異質混合車流細胞自動機模式之研究

Abstract

細胞自動機(Cellular Automaton，以下簡稱CA)，最早於1992 年首度被物理學家Nagel and Schreckenberg 應用於高速公路車流行為研究，透過幾個簡單的加速、減速規則，利用電腦快速 運算與模擬，讓車輛進行彼此交互作用與規則疊代，不僅呈現出與實測所得之巨觀流量、速率與 密度等變數一致的結果，且又能描述微觀車流特性，因此迄今已有相當數量之CA 模式改良與應 用，惟多針對小客車為研究對象，且對細胞單元之定義過於粗糙，亦未探討交通異質性及混合車 流問題。 為符合真實世界的車流現象，本研究擬發展精緻型細胞自動機模式，用以探索異質混合車流之時 空交通特性。所謂異質車流指同類型車種可具不同之運行 (如速率、加減速、變換車道) 行為， 所謂混合車流指同一車道或道路空間可同時運行不同實體大小的車輛(如機車、小客車、大客 車)，因此，異質混合車流之車輛間彼此交互作用與規則疊代遠比均質純小客車之車流行為複雜 許多。本研究旨在引入比以往CA 研究更為精緻的「細胞」及「網格」概念(細胞指車輛單元， 網格指道路單元)，於三度空間(時間、長、寬) 之時空體內，定義「基本單元」作為衡量車輛及 道路空間之共通單位。依此，不同實體大小的混合車流車輛即可用不同數目的「基本單元」加以 描述，不同車道寬度(如高速公路、市區街道)之車道或道路空間亦可用不同數目的「基本單元」 加以描述，且任何時間點道路空間的每個基本單元網格僅有二種狀態，不是被基本單元細胞佔 用，就是未被基本單元細胞佔用。傳統交通變數的定義係以車輛為單位，量測並建立其在系統中 流量、速率與密度彼此間之關係，然而在混合車流情況下，該定義並無法反應出不同實體大小的 車輛對於車道空間(長、寬)及時間佔有程度的差異，亦難以呈現精確之時空交通特徵。為改善此 些問題，本研究基於「基本單元」的定義，進一步以時空網格被車輛細胞移動軌跡所佔用之比例 代表佔有率，以車輛細胞每個時階移動的格位數代表速率，每個時階通過的細胞數代表流量，定 義廣義之時空佔有率、速率與流量，取代傳統狹義之定義，以精確描述異質混合車流車輛的總體 行為。 本研究屬連續型三年期計畫。第一年將發展精緻型細胞自動機基本模式及應用平台，作為後續兩 年實證研究之基礎。初步構想係在一個環形多車道上，研訂基礎前進及變換車道CA 規則，將參 酌跟車理論界定車輛的前進規則，使後車能依本身車速、與前車間距、速差等進行反應；另依據 大車、小車不同的運行特性，考量本身車速、前車間距、目標車道上下游狀況，定義出合適的變 換車道規則。再以異質駕駛特性(不同的速率、安全距離、干擾項有無等)，分別模擬不同車流密 度情況下，純車流(機車或小客車或大客車)與混合車流(不同比例之機車、小客車、大客車)之時 空交通特性，再構建總體交通流量、速率與佔有率的基本關係。後續兩年將依序進行本土化高速 公路及市區道路精緻型CA 模式的構建、驗證與應用。第二年將實地觀察我國高速公路之異質混 合車流運行行為，據以微調第一年所發展之基礎跟車及變換車道規則，使更符合高速公路之實際 駕駛行為，再模擬不同環境(多車道主線、上下匝道區、施工區、收費站等)及不同控制策略(如儀 控、速限)下之異質混合車流特性，剖析其時空交通型態及評估其控制績效。第三年將實地觀察 我國市區道路之異質混合車流運行行為，據以微調基礎跟車及變換車道規則，使更符合市區道路 之實際駕駛行為，再模擬不同環境(路口、路段、公車站、施工區等)及不同控制策略(如快慢分隔、 號誌時制、路口機車停等區等)下之異質混合車流特性，剖析其時空交通型態及評估其控制績效。 本研究發展出各種精緻型細胞自動機規則，進一步驗證於高速公路與市區道路環境中，模擬其異 質混合車流之時空交通特徵，預期發表一系列國際期刊論文，在異質車流與混合車流之CA 研究 領域可望居領先地位。