（交通运输规划与管理专业论文）信号交叉口人行横道的行人交通特性研究.pdf

摘要 摘要 行人交通是交通系统中的重要组成部分，特别是在交叉口等行人比较密集 的地点，行人、机动车和自行车之间的冲突广泛存在，由此会引起延误的增加， 通行能力的下降；另外，从交通安全的角度出发，行人在交叉口的交通事故中 受害较大。本论文把信号交叉口人行横道处的行人作为研究对象，利用人工观 测与先进的g p s ，视频采集技术，从以下几个方面对行人特性进行了分析，包 括行人过街步行速度特性、行人过街的启动时间和加( 减) 速度特性、行人一 机动车冲突特性研究和行人交通流模型。 对于行人过街步行速度特性、行人的启动时间和加( 减) 速度特性，主要 讨论不同的因素对行人步行速度的影响，这些因素包括交叉口类型、行人性别 和年龄以及行人的注意力水平。通过大量的实测数据，提出了北京市行人步行 速度、启动时间和加( 减) 速度的总体分布特征参数。 在研究行人机动车冲突特性时，首先根据冲突交通流的不同，行人一机 动车的冲突类型进行了划分。结合实际的观测数据，利用l o g i t 模型描述了信 号交叉口人行横道处行人选择间隙的行为，并利用回归分析的方法，标定了车 头时距、行人等待时间以及行人数量对行人选择间隙行为的影响系数。最后， 通过对模型的检验和验证，证明该模型具有较好拟合度，其预测精度达到8 5 。 对于行人交通流模型，把行人按照不同的出行目的，分为出勤和购物两种， 利用二次多项式模型构造了行人交通流运行的统计模型，最后基于统计模型推 荐了北京市人行横道的通行能力值。 关键词行人；人行横道：步行速度；行人一机动车冲突；行人交通流模型 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p e d e s t r i a ni so n ei m p o r t a n tp a r to ft r a f f i cs y s t e m ，e s p e c i a l l ya ti n t e r s e c t i o n sw h e r et h e p e d e s t r i a ni sv e r yc r o w d e d m a n y c o n f l i c t sa m o n g p e d e s 订i a n s ，v e h i c l e sa n db i c y c l e sf l o we x i s t s ， w h i c hi n c r e a s ed e l a ya n dd e c r e a s e sc a p a c i t yo ft h ei n t e r s e c t i o n s i na d d i t i o n ，f r o mt h ep r o s p e c t o ft r a f f i cs a f e t y , p e d e s t r i a ni se a s yt ob ei n j u r e da tt h et r a f f i cc o n f l i c t i n gp o i n t s i nt h ep a p e l p e d e s t r i a ni nc r o s s w a l k sa ts i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n sw a ss t u d i e du s i n ge l e c t r o n i cs t o p w a t c ha n d a d v a n c e dg p s ，v i d e ot e c h n i q u e t h i sp a p e ri sm a d eu po f t h ef o l l o w i n gp a r t s c h a r a c t e r i s t i c so f p e d e s t r i a n w a l k i n gs p e e d ，p e d e s t r i a ns t a r t - u p t i m ea n d a c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o n ， p e d e s t r i a n - v e h i c l ec o n f l i c t i o n ，p e d e s t r i a nt r a f f i cm o d e l i nt h ep a r t so fp e d e s t r i a nw a l k i n gs p e e dc h a r a c t e r i s t i ca n dp e d e s t r i a ns t a r t u p t i m ea n da c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h ec h a r a c t e r i s t i c si s a n a l y z e d u n d e rd i f f e r e n tf a c t o r s ，s u c ha st h et y p eo ft h ei n t e r s e c t i o n ，p e d e s t r i a ns e xa n da g e ， p e d e s t r i a na t t e n t i o nl e v e l b a s e do nm a n ys u r v e yd a t at h ep a p e rp u t sf o r w a r d o v e r a l l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p e d e s t r i a nw a l k i n gs p e e d ，s t a r t u p t i m ea n d a c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o ni nb e i j i n g i nt h ep r o c e s so fs t u d y i n gp e d e s t r i a n - v e h i c l ec o n f l i c t , c o n f l i c tc h a r a c t e r i s t i c w a sd i v i d e di n t os e v e r a ls o r t sa c c o r d i n gt os e v e r a lc o n f l i c t i n gf l o w s b a s e do nt h e b i n a r yl o g i tm o d e l ，t h i sp a p e r d e s c r i b e st h eb e h a v i o r st h a tt h ep e d e s t r i a nc h o o s et h e a c c e p t a n c eg a p ，i nt h es a m et i m eu s i n gt h er e g r e s s i v ea n a l y s i sm e t h o d ，t h i sp a p e r a l s oc a l i b r a t e st h ei m p a c t i n gc o e f f i c i e n to ft h ev e h i c l eh e a d w a yt i m e ，p e d e s t r i a n w a i t i n gt i m ea n dp e d e s t r i a n n u m b e rt ot h eb e h a v i o r so f p e d e s t r i a nc h o o s i n gt h eg a p i nt h ee n d ，t h r o u g h v a l i d a t i o n ，t h i sp a p e rp r o v e st h em o d e lh a sg o o df i t n e s sa n d8 5 p r e c i s i o n i nt h ep a r to fp e d e s t r i a nf l o wm o d e l ，p e d e s t r i a nw a sd i v i d e di n t ot w o t y p e s ： t h o s ew h oa r ei nw o r k i n gp u r p o s ea n dt h o s ew h oa r ei ns h o p p i n gp u r p o s e b yt h e i r t r a v e lp u r p o s e s a c c o r d i n gt ot h em o d e lo faq u a d r a t i c p o l y n o m i a l ，t h i sp a p e r b u i l d s a p e d e s t r i a nt r a f f i cf l o ws t a t i s t i c a lm o d e l a n d f i n a l l yg i v e st h ep e d e s t r i a nc a p a c i t yo f c r o s s w a l kb a s e do nt h es t a t i s t i c a lm o d e li nb e i j i n g k e y w o r d s p e d e s t r i a n ；c r o s s w a l k ；w a l k i n gs p e e d ； p e d e s t r i a n - v e h i c l ec o n f l i c t i o n ；p e d e s t r i a nf l o wm o d e l i i - ， 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的觋究工维及取褥的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：趟垒日期：坦垒：! ：多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其f 电复制手段保存论文。 签名：必垒导师签名：垃吼醴g 第1 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 2 0 0 1 年，北京市科委设立了研究项目“信号交叉口优化仿真设计系统”。 其中的一个分课题是“信号交叉口行人交通行为研究”，该课题的目标是要通过 研究北京市信号交叉口的行人交通流，提出行人交通流的特性参数，为交叉口 微观仿真系统提供数据支持。 行人活动是城市交通中的一个重要的组成部分，行人特征是交通系统设计 与运行中的一个重要因素。集中的行人交通出现在公共场所，如公共交通起终 点、高层建筑、商店、剧院、体育场、停车库、及其周边地区等。步行交通在 交通系统中占有很大的比重，据2 0 世纪9 0 年代初的统计，在大于2 0 0 万人口 的城市，出行总量中约占3 5 ，1 0 0 - 2 0 0 万人口的城市中约占4 0 ，少于1 0 0 万人口城市约占4 5 左右。经济发达国家步行出行比重稍低。【1 】 信号交叉i z l 的行人设施包括人行横道、人行天桥、过街地道等三种交通设 施，人行天桥和过街地道这两种行人设施不在交叉口街道转角内部，行人步行 通过这些设施的时候基本上不会和自行车和机动车发生冲突。在交叉口内部， 人行横道是行人和其他交通工具发生冲突最集中的地点，当冲突严重的时候直 接会导致交通瘫痪。机动车、自行车和行人之间相互冲突的局面参见图1 1 。 图i - 1 机动车、自行车、行人混杼的交叉1 ：3 f i g u r e l 1v e h i c l e s - b i c y c l e s - p e d e s t r i a n sm i x e da ti n t e r s e c t i o n s 国内外一些学者曾对行人交通进行了大量的研究，由于地域、气候、行人 身高，行人组成等各方面都存在差异，使得以往的研究结果并不能直接用于北 京的行人交通。 北京工业大学工学硕士学位论文 因此，本文主要从信号交叉口出发，把人行横道作为主要的研究对象，研 究行人通过人行横道时的交通流特性，从而提出人行横道的行人通行能力。 1 2 基本概念 行人交通流的基本理论与机动车交通流理论有相似之处，也用密度、速度 与流量三个参数描述行人交通流。此外仅与行人交通流有关的指标，还有：行 人空间需求、行人流的穿越能力、步行速度与净空要求。 行人交通流分析需要用一些专门名词，界定如下：【2 】 1 ) 步行速度：是行人步行的平均速度，以m s 、m m i n 表示： 2 ) 步行流率：是单位时间通过某一点的行人数量，以人r a i n 表示； 3 ) 平均行人流量：单位宽度路面上行人流量是单位有效行人设施宽度的 平均行人流量，以人r r d m i n 表示； 4 ) 行人密度：是在行人设施上或有行人排队处，每单位路面面积上行人 的平均数，以人，m 2 表示： 5 ) 行人空间：是在人行道或有行人排队处提供给每位行人的平均面积， 常以每位行人占用平方米计，它是行人密度的倒数，以m 2 人表示； 1 3 论文的研究意义 行人通过交叉口的时候，由于行人出行目的不同、个体差异，其运行状态 随着道路条件和交通条件而发生变化。尽管这种变化非常复杂，但是通过大量 观测分析，各种运行状态是具有一定规律的。论文对于行人的交通特征和交通 流特性所涉及到的几个方面进行了讨论，行人的交通特征包括行人的速度、加 速度、启动时间和可接受间隙。行人的交通流特性是通过对行人流量、速度及 密度三者之间的关系研究获得的，并且建立人行横道行人交通流模型，本论文 具有以下的研究意义： 1 ) 利用实测数据，提出了行人的速度、加速度、启动时间等特征参数： 2 ) 对于混合交通中的行人一机动车的冲突现象进行了研究，提出了基于 行人一机动车冲突的行人可接受间隙模型； 3 ) 对于现有交叉口的人行横道，利用行人交通流模型可估算其通行能力 和达到通行能力时的运行条件； 4 ) 对于规划和将改造的人行横道，可以借助行人的通行能力来确定人行 横道的宽度等几何要素和行人配时方案等控制要素； 第l 章绪论 1 4 论文的主要内容 论文将研究的内容分为7 章进行讨论。第l 章为绪论，简要介绍研究背景， 研究内容及研究意义。第2 章为国内外研究综述，对以往的行人交通特征和交 通流模型的研究做了回顾。第3 章为行人交通流的数据采集，详细介绍了论文 将要采用的数据采集方法，并进行了数据采集方案的设计。第4 章为行人的步 行速度特性，讨论了不同的影响因素对行人步行速度的影响。第5 章为行人的 启动时间和加( 减) 速度特性，对行人的启动时间和加速度分类进行了研究。 第6 章为行人一机动车冲突特性，从行人一机动车的冲突现象入手，运用微观 分析手段，结合数学分析工具，提出了行人可接受间隙的概率模型。第7 章为 行人交通流模型，首先，对以往的研究进行了讨论，针对数据特点给出了研究 方法及数据处理方法。然后，利用二次多项式方程建立了行人交通流运行特性 的统计模型。最后是结论。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章国内外研究综述 对于行人交通的研究国外要早一些，f m i n p 蝙写了行人交通的代表性著作 ( p e d e s t r i a n p l a n n i n ga n d d e s i g n ) ) ，该书对行人交通的发展奠定了基础。而后， p u s h k a r e v , b ，a n dz u p a n ，j m 编写了u r b a ns p a c ef o rp e d e s t r i a n s ) ) 一书，本书也 涵盖了行人交通的多个方面。为以后行人交通的研究方向产生了巨大的影响。 综合国内外学者对于行人交通的研究成果并结合本论文的研究方向，本章主要 分两个方面来进行国内外研究的回顾，包括行人的交通特征和行人的交通流模 型。 2 1 行人交通特征研究回顾 行人的交通特征主要研究行人基本的交通特性，包括行人的步行速度、启 动时间和加速度。 2 1 1 步行速度 步行速度是研究行人交通的一个重要指标，也是评价行人设施服务水平的 参考指标。 国外对于行人步行速度的研究开展的较早，加拿大的a n nc o f f i n 和j o h n m o r r a l l l 5 j 就对老年人的步行速度进行了研究，对6 个交叉口进行了数据采集， 采用计时设备记录行人通过人行横道的时间。用人行横道的长度除以步行时间 就得到了行人的步行速度。另外，在行人通过人行横道之后，进行问卷调查， 询问通过人行横道时影响步行速度的因素。 他们得到了以下的结论： l 、老年人的步行速度随着行人的性别和交叉口的类型不同而变化。 2 、老年人在过街的时候还表现出一些问题，包括害怕转弯的车辆、对来 车速度的判断不准确、没有留意路缘石、对行人过街交通信号缺乏认识。 3 、在靠近医院的交叉口，由于老年人和病人居多，因此，人行横道的设 计步行速度为1 0m s ，在其它的交叉口，建议设计步行速度为1 2m s 。 美国宾夕法尼亚州交通研究所的k n o b l a u c h1 6 1 等人对交叉口处步行速度和 启动时间进行了研究。他们充分分析了不同的因素对行人步行速度的影响，他 们考虑的因素有行人自身的因素和环境因素，行人因素有性别和年龄，是否单 独走还是结伴而行等，环境因素有人行横道的长度、机动车是否限速、路缘石 ! ! e s ! ! ! i i 一 i _ _ 目g ! ! ! _ ! l _ l ! ! ! ! ! ! ! g 自目_ s ! ! e 的高度、机动车的车道数、行人信号灯的类型、道路功能划分、人行横道类型 和渠化程度等因素，他们采用手动秒表进行数据采集，得到了如表2 - l 6 】所示的 行人步行速度。 表2 - 1 行人的步行速度 t a b l e 2 1p e d e s t r i a nw a l k i n gs p e e d 观测人数平均速度 1 5 位速度 青年老年青年 老年青年 老年 男性 9 8 41 1 8 0 1 5 l1 2 61 2 70 9 9 女性 1 0 9 71 1 9 81 4 11 1 4 1 1 80 9 1 合计 2 0 8 l2 3 7 81 4 61 2 01 2 l0 9 4 从表2 1 中可以看出，性别和年龄对于行人的速度影响显著，从性别分类 来看，男性的步行速度要高于女性的步行速度，结合年龄的因素，女性青年比 男性青年慢0 ，l m s ，而女性老年( k n o b l a u c h 设定为大于6 5 岁) 比男性老年的 速度慢o 1 2 m s ，k n o b l a u c h 指出以1 5 位的行人步行速度作为设计速度，从表 中可以看出，以o 9 1 m s 作为设计步行速度。 t a n a b o r i b o o n 7 1 胤【9 1 对行人进行了长期的研究，新加坡的行人步行速度见表 2 - 2 1 7 1 。 表2 - 2 行人的步行速度 t a b l e 2 - 2p e d e s t r i a nw a l k i n g s p e e d 行人分类 特性 男性女性全部老年人中学生 平均步行速度( m s ) 1 3 1 71 1 51 2 30 91 2 6 7 最大值 2 0 51 6 82 0 51 1 51 9 7 最小值 0 7 30 6 3o 6 30 ，60 9 3 样本量2 5 42 6 55 1 98 04 0 7 t a n a b o r i b o o n 也是发现速度受到性别和年龄的影响，从表2 2 中可以看出 男性的速度比女性快o 1 6 r n s ，而中学生的速度则略高于成年人的速度。对比表 2 - 2 和表2 - 1 的老年人的速度，可以发现t a n a b o r i b o o n 给出的老年人的速度比 k n o b l a u c h 的低0 3 r n s ，究其原因，东方人在体形上比西方人要小一些，在体质 北京工业大学工学硕士学位论文 上也有一定的差异，另外，交叉口的选择也会对结果有影响。 美国的i t e ”诒出行人的步行速度为i 2 m s ，但是又指出1 5 位步行速度 为1 1 m s 。在1 9 9 4 年出版的h c m l i l 】的第十三章“行人”中提到，行人的步行 速度取1 4 m s ，但在第九章“信号交叉口”中，h c m 又把1 2 m s 作为1 5 位 行人步行速度。2 0 0 0 年出版的h c m l l 2 1 取1 2 m s 作为行人步行速度，同时又指 出行人的步行速度依赖于老年人( 超过6 5 岁) 的比例，当老年人比例超过2 0 的时候，h c m 推荐采用1 0 m s 作为行人的步行速度。显然，2 0 0 0 年的h c m 就考虑到了年龄对于行人的步行速度的影响。 国内在行人方面研究较早的是香港的w i l l i a mh k l a m c l 3 4 5 q 和东南 大学的徐吉谦【”等人。w i l l i a mh k l a m 等人对香港不同的行人设施进行了行人 的速度研究，其中，在交叉口人行横道行人的平均速度为1 2 7 m s 。东南大学的 徐吉谦等人在对南京新街口等三处的行人进行数据采集之后，考虑了年龄和性 别对行人速度的影响，得到表2 3 【1 。”。 表2 - 3 行人的步行速度 t a b l e 2 3p e d e s t r i a n w a l k i n gs p e e d 青年中年老年 男性 1 3 2l ，2 81 1 0 女性 1 2 li 2 01 0 i 徐吉谦等人对年龄分成了三个等级，青年、中年和老年，青年和中年在速 度上的差别不是很大，特别是青年女性和中年女性的速度相差更少。 行人的步行速度同行人的自身因素、道路交通条件、环境条件有关。影响 速度的行人自身因素包括：体力、出行耳的、情绪和意志等；影响速度的行人 道路交通条件包括：道路纵坡、道路宽度、隔离条件与方式、交叉口控制等因 素。回顾以前的行人的步行速度研究，国内外的研究人员几乎都把行人的步行 速度与行人的年龄和性别联系起来，讨论年龄和性别对行人步行速度的影响。 2 1 2 启动时间和加速度 行人的启动时间是指信号灯变为绿灯时，行人从静止状态到启动的反应时 间。行人的加速度是研究行人的步行速度变化程度。 美国宾夕法尼亚州交通研究所的k n o b l a u c h l 6 等人对交叉口处步行速度和 启动时间进行了研究。k n o b l a u c h 得到了如表2 4 t 6 所示的行人启动时间，从表 中可以看出，按照性别分类，男性的启动时间要少于女性，结合年龄因索，男 6 第2 章国内外研宄综述 i i in u l l 性青年比女性青年的启动时间侠o 1 8 秒，男性老年也是比女性老年快0 1 8 秒。 他们采用的数据采集手段是手动秒表，这种数据采集方法不能完全适用于 行人启动时间这种过街行为，首先，采集手段较为粗略，单纯地用秒表，因为 启动时间是一个只在3 秒之内就可以完成的过程，不象采集步行速度时行人行 走的时间较长，所以，这就会导致差错的出现，表现为确定行人启动时机的准 确性不够和采集数据人员的反应时间不同。其次，他们紧紧选取明显遵守交通 规则的行人作为启动时间的观测对象，在他们结果的讨论中，他们指出好多遵 守交通规则的行人是因为受到了机动车的影响。尽管存在这些不足，但他们发 现只是产生很小的差别，而影响启动时间的首要因素是行人的年龄。 k n o b l a u c h 等人还比较了单个行人和多个行人的启动时间，起初他们推测 由于存在多个行人，队伍中最快的人的启动时间就是多个行人的启动时间，但 是，结果却表明多个行人的状况并没有对行人的启动时间有预期的影响，青年 人在单个行人人和多个行人情况下的启动时间都为i 2 9 秒，而老年人在单个行 人的情况下的启动时间是2 5 秒，在多个行人的情况下是2 4 3 秒。 表2 - 4 行人的启动时间 t a b l e 2 - 4p e d e s t r i a us t a r t - u pt i m e 分类观测人数平均值 8 5 位 青年老年青年老年青年老年 男性1 5 8 1 9 51 8 32 3 92 7 6 3 6 6 女性1 9 7 2 0 52 o l2 ，5 73 3 】3 9 5 台计3 5 54 0 01 9 32 4 83 ，0 63 7 6 v i r k l e r i t s 研究了交通信号对行人影响的几个方面，但是他重点关注的是排 队行人总的启动时间，他提出的启动时间没有涉及到对单个行人的情况。 v a u g h a n 和b a i n j g 对澳大利亚的高中学生进行了加速度和速度的研究，利 用微波技术进行数据采集，考虑了多种因素的影响，包括性别、年龄、身高和 体重。使用的数据采集手段比以前的采集方法有了明显的进步。他们预先设定 了1 5 米的距离，加速度是采集前5 米的数据，提出的加速度范围为1 9 6 3 9 2 。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 行人交通流模型回顾 行人交通流的基本原理是和机动车相似的，也用速度、 数描述行人交通流。交通流三变量之间的关系可表示为： 口= 砌 其中：q 行人流量( 人m m i n ) ； 密度与流量三个参 式( 2 1 ) “行人流速度( m m i n ) ； 行人密度( 人，m 2 ) 。 上式称为交通流模型，它表示的是一种三维空间关系。为研究方便起见， 常用二维的速度一流量模型、速度一密度模型及流量一密度模型来表示它们两 两之间的关系【2 0 】( 见图2 - 1 ) 。 从1 9 3 3 年g r e e n s h i e l d s 提出速度密度关系的线性模型至今，国外专家 对交通流模型进行了几十年的研究，先后提出了许多描述速度、流量、密度之 间关系的统计模型。行人交通流模型是在机动车交通流模型的基础上发展起来 的，也是采用与机动车相似的分析方法。 图2 - 1 流量一密度、速度一密度、速度一流量正交投影 f i g u r e 2 1f l o w - d e n s i t y 、s p e e d - d e n s i t y 、s p e e d f l o wv e r t i c a lp r o j e c t i o n 钆一 一b 第2 覃国内外研究综述 2 2 1 速度流量关系 由于行人的速度与流量的数据容易直接采集，因而国外对速度流量关 系的研究比较多。速度一流量模型常用于评价交通运行状况、估算服务水平。 较为经典的速度流量模型是g r e e n s h i e l d s 的抛物线模型，其表达式为： q = k 一“2 “，) 。它是由速度一密度的线形关系推导出的，1 9 8 5 年版的h c m 也采用了此种曲线，并总结了近几年国外许多研究成果，得出行人的速度一流 量曲线如图2 2 所示。 蠢量 人m i n i m ) 图2 - 2速度流量关系示意图 f i g u r e 2 2r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns p e e da n df l o wf o rp e d e s t r i a n 这些曲线与机动车的曲线相似，它表明当人行横道有少量行人时( 低流量 水平) ，空间较大，行人可选择较高的步行速度。当流量增加时，由于行人间隔 较近，速度就下降了。当达到拥挤的临界水平时，行走变得很困难，流量和速 度都下降了。 2 2 2 速度密度关系 起初，对于速度密度关系的研究是基于机动车的交通流，这对行人交 通流模型的发展有着很大的影响。 在机动车交通流方面，首先是骶e n s h i e l d s 2 l 】提出了线性模型；而后 g r e e n b e r g 、u n d e r w o o d 2 b 提出了对数模型，分别描述大密度和小密度状态下的 速度密度关系；p i p e s 、m u n j a l 以及d r a k e 2 1 】提出了一组单段式模型曲线族 来描述速度密度关系；e d i e 及d i c k 2 j 】贝日在考虑不同流量下各模型的适用性 的基础上，提出了各种多段式组合模型，如图2 - 3 2 2 1 。 北京工业大学工学硕士学位论文 k 。k 图2 - 3速度密度关系示意图 f i g u r e 2 3r e l a t i o n s h i p s b e t w e e ns p e e da n d d e n s i t y 在行人交通流方面，研究人员把g r e e n s h i e l d s 线性模型作为研究行人的速 度密度关系的起点，o l d e r l 2 卅对于英国伦敦的行人进行了调查，他发现人行 道的行人的速度和密度呈现出递减的线性关系，行人在低密度的条件下的速度 是1 4 m s 。在高密度状态( o l d e r 定义的是4 人，每平方米) ，行人的速度是0 3 m s 。 h a n k i n 和w r i g h t t 2 4 1 两人对地铁处的乘客交通流进行了研究，他们提出行人的速 度与密度的非线性关系。 v i r k l e r 和e i a y d a t h 【2 习研究了利用七种模型来分析球赛散场时的人流，通过 分析指出3 段式的模型不是很适用，而两段式的e d i e 模型优于单段式模型，在 单段式模型中，m a y 的b e l l 模型较好。 p o l u s ，s c h o f e r 和u s h p i z 【2 q 分析了单段式和三段式模型的特点，指出三段 式模型对于定义服务水平时较容易理解。 h c m 给出了不同分类的行人速度与密度之间的关系，如图2 4 f 所示。 第2 章国内外 ! j 1 = 究综述 ! ! ! i 一 i g e ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 密度人m ) 图2 - 4 速度密度关系示意图 f i g u r e 2 4r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns p e e da n dd e n s i t yf o rp e d e s t r i a n 2 2 3 流量密度关系 流量密度曲线在交通控制中具有重要作用，所以通常把流量一一密度 曲线叫做“交通基本图表”。除了经典的倒u 型模型外，与多段式速度密 度关系相对应，还提出了流量密度的间断模型。 a k s a r k a r 2 7 1 研究了印度行人交通流的速度、密度和流量三个参数之间的 关系，如图2 - 5 l ”】所示，就是s a r k e r 得到的行人流量密度的关系图。从图 中可以看出，他采用传统的二次抛物线的形式进行数据拟合，在小密度的情况 下( 小于0 - 8 人m 2 ) ，数据拟合的比较好，在行人大密度条件下，数据显得比 较离散，变化范围从6 0 人m m i n 到l o o 人m m i n 。 妄 e 拦 。 蒯 媛 圈2 - 5 流量密度关系示意图 f i g u r e 2 5r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf l o wa n dd e n s i t yf o rp e d e s t r i a n 北京工业大学工学硕士学位论文 ! ! ! e ! ! ! 目g ! ! ! 目e ! ! 目e ! ! ! 自l ! 目! i i 。自i i 目_ ! ! ! ! _ e s ! ! ! _ ! ! ! ! ! ! ! ! 自 2 3 本章小结 在行人交通特征和交通流模型两个方面，国内外取得了一定的成果，提出 了行人的步行速度、启动时间和加速度，并用统计的方法对速度、流量和密度 三者之间的关系进行了讨论。其中，存在以下不足： 1 ) 由于数据采集手段有限，对于微观特性的研究有限； 2 ) 国内行人交通的研究不多，已有的数据年代久远，随着经济的发展， 行人交通行为发生了较大的变化。国内缺乏这方面的数据支持。 鉴于以上两种情况，选择基础性的行人交通行为为研究对象，从交通特征 和交通流模型两个方面展开研究。 第3 章信号交叉口放行方法研究 第3 章行人交通流的数据采集 交通流特性研究是通过大量的现场观测，来分析交通流运行的基本规律， 所以具有大量的能够反映实际交通流运行状况的数据是这一工作的前提和保 证。现场调查数据的好坏关系到后续工作是否能顺利进行以及研究成果是否能 反映交通流的实际规律，而数据采集则是影响调查数据质量的重要因素。同时， 由于行人交通流随机性强，受到的干扰因素比较复杂，因此，必须对数据采集 方案进行进行详细的设计。 论文研究的是行人交通，当进行数据采集的时候，选择适当的数据采集方 法是很重要的，通过对传统的数据采集方法的分析，并结合行人的交通流特性， 提出行人数据采集的方法。 3 1 数据的需求分析 在进行数据采集之前要明确需要采集的数据，本论文是研究人行横道处的 行人交通流特性，包括行人的速度、加速度、集结密度等交通特性，并以此为 基础提出宏观的行人交通流速度、密度、流量模型，所以，从所需数据的角度 来看，需要对不同类型的单个行人进行数据的采集。 本论文需要采集的数据具有以下特点： 1 ) 采集对象的特殊性。以往的数据采集很少是专门针对行人进行的数据 采集，通常都是在不同的交通设施下采集机动车的数据，本论文以行人的数据 作为基础，表现出了采集对象的特殊性； 2 ) 采集数据的多样性。需要采集单个行人的每一时间间隔的位移、速度、 加速度、集结人数等数据； 3 ) 采集数据的连续性。需要采集在一定时间与空间跨度上的数据。在研 究行人和机动车冲突的过程和集结人数都需要得到在一定时间长度或空间范围 内相关的连续数据。 3 2 数据采集方法的选择 行人的交通流数据采集方法是在机动车数据采集方法的基础上发展起来 的，可以分为人工观测法、仪器自动检测法。仪器自动检测法指利用传感器技 术、微电子技术、超声波技术、g p s 技术、视频技术来进行交通流检测的方法。 北京工业大学工学硕士学位论文 结合3 i 数据的需求分析来讨论数据采集方法的选择： 1 ) 从采集对象的特殊性来考虑，由于数据采集的对象是行人，其运动轨 迹与机动车存在着显著的差别，观测行人的步行轨迹，可以发现，行人的步行 轨迹具有随意性，并不象机动车那样按照车道行驶，而传统的数据采集方法多 是基于车道的，比如基于传感器技术、微电子技术，超声波技术的数据采集方 法首先是用于采集机动车的流量、速度等交通特性的，也有部分学者进行试验 性的应用到行人的数据采集中，但是，结果并不是很理想。而g p s 技术作为一 种先进的数据采集方法，可以适应行人行走随意性的特点，并能够实时记录数 据，另外，视频技术近年来已经广泛应用到行人的数据采集中。 2 ) 从采集数据的多样性来考虑，由于需要采集行人的速度、加速度、行 人可接受间隙、集结人数等多个方面的微观特性，也就是每个时间段要采集的 数据种类较多，视频技术的采集方法具有重现性的优点，对于采集多种数据比 较适合。 3 ) 从采集数据的连续性来考虑，由于需要采集行人在一定时间段内的连 续数据，人工方法对于长时间的观测显然不太适用，而视频采集方法花费的人 力较少，可以适应长时间数据采集的特点。 因此，基于以上三点原因，采用人工观测法、g p s 采集方法和视频采集方 法进行数据采集，具体数据所采用的采集方法如下： 对于行人步行速度的数据采集，主要采用人工观测方法进行数据采集，通 过用秒表记录行人通过人行横道的时间，从而得到行人的步行速度，并记录行 人的性别、年龄等参数。 对于行人的加速度和启动对间、行人机动车冲突数据、行人交通流数 据采用基于视频的采集方法进行数据采集，并利用g p s 来分析行人的启动过程。 3 2 1 人工观测法 人工观测方法是一种应用最广泛的方法，采用这种方法需要的工具十分简 单。常用的工具为秒表、计数器、尺子等。人工观测方法具有机动灵活、易于 掌握、精度高的特点，但是，若用人工观测方法进行长期连续的调查，则耗资 巨大，常多用于短期的交通调查。 3 2 2 基于g p s 技术数据采集方法 3 2 2 1g p s 系统组成 g p s ( 全球卫星定位系统) 【2 8 】，【2 明是由美国国防部为军事目的建立的卫星导 航全球定位系统，能为全球任何地方和近地面空间的用户独立地提供连续导航 第3 苹信号交叉口放行方法研艽 数据。它采用被动式全天候导航，用户只需配置g p s 接收机，就可以接收g p s 信号进行定位和导航，不要求发射任何信号，不受天气影响。该系统一次性定 位时间只需几秒至几十秒，实现了近实时导航，能连续为各类用户提供高精度 三维( 经度、纬度和高度) 定位和三维速度和精确时间数据。它可提供精确定 位与标准定位两种服务：精确定位误差小于1 0 m ，该功能仅供美国及其盟国地 军事部门和特许民用部门使用；标准定位精度约为1 0 0 m ，向全世界开放。其测 速误差小于0 1 m s 。 g p s 经过我国测绘等部门近1 0 年的使用表明，g p s 以全天候、高精度、 自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大 地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工 程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深 刻的技术革命。g p s 采集数据具有以下优势： 1 ) 全天候工作 2 ) 能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天 气的影响。 3 ) 定位精度高，单机定位精度优于1 0 m ，采用差分定位，精度可达厘米 级和毫米级。 4 ) 体积较小，易于携带和安装，基站和流动站的所有设备都装在可手提 的袋里，易于运输和携带。接收装置安装在车项上，对驾驶员无任何干扰。 5 ) 功能多，应用广 随着人们对g p s 认识的加深，g p s 不仅在测量，导航，测速，测时等方 面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。 该设备应用在交通领域中，对现有的数据采集设备是一个及时的补充。它 能够采集到交通流中车辆的连续速度数据和行车轨迹，真实反映车辆的行驶状 态和司机的驾驶行为。对于分析区段间的车辆速度变化和加速度变化特征提供 有力的数据支持。 g p s 系统设计包括三个部分：空中部分，控制部分和用户部分。 空中部分由n a v s t a r g p s 卫星组成。为用户提供定位、定时、距离修正 数据、卫星状态和卫星轨道参数等信息。卫星或者通过空间车号码( s v n ) 或 者伪随机代码( p r n ) 来进行识别。随机代码( p r n ) 由n o v a t e lg p s 接收卡 使用。g p s 卫星在两个l 波段频率上发射，一个集中在1 5 7 5 4 2 m h z ( l 1 1 ，另一 个集中在1 2 2 7 6 0 m h z ( l 2 ) 。l 1 载波通过c a 代码( 粗糙) 和p 代码( 较精确， 北京工业大学工学硕士学位论文 主要用于机密军事行为和其他权威用户) 进行调整，l 2 载波只能通过p 代码来 调整。 控制部分包括一个主控制站，五个参考站和三个注入站。参考站通过广播 信号跟踪和监督卫星。广播信号包括卫星的星历数据、距离修正信号、时钟时 间和年鉴数据。这些信号被传送给主控制站，在这里星历文件被重新计算。调 整纠错后的星历和授时信息通过数据加载站发回卫星。 用户部分指g p s 接收机，包括跟踪和接收卫星信号的设备。用户设备能 够同时处理来自至少四颗卫星的信号，以获得精确的定位、速度和授时方法。 用户还能够利用卫星信号提供的数据来完成特定的任务需求。我们接触和利用 的就是用户部分，型号为n o v a t e lg p s ，由一个基站和两个流动站组成。具体 包括的组件有主接收机、电台、天线、电源、和各连接线缆。 3 2 2 2g p s 数据采集流程 准备工作 检查设备各组件的状态，检查电源是否已充足电，确保各部件正常； 架设g p s 基站 基站架设在地势较为开阔、平坦，上方无遮挡物的高台处，同时周围必 须无无线电发射台，以防对接收和发射信号有干扰。在连结好基站各部件后， 需要通过笔记本电脑来检查卫星接收状况，确认通讯状态和定位精度良好。 架设流动站 将流动站的接收装置一天线和发射装置一无线电台放在背包里面，行人背 着行走，保证安装稳固，连结各组件，接通电源。为了使差分模式有效消除各 种类型的系统误差，要求基站和流动站必须同时跟踪和收集来自至少四颗共同 卫星的数据。 干扰记录 行人行走的过程中，用秒表记录到达标志性的时间，为后来的速度分析中 作为参考。 图3 1 所示的就是利用g p s 进行数据采集的示意图。 第3 章信号交叉口放行方法研究 图3 - 1g p s 设备工作示意图 f i g u r e 3 - 1d e m o n s t r a t i o no f g p sd e v i c e s 3 2 3 基于视频技术数据采集方法 3 _ 2 f 3 1 视频技术数据采集方法的回顾 2 0 世纪8 0 年代后期，在美国以及其他国家开始出现视频图像检测系统， 并希望它能成为感应线圈的替代品。目前在市场上最具有代表性的产品是美国 i m