析[J].阜阳师范学院学报（自然科学版），2017，34（1）：27-32.

1.华北理工大学 建筑工程学院 河北唐山 063210

2.华北理工大学 艺术学院 河北唐山 063210

3.华北理工大学 化学工程学院 河北 唐山 063210