黃超　王永樂　劉長虹

摘 要： 研究滬金高速的交通狀況，對改善上海市城郊間的道路交通問題具有重要意義，文章采用適合高速路交通流的元胞自動機模型模擬奉賢區(qū)到上海市區(qū)高速道路交通狀況的實際問題。通過MATLAB編程方法，實現(xiàn)高速道路單向跟車行駛流量的計算機模擬。模擬結果表明，該方法可以模擬實際道路交通流的情況，對于預測道路行駛狀況及時限制車流量具有實際意義。

關鍵詞： 交通流 元胞自動機 MATLAB

上海市奉賢區(qū)地處郊區(qū)且無地鐵線路通過，奉賢大學園區(qū)的師生出行十分不便，乘坐校車通往市區(qū)或徐匯校區(qū)是目前最為重要的交通出行方式之一。滬金高速是最快捷直通市區(qū)的高速公路線路，研究該條高速公路上的交通流問題顯得尤為重要。在當今城市發(fā)展中，交通流是世界各國城市關注的問題，國內外已有很多研究方法，如GM模型、線性跟馳模型、模糊邏輯模型、Payne模型、元胞自動機模型[1]-[5]。其中，元胞自動機模型是有效的方法之一。

交通流[6]具有自由流、大范圍移動阻塞、同步流等特點，并呈現(xiàn)出較強的非線性特征。本文主要考察的是車輛在滬金高速公路（S4）單車道上運動形成的交通流，也是上海市城郊間高速道路通行的典型問題。

1.基于元胞自動機的交通流方法

2.滬金高速的道路實況

研究的滬金高速實際道路情況如圖1所示。通過測距可以發(fā)現(xiàn)滬金高速路段存在限速要求不同的多段橋面，但由于途經的橋長度較短且分布較為分散，對整段道路的車流影響較小，且經過實際調查發(fā)現(xiàn)橋面路段不易出現(xiàn)擁堵狀況，故忽略由于橋面限速較低對本研究課題的影響。因此，簡化后的滬金高速道路狀況如圖2所示。根據實際調查情況，發(fā)現(xiàn)顓橋收費站附近因為有大量車輛匯入車道，導致車道初始密度發(fā)生變化，出現(xiàn)擁堵狀況，故將整個路段分為兩段進行模擬。顓橋收費站以南限速100km/h，顓橋收費站以北限速80km/h。

為了保證調查數據的非相關性，本研究采用隨機隨機采樣的方法，具體方法是選取滬金高速作為研究對象，隨機抽取時間段，應用短距離調查法得到車道的實際占有率Rt，再通過公式計算得到其他交通流參數。

經過實地調研該路段，檢測時間為1h，同一時間段，第一路段共有900輛車經過，車輛經過檢測器的平均時間為0.2s，第二路段共有1080輛車經過，車輛經過檢測器的平均時間為2s，經過理論計算可得如表1所示的分析數據。

用MATLAB模擬結果如圖4、圖5所示。在這個程序中，時間方向自上向下發(fā)展運行。圖中黑色或灰色的位置代表有車存在，灰度越深則車速越慢，完全黑色則代表該車處于堵塞狀態(tài)。

觀察圖4可得出如下結論：前1000個單位距離之內灰度最低，甚至有空白的區(qū)域出現(xiàn)。這說明從海灣路收費站進入滬金高速向北行駛5公里這一路段，道路上的車輛基本能夠在100km/h的限速范圍之內正常駕駛，圖4中所標記的射線表示全程時速保持約100km/h時的路況，基本屬于暢通無阻的駕駛狀況，結合實際情況，這一路段屬于上海的郊區(qū)，人口密度較小，總體車流量很小，模擬結果符合道路實際情況。

從1000到4000個單位距離之間，道路中分散地出現(xiàn)灰度加深的現(xiàn)象，說明由于道路中有部分匝道口可以匯入新的車流，導致道路中車流密度暫時性的增加。當橫坐標為4000左右時灰度變深并且面積變大，說明此處堵塞嚴重，經換算第4000個元胞距離原點（海灣路收費站）約為22km，實地考察知該處為閔行區(qū)通往市區(qū)的必經之路。此位置以北高速公路最大限速降低，大量閔行車流需要通過收費站匯入，車流密度急劇增大。圖中不等間距斜黑色條紋與初始設置的隨機慢化概率有關，這與該段道路上有少量車流匯入，駕駛員肆意從匝道口加塞車輛有很大關系。但條紋寬度不大，說明發(fā)生堵塞的概率較小。

觀察圖5可得出如下結論：該圖整體灰度較大，甚至在道路末段出現(xiàn)較為集中的黑色區(qū)域。對比圖4，正是由于這一路段初存在閔行區(qū)通往上海市區(qū)方向大量車輛的一個匯入口，導致整體車流密度大幅度上升，交通模擬圖才會出現(xiàn)較為明顯的變化。顓橋收費站以北的高速道路車輛密度增大，各車之間安全車距減小。同時，在道路末段存在莘莊立交，限速較低且車道減少，故模擬圖會出現(xiàn)顏色較深的區(qū)域。

圖5中斜率較大的射線表示的車速約為6m/s，這是該段道路擁堵時車輛能行駛的最慢車速，由于最慢的車速決定整條路段的堵塞情況，后面來車的速度越快導致車輛數目增大，容易造成堵塞現(xiàn)象更為嚴重。由圖可知，與該射線相比，斜率越小表示車速越快，與黑色區(qū)域交匯的長度加長，說明越堵塞，也說明模擬圖符合實際道路狀況。圖中第二條射線表示當車速增加到80km/h（該段最大限速）時，與黑色區(qū)域交匯的長度越來越小，此時道路較為通暢，所有車流都能保持最大車速行駛。發(fā)生堵塞的概率較小。

從圖中兩條射線可以看出，如果道路車輛能夠按照最大限速向前行駛，則道路末段的擁堵狀況波及范圍較小，大部分車輛都能盡快駛入莘莊立交之后的路段；如果由于道路車輛增多而車速降低，則道路末段會出現(xiàn)更長路段的擁堵，擁堵范圍越廣，總路程的耗時則會進一步加長。

4.結語

本文根據元胞自動機模型編制的MATLAB程序，模擬了奉賢滬金高速公路車流情況，計算結果符合實際情況。通過計算可知，采用本文提出的方法，可以模擬出這條高速路上不同情況時車流量的實際情況。因此，該模型可以為奉賢區(qū)交通管理部門預測滬金高速道路交通狀況，以及對道路擁堵等突發(fā)情況進行合理預測提供合理依據。例如，可在模擬圖中顏色較深的黑色處通過加車道或限流的方法減小堵塞趨勢，在灰度不太大的區(qū)域可以增加車輛行駛的其他線路以達到分流的目的。由模擬圖可知，造成這條道路后半段堵塞的最大原因是顓橋收費站左右匯入的閔行區(qū)車流量過大。針對交通部門，應該在此處規(guī)劃出新的高速道路達到分流的目的，若能減少該區(qū)域匯入車流量，能極大地緩解整條路的交通問題，在規(guī)劃出新的道路之前，還可以通過在顓橋收費口出限流，每隔一段時間允許一批車流通過。針對高校班車，可以合理規(guī)劃校車或教職工班車發(fā)車間隔時間和發(fā)車數量，讓發(fā)車數量多的時刻與上下班高峰期錯開，從而使該條公路上的交通阻塞問題不耽誤師生間正常的上課講座或交流活動，提高工作學習效率。

參考文獻：

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