1 2012-基于元胞自动机的交通流Matlab建模与仿真.pdf
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近年来，在快速城市化进程和经济发展的影响下，城市交通需求迅速增长，交通问题成为困扰许多大城市发展的通病，交通拥堵成为制约城市经济和社会发展的“瓶颈”，而且随着机动车数量的迅速增加而日趋严重，越来越引起国家和公众的密切关注。现代计算机技术的高速发展使得其成为各个领域的重要研究工具，运用计算机仿真技术已成为许多领域系统分析和设计的重要技术手段。
本文基于Matlab这种新型的高性能的语言，首先运用其中的动态系统仿真工具Simulink，针对连续系统的交通流模型进行了直观的仿真，克服了传统编程语言仿真的繁杂，难度高，周期长的缺点...展开
近年来，在快速城市化进程和经济发展的影响下，城市交通需求迅速增长，交通问题成为困扰许多大城市发展的通病，交通拥堵成为制约城市经济和社会发展的“瓶颈”，而且随着机动车数量的迅速增加而日趋严重，越来越引起国家和公众的密切关注。现代计算机技术的高速发展使得其成为各个领域的重要研究工具，运用计算机仿真技术已成为许多领域系统分析和设计的重要技术手段。
本文基于Matlab这种新型的高性能的语言，首先运用其中的动态系统仿真工具Simulink，针对连续系统的交通流模型进行了直观的仿真，克服了传统编程语言仿真的繁杂，难度高，周期长的缺点。然后针对交通量的急剧增加和交通流的日益复杂引起的信号交叉口处的交通拥堵这一问题，根据交通系统复杂性、随机性和难以用精确的数学模型来描述的特点，利用模糊离散事件系统(FDES)控制不需要建立精确的数学模型的优势，对四相位的交叉路口，提出基于车辆排队数量和平均延误时间的单点信号交叉口交通实时控制的FDES模型。以FDES的最优控制方法，设计了相应的控制策略，并用Matlab软件对模型进行仿真，仿真结果表明控制效果良好，其中主要研究内容如下：
1、在现有的研究基础上，改进了平均延误时间的计算方法，以当前排队车辆的平均延误时间作为衡量相位通行需求的指标之一，使得相位通行需求的计算更为合理。
2、以当前通行相位和后继相位的平均延误时间和排队数量作为状态，以未来一段时间内的相应预测值作为事件，建立了基于FDES的交叉口信号控制模型，设计了相位分配器和绿灯延时策略，运用Matlab对模型进行仿真，结果表明了该模型的有效性。
3、以绿灯时间为系统状态，车辆的到达和离去作为事件，建立FDES模型，最后对模型进行了仿真，通过仿真结果对交叉口通行能力进行了微观分析，结果表明了FDES对交通信号控制系统建模是适宜的，控制是有效的。此模型对于缓解城市交通拥堵有一定的现实意义。
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基于Matlab的交通流及交叉口信号控制的仿真研究
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和离散性, 以常规数学模型为基础建立的十字路口车流量预测算法在预测精度和实时性方面还存在不少问题, 这在一定程度上限制了智能交通系统管理和协调控制城市交通的能力。我们根据实地调查的数据, 采用RBF 径向基函数网络[3]进行训练, 然后对交叉口下一个时间段内的车流量进行预测。应用预测结果采取适当措施避免交通拥堵现象的发生。
下表（5）为该十字路口的车流量统计表，所采用数据为一天中交通高峰期的车流量，每组统计时间为20分钟。
训练方法: 为了提高神经网络预测的准确性, 训练时对输入进行了归一化处理, 输出为下一个时间段内路口各个方向的车流量, 并对BP 算法进行了改进, 采用有回弹的BP 算法, 以消除梯度模值对网络训练的影响。通过MATLAB 编程[4]实现神经网络的训练及仿真。BP 神经网络与径向基BP 神经网络的预测效果分别如图（6）和图（7）
由下图（8）训练及仿真结果表明, 我们采用基于径向基函数的神经网络控制方法对十字路口车流量进行预测, 能够达到在短时间内完成实时预测的要求, 预测精度也令人满意。当车流量的变化较大时, 采用本方法可较好地改善十字路口的交通拥堵问题。
o为真实值，*为预测值
00.20.40.60.8
1.21.41.61.82
致XXX报刊的一封信
敬爱的编辑:
我们是XXX学校的学生，在做一个关于如何解决城市交通拥堵问题的数学建模题。我们调查了洛阳市中州中路与定鼎路交叉路口现行的交通情况，发现此路口高峰期容易出现交通拥堵现象。对此，我们分析了出现交通拥堵的原因，并提出了相应的解决方案，现将我们的方案寄给您，方案如下：
方案一，针对该十字路口信号灯的时间分配问题，我们发现黄灯时间只有3秒太短，会造成有些车辆因来不及停车而越过十字路口的停车线, 又由于红灯亮了而过不了路口, 故而造成交通混乱。我们在力学与动力学原理的基础上，提出一种调整黄灯时间的模型，利用微分方程列出黄灯时间的求解公式，并计算出黄灯闪亮的最佳时间为7秒。
方案二，由于道路的增长速度跟不上车辆增长速度，这就导致了车辆静止平均密度逐年增大，结果花费了大量人力物力财力修路架桥，但换来的不是交通顺畅，而是越来越严重的交通拥挤。针对此现象，我们以交通工具为研究对象，运用线性规划方法并结合LINGO软件，得出人们出行选用自行车和大型机动车有利于缓解当前交通拥堵现象。
方案三，为了使交通部门有充分的时间来预防交通拥堵，应该在交通流高峰到来之前做出预测, 进而采取及时的措施并通过交通控制系统削减交通流高峰、避免拥堵的发生，我们采用径向基函数预测功能的神经网络,对十字路口的车流量进行实时预测，应用MATLAB软件编程预测出交通高峰期可能通过每个路口的车流量，从而可以给交通部门提供数据，让他们有更充分的时间预防交通拥堵的发生。
城市是我们每一个人的家，我们都有义务和责任来维护它的良好秩序。希望我们的方案能为缓解该路口的交通拥堵现象出一份力。 此致
六、模型评价
在模型一中，综合考虑驾驶员的时间、车身长度及摩擦系数等多种因素，结合物理学和微分方程的知识使计算的黄灯闪烁时间更加准确。但是，将车速定为法定车速忽略了车辆变速行驶的情况，可能会使计算的黄灯闪烁时间不那么的精确。
在模型二中，把城市道路交通中的关键因素人，车，路，资源，环境有机的联系在一起，很好的体现了节约能源保护环境的理念。但是，计算使用的数据是根据交警多年的经验得出来的，可能与洛阳市定鼎路与中州中路交叉口实际的车流量有出入。
在模型三中，对BP算法进行了改进, 采用有回弹的BP算法, 以消除梯度模值对网络训练的影响。RBF相对于BP网络, 具有运算量小、收敛快、无局部极小等优点, 在一定程度上克服了BP 网络存在的问题， 能够更好的解决交通拥堵问题。
[1] 马锐，十字路口黄灯闪亮时间的数学建模分析，云南民族大学学报，第13卷第4期，
[2] 胡运权，运筹学基础及应用，北京市西城区：高等教育出版社，2008年第五版。 [3] 唐艳 王洪博 王万新，基于高斯径向基函数神经网络的十字路口车流量预测，农业装备与车辆工程，总第176期，2006年第3期。
[4] 刘卫国，MATLAB程序设计教程（第二版），中国水利水电出版社。
[5] 高宁 张建中，MATLAB在RBF神经网络模型中的应用，农业网络信息，2009年第2期。 [6] 金松野，市交通网络与交通流的协调、优化与控制研究[M] . 上海:上海交通大学出版社,1998. 88 C 91。
[7] 白峥，学建模案例分析[M] . 北京:海洋出版社, C 176。 [8] 任善强 雷鸣，数学模型[M],重庆：重庆大学出版社1998.60 C 65。 [9] 朱德通，型与实验[M] . 上海:同济大学出版社,2003. 79 C 107。
[10] 国强. 数学建模优秀案例选编[M] . 广州:华南理工大学出版社,177 C 204。
包含总结汇报、外语学习、旅游景点、人文社科、IT计算机、经管营销、出国留学、专业文献以及关于解决城市交通堵塞问题的数学模型的探究等内容。本文共4页
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