基于模擬器評估交通規(guī)則對多道高速公路表現(xiàn)的影響

閻翔　秦博雅　黃锃

摘 要：在高速公路上，車輛行駛規(guī)則對交通的影響一直以來是一個問題，這主要是因為缺乏合理的統(tǒng)計結(jié)果和對抽象因素的估計。針對這一問題，我們提出了一個基于模擬器的方法，用于評估不同行駛規(guī)則對多車道高速公路性能的影響。基于元胞自動機(jī)模型，我們建立了一個離散時間模擬器，以模擬汽車在高速公路上行駛。通過收集相關(guān)的統(tǒng)計信息，采用多元回歸分析的方法，在給定限速、交通負(fù)荷等條件下，使用層次分析法和雷達(dá)圖的方式評估了各種規(guī)則下的交通狀況。

關(guān)鍵詞：模擬器；交通規(guī)則；高速公路；交通流量

中圖分類號：U491.1+12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0117-02

1 問題簡介

高速公路上沒有轉(zhuǎn)彎和十字路口，除了常規(guī)的交通規(guī)則外，車輛還需要遵守一些關(guān)于超車并道方面的行駛規(guī)則。盡管目前交通部門很少強(qiáng)制要求司機(jī)們遵守這些規(guī)則，但怎樣制訂一套合理的行駛規(guī)則，本質(zhì)上也就是評估這類規(guī)則對交通的影響，是一個非常值得研究的問題。

關(guān)于這類問題，H.J.Payne曾在1979年總結(jié)了三類模型：

微觀模型：著重考慮單個車輛的行駛。

介觀模型：分析一群車輛的運動。

宏觀模型：用整體的測量數(shù)據(jù)代表交通流。

最著名的微觀模型，即元胞自動機(jī)模型，是由Kai Nagel和Michael Schreckenberg于1992年提出的。而H.Adeli于2003年提出了“介觀-小波”模型，主要用于研究交通流中的阻塞問題。與此同時，H.Zhang的研究表明，高速公路上的交通流可以用一個宏觀尺度的非線性動力系統(tǒng)描述。另外，2002年，D.Helbing提出了一個新的思路，在已有微觀模型的基礎(chǔ)上推出了全局的宏觀系統(tǒng)。

2 問題分析

首先，我們編寫了一個交通流的模擬器，以模擬高速公路上車輛的行駛情況。令模擬器基于不同的行駛規(guī)則運行，并收集與交通流暢程度相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如交通流當(dāng)量（用單位時間內(nèi)一個路段的吞吐量表示）、安全系數(shù)（用交通事故率表示）、車輛平均速度和駕駛體驗（包括油耗、通過全路段的駕駛時間、非正常駕駛率等）。其中，我們利用多元回歸分析的方法估算安全系數(shù)，并將安全系數(shù)函數(shù)化。最后，通過層次分析法和雷達(dá)圖法，我們評估了在不同行駛規(guī)則下高速公路的交通狀況。

3 解決問題

3.1 建立模擬器

模擬器的基本思路是元胞自動機(jī)模型，它是模擬非線性現(xiàn)象的一個有效工具，目前已被廣泛應(yīng)用于交通行為的研究中。其中，最為常用的是1992年Kai Nagel和Michael Schreckenberg提出的NaSch模型。這個模型由一個規(guī)則的網(wǎng)格組成，每一個網(wǎng)格單元的行為只由它當(dāng)前的狀態(tài)和相鄰的幾個網(wǎng)格單元決定。當(dāng)網(wǎng)格被選取為幾列平行的網(wǎng)格時，它就可以模擬高速公路上車輛的行為，具體來說，就是每一時刻網(wǎng)格為實或空時，分別表示這一位置是否被汽車占用。因此，一輛汽車占用位置的變化表示了它的運動狀態(tài)，這一改變只由它自己和附近的車輛決定。

4 結(jié)論

由于篇幅所限，這里便不再列舉我們的評估結(jié)果，只簡要陳述一些重要的結(jié)論：①與車輛隨意行駛相比，保持最右行駛規(guī)則可以有效提高交通流量。同時，無論是兩車道還是三車道的情形，都能夠保持安全性和駕駛體驗。②大部分其他行駛規(guī)則沒有表現(xiàn)出比保持最右行駛規(guī)則更好的結(jié)果。③在三車道的情況下，當(dāng)路段車輛很多時，現(xiàn)代高速公路所采用的“超車道-快車道-行車道”的行駛規(guī)則要優(yōu)于保持最右行駛規(guī)則，原因是它有更好的駕駛體驗和安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Nagel K.，Schreckenberg M.A cellular automaton model for freeway traffic[J].Journal de Physique I，1992，2（12）.

[2]Payne H.J.FREFLO：A macroscopic simulation model of freeway traffic[J].Transportation Research Record， 1979（722）.

[3]Krauss S.，Wagner P.，Gawron C.Metastable states in a microscopic model of traffic flow[J].Physical Review E，1997，55（05）.

[4]Adeli H.，Ghosh-Dastidar S. Mesoscopic-wavelet freeway work zone flow and congestion feature extraction model[J].Journal of Transportation Engineering，2003，130（01）.

[5]Zhang H.，Ritchie S.G.，Lo Z.P.Macroscopic modeling of freeway traffic using an artificial neural network[J].Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，1997，1588（01）.

[6]Helbing D.，Hennecke A.，Shvetsov V.，et al.Micro-and macro-simulation of freeway traffic[J].Mathematical and computer modelling，2002，35（05）.

作者簡介：閻翔（1993—），男，山西太原人，現(xiàn)就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院數(shù)學(xué)方向。秦博雅（1992—），女，河北廊坊人，現(xiàn)就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院物理學(xué)方向。黃锃（1994—），男，江蘇南通人，現(xiàn)就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院計算機(jī)科學(xué)方向。

指導(dǎo)老師：韓東，上海交通大學(xué)數(shù)學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師，香港科大訪問學(xué)者。研究方向為隨機(jī)過程及應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)與金融數(shù)學(xué)模型。主要研究課題有“隨機(jī)圖與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)”（國家自然科學(xué)基金重點項目，06-09）和“生命科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的隨機(jī)方法”（國家973項目 “數(shù)學(xué)與其他領(lǐng)域交叉的若干專題”，07-11）。

〔編輯：王霞〕

Abstract： On the highway， the impact of the rules on the transport vehicle has always been a problem， mainly because of the lack of a reasonable statistical results and estimates of abstract factors. To solve this problem， we propose a method based simulator to evaluate the impact of different rules on multi-lane highway driving performance. Based on cellular automata model， we built a discrete-time simulator to simulate the car driving on the highway. By collecting relevant statistical information， using multiple regression analysis at a given speed， traffic load and other conditions， the use of AHP and radar map assessed the traffic situation under various rules.

Key words： simulator； traffic rules； highway； traffic

摘 要：在高速公路上，車輛行駛規(guī)則對交通的影響一直以來是一個問題，這主要是因為缺乏合理的統(tǒng)計結(jié)果和對抽象因素的估計。針對這一問題，我們提出了一個基于模擬器的方法，用于評估不同行駛規(guī)則對多車道高速公路性能的影響?；谠詣訖C(jī)模型，我們建立了一個離散時間模擬器，以模擬汽車在高速公路上行駛。通過收集相關(guān)的統(tǒng)計信息，采用多元回歸分析的方法，在給定限速、交通負(fù)荷等條件下，使用層次分析法和雷達(dá)圖的方式評估了各種規(guī)則下的交通狀況。

關(guān)鍵詞：模擬器；交通規(guī)則；高速公路；交通流量

中圖分類號：U491.1+12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0117-02

1 問題簡介

高速公路上沒有轉(zhuǎn)彎和十字路口，除了常規(guī)的交通規(guī)則外，車輛還需要遵守一些關(guān)于超車并道方面的行駛規(guī)則。盡管目前交通部門很少強(qiáng)制要求司機(jī)們遵守這些規(guī)則，但怎樣制訂一套合理的行駛規(guī)則，本質(zhì)上也就是評估這類規(guī)則對交通的影響，是一個非常值得研究的問題。

關(guān)于這類問題，H.J.Payne曾在1979年總結(jié)了三類模型：

微觀模型：著重考慮單個車輛的行駛。

介觀模型：分析一群車輛的運動。

宏觀模型：用整體的測量數(shù)據(jù)代表交通流。

最著名的微觀模型，即元胞自動機(jī)模型，是由Kai Nagel和Michael Schreckenberg于1992年提出的。而H.Adeli于2003年提出了“介觀-小波”模型，主要用于研究交通流中的阻塞問題。與此同時，H.Zhang的研究表明，高速公路上的交通流可以用一個宏觀尺度的非線性動力系統(tǒng)描述。另外，2002年，D.Helbing提出了一個新的思路，在已有微觀模型的基礎(chǔ)上推出了全局的宏觀系統(tǒng)。

2 問題分析

首先，我們編寫了一個交通流的模擬器，以模擬高速公路上車輛的行駛情況。令模擬器基于不同的行駛規(guī)則運行，并收集與交通流暢程度相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如交通流當(dāng)量（用單位時間內(nèi)一個路段的吞吐量表示）、安全系數(shù)（用交通事故率表示）、車輛平均速度和駕駛體驗（包括油耗、通過全路段的駕駛時間、非正常駕駛率等）。其中，我們利用多元回歸分析的方法估算安全系數(shù)，并將安全系數(shù)函數(shù)化。最后，通過層次分析法和雷達(dá)圖法，我們評估了在不同行駛規(guī)則下高速公路的交通狀況。

3 解決問題

3.1 建立模擬器

模擬器的基本思路是元胞自動機(jī)模型，它是模擬非線性現(xiàn)象的一個有效工具，目前已被廣泛應(yīng)用于交通行為的研究中。其中，最為常用的是1992年Kai Nagel和Michael Schreckenberg提出的NaSch模型。這個模型由一個規(guī)則的網(wǎng)格組成，每一個網(wǎng)格單元的行為只由它當(dāng)前的狀態(tài)和相鄰的幾個網(wǎng)格單元決定。當(dāng)網(wǎng)格被選取為幾列平行的網(wǎng)格時，它就可以模擬高速公路上車輛的行為，具體來說，就是每一時刻網(wǎng)格為實或空時，分別表示這一位置是否被汽車占用。因此，一輛汽車占用位置的變化表示了它的運動狀態(tài)，這一改變只由它自己和附近的車輛決定。

4 結(jié)論

由于篇幅所限，這里便不再列舉我們的評估結(jié)果，只簡要陳述一些重要的結(jié)論：①與車輛隨意行駛相比，保持最右行駛規(guī)則可以有效提高交通流量。同時，無論是兩車道還是三車道的情形，都能夠保持安全性和駕駛體驗。②大部分其他行駛規(guī)則沒有表現(xiàn)出比保持最右行駛規(guī)則更好的結(jié)果。③在三車道的情況下，當(dāng)路段車輛很多時，現(xiàn)代高速公路所采用的“超車道-快車道-行車道”的行駛規(guī)則要優(yōu)于保持最右行駛規(guī)則，原因是它有更好的駕駛體驗和安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Nagel K.，Schreckenberg M.A cellular automaton model for freeway traffic[J].Journal de Physique I，1992，2（12）.

[2]Payne H.J.FREFLO：A macroscopic simulation model of freeway traffic[J].Transportation Research Record， 1979（722）.

[3]Krauss S.，Wagner P.，Gawron C.Metastable states in a microscopic model of traffic flow[J].Physical Review E，1997，55（05）.

[4]Adeli H.，Ghosh-Dastidar S. Mesoscopic-wavelet freeway work zone flow and congestion feature extraction model[J].Journal of Transportation Engineering，2003，130（01）.

[5]Zhang H.，Ritchie S.G.，Lo Z.P.Macroscopic modeling of freeway traffic using an artificial neural network[J].Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，1997，1588（01）.

[6]Helbing D.，Hennecke A.，Shvetsov V.，et al.Micro-and macro-simulation of freeway traffic[J].Mathematical and computer modelling，2002，35（05）.

作者簡介：閻翔（1993—），男，山西太原人，現(xiàn)就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院數(shù)學(xué)方向。秦博雅（1992—），女，河北廊坊人，現(xiàn)就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院物理學(xué)方向。黃锃（1994—），男，江蘇南通人，現(xiàn)就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院計算機(jī)科學(xué)方向。

指導(dǎo)老師：韓東，上海交通大學(xué)數(shù)學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師，香港科大訪問學(xué)者。研究方向為隨機(jī)過程及應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)與金融數(shù)學(xué)模型。主要研究課題有“隨機(jī)圖與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)”（國家自然科學(xué)基金重點項目，06-09）和“生命科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的隨機(jī)方法”（國家973項目 “數(shù)學(xué)與其他領(lǐng)域交叉的若干專題”，07-11）。

〔編輯：王霞〕

Abstract： On the highway， the impact of the rules on the transport vehicle has always been a problem， mainly because of the lack of a reasonable statistical results and estimates of abstract factors. To solve this problem， we propose a method based simulator to evaluate the impact of different rules on multi-lane highway driving performance. Based on cellular automata model， we built a discrete-time simulator to simulate the car driving on the highway. By collecting relevant statistical information， using multiple regression analysis at a given speed， traffic load and other conditions， the use of AHP and radar map assessed the traffic situation under various rules.

Key words： simulator； traffic rules； highway； traffic

摘 要：在高速公路上，車輛行駛規(guī)則對交通的影響一直以來是一個問題，這主要是因為缺乏合理的統(tǒng)計結(jié)果和對抽象因素的估計。針對這一問題，我們提出了一個基于模擬器的方法，用于評估不同行駛規(guī)則對多車道高速公路性能的影響?；谠詣訖C(jī)模型，我們建立了一個離散時間模擬器，以模擬汽車在高速公路上行駛。通過收集相關(guān)的統(tǒng)計信息，采用多元回歸分析的方法，在給定限速、交通負(fù)荷等條件下，使用層次分析法和雷達(dá)圖的方式評估了各種規(guī)則下的交通狀況。

關(guān)鍵詞：模擬器；交通規(guī)則；高速公路；交通流量

中圖分類號：U491.1+12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）13-0117-02

1 問題簡介

高速公路上沒有轉(zhuǎn)彎和十字路口，除了常規(guī)的交通規(guī)則外，車輛還需要遵守一些關(guān)于超車并道方面的行駛規(guī)則。盡管目前交通部門很少強(qiáng)制要求司機(jī)們遵守這些規(guī)則，但怎樣制訂一套合理的行駛規(guī)則，本質(zhì)上也就是評估這類規(guī)則對交通的影響，是一個非常值得研究的問題。

關(guān)于這類問題，H.J.Payne曾在1979年總結(jié)了三類模型：

微觀模型：著重考慮單個車輛的行駛。

介觀模型：分析一群車輛的運動。

宏觀模型：用整體的測量數(shù)據(jù)代表交通流。

最著名的微觀模型，即元胞自動機(jī)模型，是由Kai Nagel和Michael Schreckenberg于1992年提出的。而H.Adeli于2003年提出了“介觀-小波”模型，主要用于研究交通流中的阻塞問題。與此同時，H.Zhang的研究表明，高速公路上的交通流可以用一個宏觀尺度的非線性動力系統(tǒng)描述。另外，2002年，D.Helbing提出了一個新的思路，在已有微觀模型的基礎(chǔ)上推出了全局的宏觀系統(tǒng)。

2 問題分析

首先，我們編寫了一個交通流的模擬器，以模擬高速公路上車輛的行駛情況。令模擬器基于不同的行駛規(guī)則運行，并收集與交通流暢程度相關(guān)的數(shù)據(jù)，例如交通流當(dāng)量（用單位時間內(nèi)一個路段的吞吐量表示）、安全系數(shù)（用交通事故率表示）、車輛平均速度和駕駛體驗（包括油耗、通過全路段的駕駛時間、非正常駕駛率等）。其中，我們利用多元回歸分析的方法估算安全系數(shù)，并將安全系數(shù)函數(shù)化。最后，通過層次分析法和雷達(dá)圖法，我們評估了在不同行駛規(guī)則下高速公路的交通狀況。

3 解決問題

3.1 建立模擬器

模擬器的基本思路是元胞自動機(jī)模型，它是模擬非線性現(xiàn)象的一個有效工具，目前已被廣泛應(yīng)用于交通行為的研究中。其中，最為常用的是1992年Kai Nagel和Michael Schreckenberg提出的NaSch模型。這個模型由一個規(guī)則的網(wǎng)格組成，每一個網(wǎng)格單元的行為只由它當(dāng)前的狀態(tài)和相鄰的幾個網(wǎng)格單元決定。當(dāng)網(wǎng)格被選取為幾列平行的網(wǎng)格時，它就可以模擬高速公路上車輛的行為，具體來說，就是每一時刻網(wǎng)格為實或空時，分別表示這一位置是否被汽車占用。因此，一輛汽車占用位置的變化表示了它的運動狀態(tài)，這一改變只由它自己和附近的車輛決定。

4 結(jié)論

由于篇幅所限，這里便不再列舉我們的評估結(jié)果，只簡要陳述一些重要的結(jié)論：①與車輛隨意行駛相比，保持最右行駛規(guī)則可以有效提高交通流量。同時，無論是兩車道還是三車道的情形，都能夠保持安全性和駕駛體驗。②大部分其他行駛規(guī)則沒有表現(xiàn)出比保持最右行駛規(guī)則更好的結(jié)果。③在三車道的情況下，當(dāng)路段車輛很多時，現(xiàn)代高速公路所采用的“超車道-快車道-行車道”的行駛規(guī)則要優(yōu)于保持最右行駛規(guī)則，原因是它有更好的駕駛體驗和安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Nagel K.，Schreckenberg M.A cellular automaton model for freeway traffic[J].Journal de Physique I，1992，2（12）.

[2]Payne H.J.FREFLO：A macroscopic simulation model of freeway traffic[J].Transportation Research Record， 1979（722）.

[3]Krauss S.，Wagner P.，Gawron C.Metastable states in a microscopic model of traffic flow[J].Physical Review E，1997，55（05）.

[4]Adeli H.，Ghosh-Dastidar S. Mesoscopic-wavelet freeway work zone flow and congestion feature extraction model[J].Journal of Transportation Engineering，2003，130（01）.

[5]Zhang H.，Ritchie S.G.，Lo Z.P.Macroscopic modeling of freeway traffic using an artificial neural network[J].Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，1997，1588（01）.

[6]Helbing D.，Hennecke A.，Shvetsov V.，et al.Micro-and macro-simulation of freeway traffic[J].Mathematical and computer modelling，2002，35（05）.

作者簡介：閻翔（1993—），男，山西太原人，現(xiàn)就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院數(shù)學(xué)方向。秦博雅（1992—），女，河北廊坊人，現(xiàn)就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院物理學(xué)方向。黃锃（1994—），男，江蘇南通人，現(xiàn)就讀于上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)學(xué)院計算機(jī)科學(xué)方向。

指導(dǎo)老師：韓東，上海交通大學(xué)數(shù)學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師，香港科大訪問學(xué)者。研究方向為隨機(jī)過程及應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)與金融數(shù)學(xué)模型。主要研究課題有“隨機(jī)圖與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)”（國家自然科學(xué)基金重點項目，06-09）和“生命科學(xué)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的隨機(jī)方法”（國家973項目 “數(shù)學(xué)與其他領(lǐng)域交叉的若干專題”，07-11）。

〔編輯：王霞〕

Abstract： On the highway， the impact of the rules on the transport vehicle has always been a problem， mainly because of the lack of a reasonable statistical results and estimates of abstract factors. To solve this problem， we propose a method based simulator to evaluate the impact of different rules on multi-lane highway driving performance. Based on cellular automata model， we built a discrete-time simulator to simulate the car driving on the highway. By collecting relevant statistical information， using multiple regression analysis at a given speed， traffic load and other conditions， the use of AHP and radar map assessed the traffic situation under various rules.

Key words： simulator； traffic rules； highway； traffic