基于元胞自动机的公交站对信号交叉口影响的建模仿真

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随着城市化进程的急速发展,机动车的保有量激增,城市的交通压力日益严峻。交叉口的道路互相连接构成路网,往往交叉口的交通通行状况直接影响到整个路网的通行效率。而影响信号交叉口的通行状况的因素有很多,在信号交叉口附近如何设置公交停靠站是其中一个重要影响因素。一般来说,公交停靠站设置在信号交叉口下游。由于在信号交叉口上游的车辆会受红绿灯的影响,排队车辆向后传播至公交停靠站,使得社会车辆在进入信号交叉口前可能出现两次停车,并且在交通流量较大时,有可能导致公交车不能及时出站。因此对于设置在信号交叉口上游的公交停靠站的研究意义重大。此外信号交叉口的信号灯配时方案同样是影响信号交叉口通行效率的另一重要因素,与公交停靠站的设置对整个信号交叉口道路通行效率产生叠加影响。因此不合理的公交停靠站的位置设置与及信号灯配时方案会导致交通拥堵。  本文基于元胞自动机为理论基础,以直线式公交停靠站为研究对象,建立含有直线式公交停靠站和信号交叉口影响的多车道多路段模型,即十字交叉路口的上下游路段设置直线式公交停靠站的模型,进而构建含有直线式公交停靠站的十字交叉路口模型。通过MATLAB对模型进行仿真,探讨信号交叉口上下游公交停靠站设置及信号灯配时方案对交叉口附近车辆的通行效率的影响。具体要解决的问题包括以下几个方面:  (1)以元胞自动机的交通流模型为理论基础,建立能够反映交通流特性的基本参数以及道路上车辆的通行效率的评价体系,从而通过模型的仿真实验为改善道路拥堵提供有效依据。  (2)采用元胞自动机构建信号交叉口上下游路段设置直线式公交停靠站的交通流模型。根据公交停靠站以及信号交叉口的影响,在细化车辆换道行为的同时,加入速度效应模型,得出一套考虑速度效应的换道规则。并且考虑刹车灯的影响,用改进的MCD模型取代NaSch模型,使得模型更加接近现实。模型中只考虑三种车型,小汽车,公交车和大型车,需要考虑左转、直行和直右车道,即加入车辆转向需求。对建立的模型用MATLAB进行仿真,基于已有的评价体系分析公交站的设置以及信号灯配时等因素对信号交叉口的影响。在上下游停靠站距离交叉口距离越近,道路上的车辆通行效率会越低;当交通流量较大的时候,信号交叉口附近公交停靠站设置对交叉口附近车辆通行效率影响会大大减弱;在交通流量较大的路口,一般把公交停靠站设置在交叉口下游位置较为合适。通过观察各个路口的拥堵情况,在车流量相对较大的路口适当增加绿灯时长,调整信号灯的配时方案,从而更好地提高车辆的通行效率,进一步地缓解道路上的交通拥堵的现象。  (3)基于上述建立的信号交叉口上下游直线式公交停靠模型,建立十字交叉路口的上下游区域含有公交停靠站的十字交叉路口模型,模型中所有车辆在交叉路口的交织区均以较小的速度行驶,右转车辆和左转车辆设置特殊的行驶规则。最终得出一个通用的,接近实际的十字信号交叉口模型。该模型对一般的十字信号交叉口有一定适用性。由前面得出的相关结论可知,依据不同路口的交通流量大小,对该十字交叉路口的信号灯配时以及公交站站点设置提供理论依据,最终给出十字信号交叉口附近的公交停靠站合理的站点设置以及信号灯配时的方案。  (4)选取汕头市潮汕路-金湖路十字交叉路口的上下游附近的直线式公交停靠站为研究对象,实地考察收集相关数据,包括该交叉路口各方向的交通流量、公交车比例、车辆的转向比例、车辆类型的比例以及信号灯的配时方案等反映交通流特性的数据进行收集。采用MATLAB对上述模型进行仿真模拟。根据前文已有的研究给出合理的信号灯配时方案以及公交站设置,对比改进前后该十字交叉路口的通行效率。结果表明,在该十字交叉路口的高峰期时段,改进后的模型能够提升该路口车辆的通行效率,在一定程度上缓解道路上的交通拥堵现象。
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