元胞模型在地貌演化模拟中的应用浅析

元胞自动机是一个时空离散的动力学模型,是复杂系统的研究方法之一。从80年代后期开始,在许多领域都得到广泛的应用与发展。地貌是一个非线性动态复杂系统,元胞自动机模型(或更广意义上的元胞模型)为研究复杂地貌系统的动态演化提供了新的方法论工具。本文根据近些年国内外该领域的研究成果,对元胞模型在地貌演化模拟中的应用及进展进行了探讨,并分析了元胞模型方法在地貌演化模拟中的优势和不足。

基于元胞模型的列车运营能力研究

通过分析影响列车运营能力的主要因素,将运营能力转换为线路通过能力和折返站折返能力,从理论上分析线路通过能力和折返站折返能力.结合列车运行的实际情景,建立基于元胞自动机的列车追踪与折返模型,并通过Matlab编程对模型进行仿真实现;最后对实际在建的城市轨道线路郑州1号线进行模拟仿真,通过所建立的模型分析其运营能力,验证模型的可靠性和可行性,并结合实际情况提出了提升运营能力的措施或方法.

基于元胞模型的河道纵剖面调整动态模拟

纵剖面的调整是河道演化的重要内容,其对于河道整治及水沙灾害机理研究都具有重要意义。利用多年观测资料可以较为精确地分析和推断河道纵剖面的调整过程。但是,这种方法不能从过程机理上对纵剖面的调整进行模拟分析。而自然条件下河道边界条件的复杂性使得对河道纵剖面演化的物理过程模拟有很大困难。元胞自动机是一个时间、空间和状态都离散的动力模型,是研究复杂系统动态演化过程的有力工具。本文以黄河尾闾河道为例,利用一维元胞模型对河道纵剖面的调整进行动态模拟。模拟揭示了河道纵剖面在初始形态、不同水沙组合以及河道延伸等情况下的演化规律与趋势。

高速公路分合流区车流元胞模型的构建及应用

高速公路的运营和管理优化方案往往需要依据瓶颈段的通行能力制定。由于高速公路瓶颈段交通流特性的复杂性,目前所采用的瓶颈段通行能力通用计算公式受很多假设条件的限制,其精度不高且误差较大。文中尝试构建一种高速公路瓶颈段通行能力计算方法,并进行实测验证。首先,采用无人机航拍和Tracker软件动态识别,获取高速公路分合流区跟驰和换道数据共680组,得到位置、速度、加速度、车头间距等参数;然后,根据获得的交通流参数建立了考虑驾驶人特性的换道规则模型和概率模型,并对经典的GHR跟驰模型进行参数标定;最后,运用分区思想构建了基于元胞自动机理论的高速公路车流仿真应用模型。依据GHR跟驰模型来刻画车辆的加速度需求,并采用车辆换道次数和小时交通量两个指标验证模型的有效性,其中,平均换道次数误差率为12.06%,平均交通流量误差率为3.19%。结果表明,该模型可以有效地计算高速公路分合流区的通行能力,同时也可应用于变速车道长度等道路参数设计。在本研究案例中,对广州市北环高速公路岑村立交段进行交通流仿真测试,模拟其道路线型特征、车辆到达情况和交通流运作机制,得到该区段分流区与合流区的通行能力依次为5456和5253pcu/h,该分流区与合流区变速车道长度的优化设计值分别是125和200m。文中所构建的车流元胞模型可为高速公路分合流区的微观车流仿真和道路参数设计提供科学依据,有利于提升高速公路的服务水平和运营质量。

离子刻蚀工艺表面演化仿真的三维元胞模型

为了更好地理解和认识刻蚀机理,并为制造工艺提供优化指导,采用三维元胞模型研究了离子刻蚀工艺的表面演化过程。针对三维元胞模型内存使用量大,采用了静态数组和动态双向链表相结合的方式进行信息存储;提出了边界时间最短优先移动法,改进了刻蚀离子入射轨迹计算量大的问题;通过一种降维分量拟合方法实现了刻蚀离子入射角度的快速求解,并重点对用于拟合计算的表面元胞的选取方法进行了改进,提出了滚轮搜索法,提高了拟合的准确度。将该模型应用到硅刻蚀工艺三维仿真中,其模拟结果与相关实验结果对比,验证了该模型对刻蚀工艺描述的有效性。

浅谈渗透理论及元胞模型在城市绿地系统规划中的应用

如今景观生态学在城市发展中起到了越来越重要的作用,在注重经济发展的情况下,注重科学发展、生态发展已经成为了当今的趋势,那么景观生态学的重要理论成果渗透理论及元胞模型必然会在城市的发展中起到重要作用。而城市绿地系统规划是城市生态的主要表现形式,本文主要探讨了渗透理论及元胞模型在城市绿地系统规划中的应用及景观生态建设。

基于元胞传输模型的终端区交通流特性研究

为阐明终端区交通流时空演变规律,揭示其拥堵机理,构建了基于元胞传输模型(CTM)的宏观交通流模型,根据航线连接、汇聚、分流等结构特点,定义一般、汇聚、发散三种元胞构型,并引入元胞优先级和发散系数概念解决交叉航线的流量分配问题;基于所提出的模型,利用AnyLogic搭建终端区交通流仿真平台,使用实测ADS-B数据验证模型的准确性;最后基于管制间隔、管制速度等变量对模型进行敏感性分析。结果表明,提出的CTM模型可准确建模进离场航班流;终端区交通流量、密度与流速三者之间存在明显关联;管制间隔和速度通过影响元胞内临界密度,间接控制交通流运行状态;基于CTM推演终端区交通流时空运行态势,将有助于缓解交通拥堵,提升系统整体运行效率。

基于元胞自动机的高速公路主线同侧连续入口间距研究

针对高速公路主线同侧连续入口处车辆行驶安全与通行效率问题,对高速公路主线同侧连续入口间距进行了研究。通过建立元胞自动机仿真模型,分析了主线与匝道设计速度的差异以及高速公路主线匝道连续入口间距各部分长度对交通冲突率、平均拥堵车辆数和平均速度的影响;提出了不同主线与匝道设计速度组合下的主线同侧连续匝道入口间距推荐值;并对不同间距组合下的工况进行了仿真对比分析。研究结果表明:当主线与匝道设计速度的差异较大时,现有规范中的高速公路主线同侧连续入口间距难以满足交通安全与通行效率要求;相比采用规范中的一般值,采用文中推荐值时的主线车辆平均速度由81.39 km/h上升到95.29 km/h,匝道车辆冲突率由0.0335次/(km·veh)下降到0.0256次/(km·veh),匝道车辆平均拥堵数由0.0077 veh/s下降到0.0022 veh/s,提高了车辆通行效率,降低了车辆发生事故的风险。

基于元胞自动机的人员疏散出口选择博弈模型

为提高人员出口选择行为的疏散效率,针对紧急情况下多出口房间的人员疏散过程,提出了一种结合博弈论方法和元胞自动机模型的出口选择优化模型。该模型基于博弈论中的最佳反应动力学概念,考虑了疏散人员之间的相互影响,其中每个人员通过对其他人的选择策略做出最佳响应。分析了影响人员出口选择行为的关键因素,包括人员的耐心坚定程度、出口可见性和出口熟悉度、出口布局以及最佳出口间距等。并将此模型与模拟软件Pathfinder的进行对比,验证了其高效性。结果表明,低耐心程度会导致人员犹豫徘徊行为,不利于疏散。对于单出口选择情况,出口位置分布在墙壁中间时人员疏散效率最高。对于多出口选择情况,当两个出口位于同一墙壁时,出口的最佳间距应设为所处墙壁长度的0.5倍。而位于不同墙壁时,出口对称设计下的人员疏散选择时间最短。

高速公路交通流状态的元胞自动机模型仿真与推演

文章提出了一个新的元胞自动机模型即AD模型。该模型最主要的改进在于车辆的减速方式更加合理。本研究使用SUMO进行微观交通仿真。文章假设了3种可能的下游场景,包括车道封闭、限流瓶颈和限速瓶颈,并使用AD模型、IDM模型和SUMO默认的Krauss模型分别进行分析。结果表明在限速瓶颈场景下,使用AD模型可以得到最好的仿真效果。这一成果对未来的高速公路交通流管控工作具有重要的参考价值。

面向宽窄交替航道的船舶交通元胞自动机模型

为了提高宽窄交通航道的通行效率,针对宽窄交替的结构特点,以基尔运河为例,根据其航道宽窄段交替结构的特点,建立了双向船舶交通流元胞自动机模型,研究基尔运河的船舶交通流仿真。根据基尔运河的实际结构建立元胞空间,并基于固定闭塞理论和移动闭塞理论建立演化规则。基尔运河的结构导致大型船舶无法在狭窄的区间内同时通过,为了描述该现象,在元胞自动机模型中建立了合适的等待规则。在仿真分析中,主要讨论了不同船舶入流率、大小船舶比例、船舶间安全距离的影响。在仿真结果的基础上,进一步研究了基尔运河船舶交通流改善的瓶颈识别和改进策略。结果表明,基尔运河窄段长度过长是瓶颈所在,其使得运河内船舶大量停泊等待。

融合多源数据与元胞传输模型的高速公路交通状态估计方法

针对高速公路管控和决策应对交通状态进行准确、可靠和精细化估计的需求,本文提出了一种基于多源数据+元胞传输模型(Multi-Source Data Cell Transmission Model,MD-CTM)的交通状态估计方法。该方法针对传统CTM模型要求元胞长度必须一致的局限性,提出了一种元胞长度划分的优化方法,能够灵活调整元胞长度和数量。同时,应用卡尔曼滤波技术,将ETC门架流量、稀疏视频检测器流量和样本车辆平均速度数据融合,并与CTM模型相结合,实现高速公路元胞级交通状态估计。为了验证本文提出方法的有效性和准确性,我们利用VISSIM软件构建了长度5 km的高速公路仿真场景。仿真案例结果表明,本文提出的MD-CTM模型能够较为准确地反映不同流量需求下交通流状态的时空演化特征,且相较于CTM模型,其元胞密度估计精度提高12.59%~36.26%。此外,本文选取了成都市绕城高速路段实际场景,对模型的运行效果进行了展示。

区域危险品泄漏事故后元胞路网疏散模型研究

当易扩散性危险品发生严重泄漏后,危害区的应急交通疏散对减少人员伤害和经济损失具有非常重要的作用.本文研究区域易扩散性危险品发生泄漏后,建立在规定的时间内,应急交通部门主导的路网疏散,目标函数为区域应急疏散路网能力的元胞传输模型.结合模型复杂性的特点,以及量子粒子群算法的优点对模型进行求解.算例表明,在应急疏散过程中,应急交通管理部门利用信息优势和主导权利使路网应急疏散能力比自然的路网应急疏散能力提高了56.9%.模型和算法可为应急交通管理决策部门提供理论支持.

基于元胞自动机模型的电影院小团体疏散策略研究

为了提高电影院人员的疏散效率,基于元胞自动机模型,以电影院中小团体为研究对象,研究疏散过程中小团体行为对疏散结果的影响,并提出相关的疏散策略。疏散模拟实验结果表明,小团体内部人数的增多会降低总体疏散效率;规模不同的小团体在比例不同的情况下,将规模大的小团体优先安排在离出口近的座位上有利于提高整体疏散率。

基于三维元胞模型的刻蚀工艺表面演化方法

为了更好地理解和认识刻蚀机理,并为制造工艺提供优化指导,采用三维元胞模型研究了刻蚀工艺的表面演化过程,并着重探讨了离子对表面演化过程的影响.针对刻蚀离子入射角度的求解问题,提出了一种降维分量拟合方法,将一个三维曲面拟合问题转化为两个二维曲线拟合进行求解,对入射点的表面法向量计算实现了快速求解,与采用最小二乘多项式曲面拟合求解离子入射角度相比,其计算精度和效率都有较大的提高;对用于拟合计算的表面元胞的选取方法进行了改进,提高了拟合的准确度.将这种方法应用到硅刻蚀工艺三维仿真中,其模拟结果与相关实验结果对比,验证了该方法对刻蚀工艺描述的有效性.

基于可变元胞传输模型的城市道路交通流估计方法

城市道路交通流预测的可靠性、实时性是城市交通管理与控制的基础.为提高城市道路交通流的预测能力,提出了可变元胞传输模型(VCTM模型).在分析元胞传输模型(CTM模型)在城市道路交通流预测方面应用不足的基础上,根据流量守恒定律,将元胞的交通流密度和元胞的长度两个参数引入CTM模型,建立了VCTM模型.VCTM模型根据路段连接、汇聚、分流等三种形式的不同特点,分别建立了元胞连接、汇聚、分流的交通流传输公式.虽然VCTM模型引入了元胞的交通流密度和元胞的长度两个参数,增加了模型求解的运算量,但克服了元胞长度必须相等的局限性,确保VCTM模型可以应用于城市路网中的不同道路.仿真结果表明,VCTM模型能够满足城市道路交通流预测的要求.

考虑绕行效应的人员疏散元胞自动机模型研究

在传统的元胞自动机疏散模型中,行人只考虑临近的4个网格状态以做出运动决策,而在实际疏散过程中,每个人会从更大的感知范围内收集信息,并会主动避开障碍物,从而选择更合理的路径。针对此问题,建立考虑绕行行为的元胞自动机模型(DCA模型),模型引入行人感知范围参数,用于反映行人对障碍物的反应程度或绕行倾向;通过建立单门疏散场景,研究绕行效应对疏散的影响。研究结果表明:考虑绕行效应时,行人能够更好地绕过障碍物,在出口前形成典型的拱形聚集形态;感知范围越大,拱形聚集形态形成的越快;通过将DCA模型与经典的无后退的有偏随机行走模型和场域模型分别进行比较,DCA模型可以减少不必要和不合理的后退运动行为,这与实际更为一致。

基于元胞传输模型的实时交通信息设计

随着智能交通技术的发展,可变信息标志(VMS,Variable Message Signs)被广泛应用于动态交通管理中.元胞传输模型(CTM,Cell Transmission Model)可以很好地模拟交通流激波、排队形成与消散等交通流动力学特性.提出一种新的基于CTM的路径行驶时间计算方法,并使用LOGIT原则计算路径选择概率,针对重复性拥挤和非重复性拥挤2种交通状况,分析了VMS对交通流的影响.数值模拟结果表明,理论模型能够合理反映现实的交通状况:发生重复性拥挤时,VMS能够合理疏导人们的出行,减缓交通拥挤;而发生非重复性拥挤时,VMS对高需求和低需求情形下的交通流影响相似,但在高需求情形下,路径选择对模型参数的敏感区很小.

基于元胞传输模型的区域疏散动态交通分配

为制定合理、高效的灾害条件下区域疏散交通管理与规划方案,针对道路交通应急区域疏散的动态交通分配问题进行研究.首先,采用元胞传输理论和单终点疏散方法,建立了元胞-连接桥疏散路网模型,进而以系统疏散出行时间最短为目标函数,以元胞流量守恒和流量传播等为约束条件,构建了区域疏散动态交通分配线性规划模型.对该模型的求解可以得到系统最优疏散出行时间、疏散清空时间、分阶段疏散优先权分配方案、交叉口车流诱导方案以及疏散者终点选择和路径选择最优方案.案例分析的结果表明,该模型即能够满足大规模疏散路网建模的需求,同时又能恰当地反映疏散交通流的动态特性.

元胞自动机舆论模型中人员移动对传播的影响

为了研究舆论系统中人员的移动以及存在态度坚定者的因素对舆论形成和演化的影响,建立了相应的元胞自动机舆论模型.在假设人员态度的改变方式遵守少数服从多数的规则下,通过计算机模拟给出了二维四方格子两种影响领域(5邻居、9邻居)在周期性边界条件下的舆论传播行为.模拟给出了模型的演化趋势,以及在不同赞成率的随机初始状态中,模型演化随立场坚定者密度变化的行为.结果表明人员的移动将加快舆论的形成.