公交车运行过程的元胞自动机建模与分析(下……

讲师风采
贾斌
讲师简介:
贾斌,北京交通大学交通运输学院副教授。1997年毕业于内蒙古科技大学获学士学位,2003年毕业于中国科技技术大学,获流体力学专业博士学位,2004年起在北京交通大学任教。主要研究领域是交通流理论和复杂……
视频简介:
不同于一般的动力学模型,元胞自动机不是由严格定义的物理方程或函数确定,而是用一系列模型构造的规则构成。凡是满足这些规则的模型都可以算作是元胞自动机模型。因此,元胞自动机是一类模型的总称,或者说是一个方法框架。其特点是时间、空间、状态都离散,每个变量只取有限多个状态,且其状态改变的规则在时间和空间上都是局部的。
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  好,下面看一下相关的结果。第一个就是系统的相图:做这个图是费了很大的功夫,因为要做大量的数值模拟过程,并且还要看它的施工状态,每种条件下的施工状态,然后根据它们的施工状态我们把这个图标出来。需要说明的是什么呢?这里有四个区,每个区的界限并不是严格的,并不是特别严格的。这里相图空间是什么呢?也就是T,也就是发车的时间间隔,这个就是N,一分钟内到达的人数。我们通过分析发现,分析它的时空特征发现这个相图可以分成四个区。 第一个区是一致状态区:第二个区是运力不足区:第三个区是公交集簇区,会发生公交的集簇现象,我们常坐公交的人都会知道。公交车要么不来,要么一来来一串,公交车它都挨在一块了,我们称这种现象为集簇现象。第四个是严重的拥堵区。下面我们分别来看一下各个区的特征。 图三是分别对应于四个相区的典型施工图。这个它是车和车之间分布非常均匀的,状态也是比较一致的,这是相区一的,这是相区二的,相区二的和相区一看起来区别不太大,后面我们会看它的典型区别是什么。这个地方有一些弯曲,这个区是相区三的一个施工图。忘了说什么是施工图了,施工图的横坐标是空间,纵坐标是时间,就看车辆随着时间的演化它在空间是怎么运行的。这个我们可以看到已经发生了公交车的集速现象,这个线就挤到一块儿了。这个是对应相区四,存在了严重拥堵区。 这是相区一,针对相区一的条件我们对站点失误上,中间那个站点它的乘客,中间的氧化过程做了这样一个氧化图,可以看到人数在非常小的范围内波动,没有大的波动,其实其他站点都是一样的,我们只是取这个站点为例。 在相区1中公交车的运行轨迹是一致均匀的,这个主要是由于单位时间内到达的乘客数量少引起的。到达的人数少,后面公交车来了以后马上就把他拉走了,在站点上基本上不耽误什么时间。 在该区内每个站点上等待乘客的人数不会随着时间的推进而不断增加,只是在一个比较小的数值范围内进行波动,就是刚才我们看的那个图。公交车到达站点时停靠时间短,发车的时间间隔也不是特别短,这就使得公交车的运行轨迹是非常一致的,彼此之间拉开一定的距离,但又不会产生集簇现象。 下面我们看相区2。上一个图的时候是相区1的站点上乘客人数的变化和时间的演化。这个图是在相区2,站点3、4、5以及15上乘客人数随着时间的演化过程。我们可以看到在3、4的时候这个乘客人数变化基本上就是一个波动,但是到了5以后这个乘客的等待人数就会随着时间的演化不断地增加,这就代表了什么呢?它的运力不足。而公交车的运力只能满足前几个站点的需求,因为刚刚发车车上比较空,前几个站点以后后面的它每次都不会把乘客的人数全部拉走了,这就导致乘客的人数是不断的增加,我们把这个区域叫做运力不足区。 再来看一下相区3,这个和相区1以及相区2正好是鉴于二者之间的,可以看到乘客等待人数没有乘客等待人数,并且它的波动范围又比相区1要大得多。这个公交线路上所有公交站点的乘客人数随时间呈现波动变化,不会出现后端乘客人数无限制地上升的这样一个局面。 同时我们可以看到在相区3中在线路的前段,这个公交车的分布还是比较均匀的,这是因为受到了发车间隔的影响,它是定期发车,定期发车它前几个站点运力是够的,所以说基本上是比较均匀的,只是到了后期逐渐产生了集簇现象,咱们坐公交车也能够体会到,如果是在始发站,离始发站非常近的时候基本上公交车还是比较准点的。到后期出现了类似于周期变形中的集簇现象,这个集簇现象又无法发展成纯粹的集簇,因为用的是开口边界,开口边界它道路的长度是受限的,演化到一定程度就截止了。右边这个图是周期性边界的一个模拟图,可以看到这个集簇非常地明显。每个集簇前面都有一个空白距离,要来车就来一堆,要么就不来。 这是相区3,乘客等待时间的一个变化关系。可以看到前期基本上等待时间是差不多的,到了后面这些站点乘客的等待时间是逐渐上升的,这主要是什么呢?由于后段产生的公交集簇而造成的。 再来看一下相区4,相区4呈现出大面积的拥堵、集簇状态以及运力不足状态,它是三种状态共存的。因为拥堵区域公交车的利用率非常低,在拥堵区前几辆车是满载的,到后面几辆车基本是空着的,所以说它公交车的运力根本得不到有效的利用,这就使得下游反而是运力不足了。这就导致公交车停靠站的乘客人数是不断增加的。这里需要说明的是什么呢?4区是由3区演化来的,两个区之间没有绝对的界限,并且这种情况在实际交通中非常少,因为它模拟条件是一种极限条件,在现实中基本上很少见,就不做过多的探讨。   下面我们再来分析一下公交车的平均速度和利用率。V代表的是平均速度,是对所有在∑时间内所有公交车平均速度的一个均值。这个是公交车的利用率,比如说载客人数÷它的承载能力,这也是一个取的平均。这里需要注意的是它是

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