基于MATLAB的交通流計(jì)算機(jī)模擬

1、基于MATLAB的交通流計(jì)算機(jī)模擬摘要：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和各類出行，環(huán)境及社會(huì)的發(fā)展預(yù)測，對(duì)六車道的橋面的的交通流進(jìn)行預(yù)測模擬，并實(shí)現(xiàn)其可視化，直觀地了解未來橋面的車流模式，為評(píng)估和修正設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。本作品利用MATLAB軟件方便的技術(shù)方法來實(shí)現(xiàn)交通流的模擬和可視化，具有較強(qiáng)的可讀性和可控制性。 1 引言計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)作為一門獨(dú)立的學(xué)科始于20世紀(jì)40年代。70年代以來，隨著系統(tǒng)科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，模擬技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用幾乎所有的學(xué)科。在交通運(yùn)輸系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)營分析等方面的應(yīng)用更是得到了長足發(fā)展，并在交通運(yùn)輸工程學(xué)科中形成了交通模擬這一嶄新的領(lǐng)域。交通模擬技術(shù)在分析

2、、評(píng)價(jià)公路運(yùn)輸系統(tǒng)及其構(gòu)成單元中起主要角色。它們通常與其他諸如供給-需求分析、通行能力分析、交通流模擬、跟車?yán)碚?、波?dòng)理論等分析方法相結(jié)合來構(gòu)造復(fù)雜的公路交通子系統(tǒng)，或一些子系統(tǒng)經(jīng)過相互作用而組成的大系統(tǒng)的模擬框架。這些子系統(tǒng)可以是單個(gè)的信號(hào)交叉口、無信號(hào)交叉口、居民區(qū)或商業(yè)中心區(qū)的交通密集路網(wǎng)、線控或網(wǎng)控信號(hào)系統(tǒng)、高速公路、鄉(xiāng)村雙車道公路或多車道公路系統(tǒng)。到現(xiàn)在為止，可以說交通問題的研究已經(jīng)有三種方法經(jīng)驗(yàn)實(shí)測方法、理論分析方法、計(jì)算機(jī)模擬方法。最常用的方法是經(jīng)驗(yàn)實(shí)測法。實(shí)測法的最大優(yōu)點(diǎn)是基本數(shù)據(jù)都來源于實(shí)際現(xiàn)場，有限大的可信度，不需要什么假設(shè)條件。但是，其弱點(diǎn)是對(duì)于個(gè)別因素的影響情況很難確定

3、。理論分析法，總是要采取一些基本假設(shè)，這些假設(shè)受理論研究者水平的限制有些可能不正確，必定或多或少地與實(shí)際有些偏差。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于個(gè)別因素的影響有明確的數(shù)量關(guān)系表示。計(jì)算機(jī)模擬則間有以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，由于計(jì)算機(jī)模擬模型是理論推演，抽象出來的，而一些基本數(shù)據(jù)則是來自現(xiàn)場實(shí)測，而且利用計(jì)算機(jī)模擬方法能產(chǎn)生很多像實(shí)測法那樣得到的交通數(shù)據(jù)。MATLAB 是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，擁有友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境，簡單易用的程序語言，強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力，出色的圖形處理功能，應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱，實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)等諸多優(yōu)點(diǎn)，方便交通

4、流模擬的實(shí)現(xiàn)和可視化，大大減輕程序語言的復(fù)雜程度。2 六車道交通流的運(yùn)行模型建立交通流模型的根本目的是要以足夠的精度來再現(xiàn)客觀的交通現(xiàn)象，在進(jìn)行交通流的微觀模擬的過程中，根據(jù)交通流分布的一般規(guī)律、交通調(diào)查和基本經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，全面構(gòu)造車輛的到達(dá)，車流分布，車輛類型，車速，在路段上自由行駛，跟馳等。這里的交通模型主要包括兩部分：一是車輛的產(chǎn)生模型；二是車輛的行駛模型。車輛產(chǎn)生模型就是車輛的輸入部分，作用與被模擬路段的起始斷面上，它依依靠隨機(jī)技術(shù)產(chǎn)生符合給定參數(shù)的泊松分布，向系統(tǒng)提供初值，并以經(jīng)驗(yàn)概率分布于六個(gè)不同的車道。車輛的行駛模型即是反應(yīng)車輛在路段上行駛狀態(tài)變化的模型，本文根據(jù)交通調(diào)查得出的一般

5、車流車輛類型的分布將車輛分為十一種類型，前六種為固定車重的車輛，以各自不等的概率出現(xiàn)在模擬路段的車道上；后六種車是變載的車輛，將其分為空車和滿載兩種情況（不計(jì)車輛半載情況），并以不同的概率出現(xiàn)。車速根據(jù)交通調(diào)查所得的各類型的車輛的平均車速，并允許其隨機(jī)產(chǎn)生上下數(shù)值為的震蕩，這里我們?nèi)?.1。2.1 模擬基本參數(shù)確定橋面長度（米）-bridgeLength=1080*2=2160；橋面寬度（米）-bridgeWidth=33；模擬總時(shí)間（秒）-T=3*7*24*60*60s基準(zhǔn)汽車長度（米）-vehicleLength=2.5;基準(zhǔn)汽車寬度（米）-vehicleWidth=1.8;車道寬度（米

6、）-laneWidth=3.75;車道數(shù)量-laneNumber=6;時(shí)間步長（秒）-dt=1s各車型平均車速 (m/s) ：vave(1)=91.38/3.6; vave(2)=77.08/3.6;vave(3)=77.08/3.6; vave(4)=74.34/3.6;vave(5)=74.34/3.6; vave(6)=63.06/3.6;vave(7)=63.06/3.6; vave(8)=63.39/3.6;vave(9)=51.49/3.6; vave(10)=53.98/3.6;vave(11)=43.31/3.6;2.2 車輛的隨機(jī)產(chǎn)生本文的隨機(jī)車輛產(chǎn)生是依據(jù)泊松分布原理的斷面

7、發(fā)車模型。車輛進(jìn)入模擬路段是個(gè)隨機(jī)性事件，因此，可將其轉(zhuǎn)化為進(jìn)入模擬路段的車輛之間的間隔時(shí)間視為隨機(jī)量。根據(jù)車輛進(jìn)入模擬路段本身的特點(diǎn)，從理論上應(yīng)滿足下列條件：1)在不相重疊的時(shí)間區(qū)間內(nèi)車輛的產(chǎn)生是互相獨(dú)立的，即無后效性；2)對(duì)充分小的 t，在時(shí)問區(qū)間t，t+ t內(nèi)有一輛車產(chǎn)生的概率與t無關(guān)，而與區(qū)間長度 t成正比，即車輛的產(chǎn)生具有平穩(wěn)性；3)對(duì)于充分小的 t，在時(shí)間區(qū)間t，t+ t內(nèi)一條車道上有2輛或2輛以上車輛產(chǎn)生的概率極小，即具有普遍性。P(k)=（t）ke-tk!其中: P（k）-表示在計(jì)數(shù)間隔t內(nèi)到達(dá)k輛車或k個(gè)人的概率； -表示單位時(shí)間間隔的平均到達(dá)率（輛/s或人/s）；t-為每個(gè)

8、計(jì)數(shù)間隔持續(xù)的時(shí)間或距離。文中應(yīng)用MATLAB中工具函數(shù)poissrnd（）產(chǎn)生一組隨機(jī)數(shù)，有效地描述了車輛在個(gè)車道產(chǎn)生的概率。以下為通過matlab產(chǎn)生新車流的代碼（以第一類車輛為例，只列出局部）；%-create new vehicle- sn=poissrnd(2*flux*deltat/3600); for m=1:sn %- typernd=unifrnd(0,1); if typernd=0.4822 type=1; lanernd=unifrnd(0,1); if lanernd0.5068 & lanernd=0.8546 laneArr=2,5; lanenum=laneAr

9、r(ceil(unifrnd(0,2); else laneArr=1,6; lanenum=laneArr(ceil(unifrnd(0,2); end end車流在個(gè)車道的分配第類車在第車道出現(xiàn)的概率 表示隨機(jī)產(chǎn)生的車流中第類車出現(xiàn)的概率車速的確定本模型中的車速數(shù)據(jù)來自交通調(diào)查所得的平均車速，以m/s計(jì)，用vave(i)=Vi/3.6來轉(zhuǎn)化，i表示車輛類型，Vi為交通調(diào)查所得車速。為了更加真實(shí)地模擬交通流的車速，我們?cè)试S車速在一定范圍內(nèi)震蕩，取震蕩系數(shù)=0.1即： vave(VT)*(1+unifrnd(-0.1,0.1)車長的確定以車輛類型1的車長為基準(zhǔn)車長，車寬，車長為2.5m，車寬1

10、.8m，其他各種類型的車長用基準(zhǔn)車長乘以一個(gè)各自的系數(shù)，得出各種車型的尺寸。即：K（i）= C*K（1）C=Ci=1，1.32，1.88，2.4，1.32，1.6，2.2，3.4，4.8，5.4，5.2車重的確定根據(jù)交通調(diào)查結(jié)果和理論分析，前六種車型為恒定車重車型，車重服從一定參數(shù)的正態(tài)分布，后五種車型為變車重車型，空車和載重分別以不同的概率出現(xiàn)。即：w( 9)=normrnd(14.85,3.);elsew( 9)=normrnd(28.71,5.);endwc(10)=unifrnd(0,1);if wc(10)=0.42375 w(10)=normrnd(17.22,2.);else w

11、(10)=normrnd(38.07,15.17451);end%-wc(11)=unifrnd(0,1);if wc(11)=0.42375 w(11)=normrnd(17.22,2.);else w(11)=normrnd(38.07,15.17451);endw( 1)=normrnd(1.525,0.279);w( 2)=normrnd(2.604,1.219);w( 3)=normrnd(9.098,1.770);w( 4)=normrnd(11.497,2.735);w( 5)=normrnd(4.147,1.681);w( 6)=lognrnd(2.,0.);wc(7)=uni

12、frnd(0,1);if wc(7)=0.66377 w( 7)=normrnd(14.85,3.);else w( 7)=normrnd(28.71,5.);endwc(8)=unifrnd(0,1);if wc(8)=0.66377 w( 8)=normrnd(14.85,3.);else w( 8)=normrnd(28.71,5.);endwc(9)=unifrnd(0,1);if wc(9)=0.663772.3 車流運(yùn)行的動(dòng)態(tài)模擬運(yùn)用matlab的繪圖功能實(shí)現(xiàn)交通流的可視化動(dòng)態(tài)模擬（程序如附錄）。運(yùn)行結(jié)果如下：運(yùn)行初（如圖一），運(yùn)行中（如圖二），運(yùn)行完畢（如圖三）。 圖一 圖二 圖三2.4 模擬結(jié)果和討論通過該模擬的運(yùn)行，可以直觀地看出在所設(shè)置的條件下的交通流分布和運(yùn)行情況，直觀地看出設(shè)計(jì)參數(shù)下的實(shí)際運(yùn)行效果，為改進(jìn)設(shè)計(jì)和參數(shù)提供依據(jù)，達(dá)到快速，安全。高效的實(shí)驗(yàn)效果。但是本作品還存在著一定的不足，如有些參數(shù)是特定設(shè)計(jì)的，跟多變實(shí)際情況會(huì)有一定的出入，在車流和車速的模擬中也進(jìn)行了一定的理想性簡化等。參考文獻(xiàn)：1、宇仁德，李大龍.基于元胞自動(dòng)機(jī)