元胞自动机基于matlab元胞自动机模拟小区车流量含Matlab源码 358期

Posted 2021-05-20 唐门佛怒唐莲

一、简介

元胞自动机（CA）是一种用来仿真局部规则和局部联系的方法。典型的元胞自动机是定义在网格上的，每一个点上的网格代表一个元胞与一种有限的状态。变化规则适用于每一个元胞并且同时进行。典型的变化规则，决定于元胞的状态，以及其（ 4 或 8 ）邻居的状态。
1 对元胞自动机的初步认识
元胞自动机（CA）是一种用来仿真局部规则和局部联系的方法。典型的元
胞自动机是定义在网格上的，每一个点上的网格代表一个元胞与一种有限的状
态。变化规则适用于每一个元胞并且同时进行。
2 元胞的变化规则&元胞状态
典型的变化规则，决定于元胞的状态，以及其（ 4 或 8 ）邻居的状态。
3 元胞自动机的应用
元胞自动机已被应用于物理模拟，生物模拟等领域。
4 元胞自动机的matlab编程
结合以上，我们可以理解元胞自动机仿真需要理解三点。一是元胞，在matlab中可以理解为矩阵中的一点或多点组成的方形块，一般我们用矩阵中的一点代表一个元胞。二是变化规则，元胞的变化规则决定元胞下一刻的状态。三是元胞的状态，元胞的状态是自定义的，通常是对立的状态，比如生物的存活状态或死亡状态，红灯或绿灯，该点有障碍物或者没有障碍物等等。

二、源代码

%% 初始化运行空间
clear all;
%clc;
warning off;
dbstop if error
W = 0;
%% 模型主要参数设置
red_light_time = 60;%红灯时间
green_light_time = 40;%绿灯时间
fresh_frequency = 0.1;%刷新速率
num_of_street = 4;%小区道路的数量,也就是交叉口的数量
global pixellength;%定义全局变量车道长度
pixellength = 30;%主道的长度
side_length = 25;%小区边长
%% 用来统计数据的变量
global speed_index
speed_index=0;
loop_times = 10;%循环`次数;
time_step_length = loop_times*(red_light_time+green_light_time)/2;
avr_move_steps = ones(1,time_step_length);
store_num_of_cars = ones(1,time_step_length);
store_num_of_jam_cars = ones(1,time_step_length);
avr_mainroad_move_steps = ones(1,time_step_length);
%% 生成运行改进后的N-S模型所需的变量.
B = side_length+1;
L = 1;     
pixel = create_pixel(B,L,side_length);%生成元胞空间的状态矩阵
pixel = create_street(pixel , num_of_street+1 ,side_length);%生成小区道路
pixel_speed = zeros(size(pixel));%小车的速度矩阵,对应所在位置的小车的速度
temp_handle = show_pixel(pixel,B,NaN);%显示元胞矩阵
 %% 循环刷新每一时步的图像,统计数据.
for i = 1:loop_times
    waiting_time = 0;
    output = 0;
    entry = 0;
    traffic_capacity = 0;
    if mod(i,2)~=0
        pixel(end,end-1) = 0;%红灯变绿灯
        for xx=1:green_light_time            
            [pixel,pixel_speed,move_step,num_of_cars,num_of_jam_cars,avr_mainroad_move_step] = go_forward(pixel,pixel_speed); %前进规则
            [pixel,pixel_speed] = new_cars(pixel,1,pixel_speed); %将生成的车辆加到元胞空间矩阵中
            entry = entry + 1;
            %waiting_time = waiting_time + compute_wait(pixel); %进行求和求总的时间
            %==============
            temp_handle = show_pixel(pixel,B,temp_handle);%刷新图像
            %drawnow
            %==============
            pixel = clear_boundary(pixel);%将要离开系统的车辆，需要将车辆从系统中移除
            %k = k+1;
            pause(fresh_frequency);
            speed_index=speed_index+1;
            avr_move_steps(speed_index)=move_step;
            store_num_of_cars(speed_index) = num_of_cars;
            store_num_of_jam_cars(speed_index)=num_of_jam_cars;
            avr_mainroad_move_steps(speed_index)=avr_mainroad_move_step;
        end
    else
        pixel = red_light_on(pixel);%绿灯变红灯
        for xx=1:red_light_time
            
            [pixel,pixel_speed,move_step,num_of_cars,num_of_jam_cars,avr_mainroad_move_step] = go_forward(pixel,pixel_speed); %前进规则
            
            [pixel,pixel_speed] = new_cars(pixel,1,pixel_speed); %将生成的车辆加到元胞空间矩阵中
            temp_handle = show_pixel(pixel,B,temp_handle);%更新图像
            drawnow
            pause(fresh_frequency);
            pixel = clear_boundary(pixel);
            speed_index=speed_index+1;
            avr_move_steps(speed_index)=move_step;
            store_num_of_cars(speed_index) = num_of_cars;
            store_num_of_jam_cars(speed_index)=num_of_jam_cars;
            avr_mainroad_move_steps(speed_index)=avr_mainroad_move_step;
        end
    end               
end
function [pixel,pixel_speed,move_steps,num_of_cars,jam_cars,main_road_move_steps] = go_forward(pixel,pixel_speed)
%前进规则
%否则，该车以概率为prob前进到它前面的位置
[L, W] = size(pixel); %get its dimensions
prob = 0.9;
temp_pixel = pixel;
global total_speed;
num_of_cars=0;
speed_max = 3;%最大速度
jam_cars= 0;
move_steps=0;
main_road_move_steps=0;
%if  ~isempty(find(pixel(:,W-1)==-3,1))%在这一步时,消除拐玩进入小区道路时占用的pixel(i,j)
    pixel(pixel(:,W-1)==-3,W-1) =0;
    pixel(pixel<=-4&pixel>=-10) = pixel(pixel<=-4&pixel>=-10)+1;
%end
move_steps=0;
%% 车辆前进的逻辑

for i = (L-1):-1:1
    for j =1: W-1
        if temp_pixel(i,j) == 1%主干路的移动情况
            if temp_pixel(i+1, j) ~= 0%堵车啦
                if temp_pixel(i, j-1)==0&&(temp_pixel(i+1, j)&temp_pixel(i+2, j)) ~= 0%当车的右侧有入口且前方阻塞时右拐入小区
                    pixel(i,j) = -8;%在此时步占用 pixel(i,j)，下一时步再将pixel(i,j)设为0，以此来表示进入口对道路通行的影响
                    pixel(i, j-1) = -8;
                end
                pixel_speed(i,j) = 0;
            elseif prob >= rand%向前移动                
                if i+pixel_speed(i,j)>L%越过边界时                    
                    next = find(temp_pixel(i+1:L,j),1);%判断下一次的加速移动是否会碰撞
                if ~isempty(next)&&next~=1%会碰到则按照N-S规则,移动至前车n后并速度降为Vn-1
                    total_speed=total_speed+(next-1);
                    move_steps=move_steps+(next-1);
                    next = next + i;
                    pixel(next-1,j) = 1;
                    %disp(next)
                    pixel(i,j)=1;%既占用小区路口又占用
                    pixel_speed(i,j)=0;
                    pixel_speed(next-1,j)=1;                    
                elseif isempty(next)
                    pixel(i,j)=0;
                    total_speed=total_speed+pixel_speed(i,j);
                    move_steps = move_steps+pixel_speed(i,j);
                end
                    break;
                end
                temp_pixel(temp_pixel==-2)=3;%将红绿灯转成正数方便判断
                next = find(temp_pixel(i+1:(i+pixel_speed(i,j)),j),1);%判断下一次的加速移动是否会碰撞
                if ~isempty(next)&&next~=1%会撞到前车到则按照NaSch规则,移动至前车n后并速度降为Vn-1
                    total_speed=total_speed+(next-1);
                    move_steps = move_steps+(next - 1);
                    next = next + i;                    
                    %disp(next)
                    pixel(i,j)=0;
                    pixel(next-1,j) = 1;
                    pixel_speed(i,j)=0;
                    pixel_speed(next-1,j)=1;                    
                elseif isempty(next)
                    pixel(i,j)=0;
                    pixel(i+pixel_speed(i,j), j) = 1;
                    total_speed=total_speed+pixel_speed(i,j);
                    move_steps = move_steps+pixel_speed(i,j);
                    if (pixel_speed(i,j)+1)>speed_max
                        pixel_speed(i+pixel_speed(i,j), j)=speed_max;
                    else
                        pixel_speed(i+pixel_speed(i,j), j)=pixel_speed(i,j)+1;
                    end                   
                end               
            end

三、运行结果

四、备注

版本：2014a
需要完整代码或代写加QQ 1564658423