（系统工程专业论文）交通系统的微观仿真及其参数校正研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 交通流理论是运用数学和物理知识来描述交通流特性的一门边缘科学，它用 分析的方法阐述交通现象及其机理，使人们能更好地理解交通现象及其本质，并 使城市道路与公路的规划设计和营运管理发挥最大的功效。微观交通流仿真以单 个车辆行为作为建模的基础，不仅可以从宏观层面对交通系统的运行性能进行统 计分析，而且还可以从车辆的行驶行为、车道的设置及交通设施的配置等各个微 观细节来分析交通系统的特征或者优化其性能，是研究交通流的有效工具。 本文通过对国内外交通流仿真系统的研究，实现了针对中国混合交通的仿真 模型，研究交通流特性参数与交通个体行为之间的关系，提出并实现了一种可行 的仿真系统参数校正方案。全文的主要研究工作及相关成果总结如下： ( 1 ) 研究混合交通流的微观模型。参考机动车跟驰模型和非机动车矢量场模型 的相关研究，并对驾驶员和行人的运动特征和行为动机进行了观察和分 析，对机动车模型和矢量场模型进行了改进，使之更符合车辆实际的驾驶 行为。 ( 2 ) 通过对不同交叉口和路网结构的研究，建立了描述冲突干扰现象的冲突模 型。并将冲突模型与微观模型相结合，采用面向对象的方法实现混合交通 流的微观仿真。 ( 3 ) 研究微观交通仿真系统的参数校正问题。通过对实际交通流的研究，对仿 真系统的准确性进行合理的定义，提出了一种仿真参数的校正方案，并对 s a s u m t 仿真模型的参数进行了校正。 ( 4 ) 参与设计并实现了交通路口微观仿真系统t i s s ，该系统可以仿真任意形 状、任意红绿灯方案、任意非常规路口。本文阐述了该系统的总体设计， 并重点介绍了主要模型的实现过程。 关键词：交通流微观模型冲突微观仿真系统参数校正智能交通 n 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 h 历cf l o wt h e o r yi sa l le d g es c i e n c et od e s c r i b et h e 仃a 历cf l o wc h a r a c t e r i s t i c u s i n gm a t h e m a t i c a l a n d p h y s i c a lk n o w l e d g e i te l a b o r a t e s t h e t r a n s p o r t a t i o n p h g n o m e n o na n di t sm e c h a n i s mw i t ht h ea n a l y t i c a lm e t h o d , t om a k ep e o p l eh a v ea b e t t e rk n o w l e d g eo ft r a n s p o r t a t i o np h e n o m e n o na n di t se s s e n c e ，a n dm a x i m i z et h e e f f e c to ft h ep r o g r a m m i n g ，d e s i g n ， o p e r a t ea n dm a n a g e m e n to fu r b a n r o a d m i c r o s c o p i cw d t 葡cs i m u l a t i o ni sb a s e do ns i n g l ev e h i c l eb e h a v i o r , w h i c hn o to n l y e a r l y 0 1 1t os t a t i s t i ca n a l y s i st ot h eo p e r a t i o n a lf u n c t i o no ft h ei r a n s p o r t a t i o ns y s t e m f r o mt h em a c r o s c o p i cl e v e l ，b u ta l s oa n a l y z et h et r a n s p o r t a t i o ns y s t e me n do p t i m i z e i t sp e r f o r m a n c ei nd e t a i l sf r o ma l la s p e c t ss u c ha sd r i v e r s b e h a v i o r , c o l l o c a t i o no f t h e l a n e sa n ds e t t i n g so f t r a f f i ce s t a b l i s h m e n t ，a n di st h u sav a l i dt o o lt os t u d yt r a f f i cf l o w t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yo f m i x e d 仃a 币cs i m u l a t i o na n dt h er e l a t i o n b e t w e e nt r a 历cf l o wc h a r a c t 时s t i c sa n dt h ei n d i v i d u a lb e h a v i o r , g i v e saf e a s i b l e c a l i b r a t i o nm e t h o do fm i c r o - s i m u l a t i o ns y s t e n l jt h em a i nw o r ka n dc o r r e s p o n d i n g r e s u l t sa c h i e v e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 小s o m er e s e a r c h e sa l ed o n eo nm i c r o s c o p i cm o d e l so fm i x e di r a f f i c b a s e do n c o r r e s p o n d i n gr e s e a r c h e s f i l lc a l f o l l o w i n gm o d e la n dv e c t o rf i e l dm o d a l , d r i v e r s b e h a v i o ra n dm o t i v a t i o na r eo b s e r v e d , a n dc a rm o d e la n dv e c t o rf i e l d m o d e la r ei m p r o v e di nt h i sd i s s e r t a t i o n b )b yr e s e a r c h i n go nd i f f e r e n ti n t e r s e c t i o n sa n dt h es t r u c t u r eo fr o a dn e t w o r k , c o n f l i c tm o d e lt od e s c r i b et h ed i s t u r b e n c ea n dc o n f l i c t si sg i v e n t h e n c o n f l i c t1 1 1 0 d e la n dm i c r o s c o p i cm o d e la r ec o m b i n e da n dm i c r o s c o p i c s i m u l a t i o ni si m p l e m e n t e db a s e do no b j e c to r i e n t e dd e s i g n c 、t h ec a l i b r a t i o no fm i c r o s c o p i ci r a f f i cs i m u l a t i o ni ss t u d i e dd e f i n i t i o no f v e r a c i t yo fs i m u l a t i o ns y s t e mi sg i v e nb a s e do ns t u d yo fr e a lt r a f f i c ，a n d c a l i b r a t i o no fs a s u m ti sc a r d e do u ta c c o r d i n g l y d 1a sac h i e f m e m b e r , id e s i g na n dd e v e l o pt h et r a m ci n t e r s e c t i o ns i m u l a t i o n s y s t e m ( t i s s ) ，w h i c hc a l l s i m u l a t e a n yt r a f f i cs i g n a lm e t h o d s ，a n y i n t e r s e c t i o n s r e g u l a ro rn o n - r e g u l a r t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h es y s t e m s t r u c t u r ed e s i g no f t i s sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f m a j o rm o d e l s k e y w o r d ：t r a f f i cf l o w ；m i c r o s c o p i cm o d e l ；c o n f l i c t ；m i c r o - s i m u l a t i o ns y s t e m ； c a l i b r a t i o n ；i t s i t i 浙江大学硕士学位论文 致谢 六年前的钱塘江畔到今天的老和山下，六年的大学生活随着这本论文的杀青 行将结束。不知为何心中有些许激动，想起本科时问师兄师姐读研的最大感受， 他们说是人会成长、成熟，现在的我竟也有种冲动去告诉学弟学妹们好好珍惜青 春的岁月。浙大六年给我的，将值得我用一生的时间去品味。 值此论文完成之际，首先要感谢我的导师王慧教授对我的悉心指导。王老师 严谨的治学态度，渊博的学识，敏锐的洞察力，令我深深折服：从她身上学习到 的良好的道德修养和自由的开拓性思维更使我终身受益。王老师在学习、科研和 生活上对我的关心和宽容也使我感到温暖和感激。 感谢李平教授和吴铁军教授给予的指导和帮助，李老师和吴老师以其严谨的 治学、求实的作风和开放式学术思维令我受益良多，而他们在学术和生活上宽以 待人，严以律己的态度也令我非常钦佩。 我非常幸运地参加了智能交通研究组的工作，并得到老师和同学的热心指导 和全力支持。感谢周春芳博士在科研上对我的直接指导和帮助，使我得以顺利完 成本论文涉及的研究和开发工作。感谢实验室的战友于凯、李伯健、冯毅恒、沈 旗，4 个月的时间里我们为了共同的目标而努力，你们的努力和热情，还有给我 的支持和信任我都不会忘记。感谢学长王晓薇、郭听、霍莹、闻育、张晋、刘泓， 马广英，你们为我树立了学习的榜样，你们给我的帮助我铭记于心。感谢智能交 通研究组的同学：杜一川、钱蓓蕾、杜学艳、陆续、金孟合等人，在工作上和生 活上对我的帮助。 感谢所有现在和曾经的室友，你们一直关心、鼓励着我，我会怀念和你们相 处的快乐时光。感谢系统工程研究所的所有老师和4 1 1 实验室的所有同学。 最后，我还要深深地感谢我的父母，你们对我的爱、鼓励和宽容一直是我前 进的主要动力。你们分享我的每一份快乐，分担我的每一份挫折，陪我走过人生 的每一步。谨以此文献给所有关心和帮助过我的亲人和朋友! 邹振宇 2 0 0 6 年8 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 摘要：首先概要介绍了交通流理论的发展历史和组成，然后对本研究课题涉及到 的交通流微观模型、智能交通系统和微观交通仿真系统做了介绍。最后对本文在 交通流微观模型，仿真系统参数校正和微观仿真环境的搭建方面的研究工作和成 果作了简述。 关键词：交通流；智能交通；交通流仿真；模型参数校正 1 1 引言 1 1 1 交通流理论 交通运输是城市地区的工业、商业以及居民工作和日常生活等正常运转必不 可少的条件，是整个城市的基本构件。因此，交通问题是世界上所有城市共同关 注并为此付出了极大精力的重要课题。 众所周知，近年来随着各种交通工具数量增长迅速，交通阻塞日趋严重，不 仅会引发一系列严峻的社会和环境问题，而且制约经济发展，所以交通问题引起 了政府机关、科研机构和学术界，甚至城市居民的普遍重视。要解决交通问题， 除了要充分利用现有交通资源外，更重要的是要利用科学的交通流理论来进行合 理的交通规划、控制和管理。作为交通工程学理论基础的交通流理论研究涉及控 制理论、系统工程、土木学、物理学、统计学和力学等多个学科和领域，具有相 当的理论难度，是运用数学和物理知识来描述交通流特性的一门边缘科学。它用 分析的方法阐述交通现象及其机理，使人们能更好地理解交通现象及其本质，并 使城市道路与公路的规划设计和营运管理发挥最大的功效【1 】。交通流理论是发展 中的科学，尽管已有部分探讨交通现象的理论成果，但是现在还没有形成完整的 理论体系。因此，对交通流理论的研究既具有重大应用背景，又具有理论研究意 义，现已成为当今学术界研究热点【2 】。 交通流的主要研究对象是机动车，机动车交通流模型最早采用的是概率论方 法，进入5 0 年代后，相继出现了跟车理论、流体动力学理论和车辆排队理论等。 1 9 7 5 年，美国运输委员会丹尼尔l 鸠洛夫博士( d a n i e l ，l g ) 与马休j 休伯 1 浙江大学硕士学位论文 ( m a t t h o w , j h ) 汇集了各方面的成果，出版了交通流理论一书( 美国运输 科学研究所专题报告1 6 5 号) ，全面系统的阐述了交通流理论的内容与发展。交 通流的主要内容有：1 、交通流的统计分布特性；2 、排队模型；3 、车辆跟驰模 型：4 、流体动力学模拟理论【3 1 。 1 1 2 交通流特性 在道路上通行的车辆和行人具有类似气体和液体的流动性，可以用流量、流 速和密度等物理量进行描述。因此在道路上通行的车流和人流统称为交通流。行 驶在道路上的各种车辆，出行目的不同、车型不同，而且其运行状态随着道路条 件、交通环境和驾驶员的改变而变化。尽管这种变化非常复杂，但是通过大量观 测分析，各种交通运行状态都具有一定特征倾向。交通流运行状态的定性定量特 征称为交通流特性。用以描述和反映交通流特性的一些物理量称为交通流参数。 ( - - ) 交通流三参数的基本关系 交通流特性用交通量q 、车速v 和交通密度l e 个参数进行描述。速度和密 度反映交通流从道路上获得的服务质量，交通量可以量度车流的数量和对交通工 程设施的需要情况。三参数之间的关系式可表示为【4 】 q = v k ( 1 - 1 ) 式中式中q ，v ，k 的单位分别是辆时、公里时和辆公里。这一关系式称 为交通流基本模型。这一关系式称为交通流基本模型。对机动车、非机动车、行 人都适用。 式( 1 - 1 ) 一个三维空间中的空间曲线，为了研究方便，通常以图1 1 所示 的正交投影来表示它们两两之间的关系，并由此图可确立反映交通流特性的一些 特征变量。 。，； 局口 图1 - 1 交通流三参数基本关系 2 0 & o p o 浙江大学硕士学位论文 最大流量q q v 曲线上的峰值； 临界速度流量达到q 时的速度； 最佳密度以一流量达到q 时的密度； 阻塞密度足，一所有车辆都无法移动( v = 0 ) 时的密度； 畅行速度v ，一- 车流密度趋于零，车辆可以畅行无阻时的最大速度。 ( 二) 速度和密度的关系 当车辆增多，密度较大时，车速会随之减小；反之，当车辆减少，密度由大 变小时，车速又会增大。对两者之间的关系已提出有几种不同的模型。 1 、线性模型 此模型i 扫g r e e n s h f p z 凼1 4 】提出，表达式为 v = v f ( 1 一足k ，) ( 1 - 2 ) 意义为当车流密度达到最大密度时，车流的速度变为零；当车流密度接近于 零时，车辆以自由速度行驶，当处在中间状态时两者的关系为线性。此模型应用 方便，不少研究者认为模型与观测数据相关性很好，具有通用性。 2 、对数模型 有适合于大密度的g b 嘤模型6 0 ： = 衄k ，k ) 也有适合于小密度的u n d e 刑o o d 模型1 ： v = v l e “，它的缺点是当 k 趋向于k ，时，速度不等于零。 此外还有通过取不同的系数推出的广义单段式模型、多段式模型，由于比较 复杂，且与本论文研究内容无关，因此不再赘述。 ( 三) 交通量与交通密度的关系 交通量与交通密度的关系，可由各种v - k 模型导出。 1 、抛物线模型 q = 勋r ( 1 一k 足，) ( 1 3 ) 该模型系由线性v - k 模型导出，并求出： 最大流量时的密度：j 0 = 置，2( 1 - 4 ) 最大流量时的速度：= v ，2 ( 1 - 5 ) 浙江大学硕士学位论文 最大流量 ：级= v 卅。巧2 ( 1 - 6 ) 2 、对数模型 适合于大密度的情况，由g r e e n b e r g 模型导出为：q = k v = k v 1 n ( k ，k ) 。 适合于小密度的情况，由u n d e r w o o d 模型导出为：q = x v ，x e x p ( 一k 0 ) 。 3 、由大密度交通和小密度交通两种不同的v - k 模型，可以得到不连续曲线 模型。 ( 四) 速度与交通量的关系 速度与交通量的关系可以直接从某一合适的 v - - k 曲线或足一q 曲线得到。如 v k 曲线是直线，则v q 为抛物线，将式( 1 - 2 ) 代入( 1 1 ) 可得： q = 巧( v v 2 吁) 由于为二次关系，可知当达到最大流量之前，速度随流量增加而下降，直至 达到最大流量为止：超过最大流量后，流量与速度都同时下降；在到达最大流量 之前交通状况为不拥挤的稳定，超越最大流量后为拥挤的不稳定交通流。由于速 度与交通量是最容易观测的交通流参数，所以v q 趋向通常可以采用实测数据 标定。 1 2 交通流微观模型 交通流的模型可分为宏观模型和微观模型两种。在宏观层面上，交通流被视 作由车流形成的一个整体，忽略个体行为，以车队为研究对象，如流体动力学就 把车辆整体上看成一种可压缩的流体，独立的车辆并不作为研究对象。在微观层 面上，以单个车辆的行为作为研究对象，模拟个体车辆在道路上的运动状态，最 终由车辆群体的运动真实地再现路网中的交通流情况。自2 0 世纪5 0 年代以来， 国外的学者对微观车辆模型进行了大量系统的研究，发表了众多的研究成果，主 要包括车辆跟驰模型、安全距离模型、生理一心理模型、模糊推理模型和元胞自 动机模型。 4 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 车辆跟驰模型 车辆跟驰模型是运用动力学方法，探究在无法超车的单一车道上车辆列队行 驶时，车辆跟驰状态的理论。车辆跟驰理论研究的一个主要目的是试图通过观察 各个车辆逐一跟驰的方式来了解单车道交通流的特性，这种特性的研究可用来描 述交通流的稳定性、加速干扰以及干扰的传播；检验管理技术和通信技术，以便 在稠密交通时使尾撞事故减到最低限度。 跟驰模型最早i 刍p i p e s 于1 9 5 3 年提出口1 ，主要采用刺激一反应模式，利用微 分方程分析和阐明车辆追随状态中发生的各种现象。其表现形式为： 跟踪反应( f + 丁) = 敏感度刺激因素( f ) 由于跟驰模型的形式各不相同，对刺激因素有不同界定。不过一般来说，都 包含车速、相对速度和相对距离等因素。 1 9 5 8 年，c h a n d l e r 和h e r m a n 等提出g h r 模型，认为后车的刺激因素来自于 车辆之间的相对速度【6 】，模型公式为： 磊( f + d = c 毫件。( f ) 一矗( f ) 】 ( 1 7 ) 其中，矗j 和置分别表示车辆的位移、速度和加速度，下标 为车辆的标 号，下标h + 1 表示第”辆车的前车，r 表示滞后时间，敏感系数c 为常数，表 示司机对单位刺激的反应强度。由于该公式中后车的反应与接受到的刺激成正 比，所以被称为线性跟驰模型，它是跟车模型的基本形式。 ( 1 - 7 ) 式的线性模型没有描述车间距对车辆跟驰行驶的影响，g a z i s ，h e r m a n ， 和p o r t s 研究出较为实用的模型，他们提出灵敏度与车头间距成反比一于是有 ，咆警 ( 1 - s ) 缸表示两车间的相对距离， 为灵敏度的量度，a 0 的单位为距离时间。这是 i ，) ” 最早的非线性跟驰模型。 1 9 6 0 年，e d i e 8 1 再次进行修正，认为车辆本身的速度v 对司机的行为也产生 作用。于是g h r 模型可更一般的表示为； 帅，2 吖背 ( 1 9 ) m 、，是待定的常数，式( 1 - 9 ) 为跟车模型的一般形式。 尽管c h a n d l e r 、h e r m a n 和m o n t r o l l ( 1 9 5 8 ) 9 1 提出的g h r 模型在研究的初始 5 浙江大学硕士学位论文 阶段是线性的，但是真正在线性g h r 模型的发展中做了大量工作的是h e l l y ( 1 9 5 9 ) f l o 。他提出的模型如下： 口，( ，+ r ) = g a y ( ，) + c 2 ( a _ f ) 一d ( f ) ) d o ) = a + # v z ( f ，+ ，口，( ，) ( 1 - 1 0 ) ( 1 1 1 ) 其中d ( t ) 表示满意的跟车距离，c 。，c ：，口，是参数。 对于任何模型来说，稳定性分析一直是一个重要的问题，这关系到模型是否 具有实用价值。我们知道，当模型受到干扰时，一般有三种反应：( 1 ) 干扰呈衰 减的趋势；( 2 ) 干扰得到抑制；( 3 ) 干扰呈扩大的趋势。前面两种情况可以看作 模型是稳定的，最后一种则是不稳定。在跟车模型中，根据被讨论车辆的情况， 稳定性分析分为两种：局部稳定和渐进稳定。局部稳定关心的是某辆车对前车的 干扰产生的反应；渐进稳定则考虑干扰在一列车中的传播情况。 跟车模型可能会更符合现实，但它们都是从跟车模型的基本形式( 卜7 ) 演 化而来的，而且( 1 - 7 ) 是最适合分析稳定性的模型。c h a n d l e r , h e r m a n ，m o n t r o l l 对车流的稳定性进行了研究【9 】，本文不再赘述。 1 2 2 安全距离模型 安全距离模型也成防撞模型( c o l l i s i o n a v o i d a n c e m o d e l s ，简称c a 模型) ， 该模型最基本的关系并非g h r 模型所描述的刺激一反应关系，而是寻找一个特 定的跟驰距离。如果前车驾驶员做了一个后车驾驶员意想不到的动作，当后车与 前车之间的跟驰距离小于某个特定的跟驰距离时，就有可能发生碰撞。根据牛顿 运动学定律，最初的方程( k o m e m n i 和s a s a k i , 1 9 5 9 ) 【“1 如下： h f t ) = 口订( f t ) + f l y ；( t ) + f l v i ( t ) + b o ( 1 1 2 ) 随后g 扔艚【3 哪于1 9 8 1 年，对c a 模型进行进一步改进，引入一些缓和性的参数， 如安全反应时间t 2 ( 在这个反应时间内可以避免任何可能发生的碰撞) ，刹车 率- 1 2 b ( 屯是第n 辆车希望使用的最大刹车率) ，前车刹车率一l 2 b + ( b 是第 n 辆车预测前车可能使用的最大刹车率) 。w i mv a nw i n s u m ( 2 0 0 0 ) 0 2 从心理学 的角度对司机的行为进行研究，提出安全行驶距离与时间净空f 。有关， d p 2 t i 【1 1 3 ) q 为安全距离，0 与车速无关。研究还发现，r ，值随驾驶技术而变，跟天 6 浙江大学硕士学位论文 气、司机状态( 如疲劳) 也有关系。 c a 模型在描述干扰的传播方面很有成效，而且可以通过对司机行为的直觉 来进行校正，在大多数情况只需要知道b 等少数几个参数就可以。所以在仿真 模型中得到广泛使用，如英国的s 1 s t m 模型、意大利和法国的s p a c e s 模型、 美国的c a r s i m 和i n t r a s 模型等等。 1 2 3 模糊模型 模糊模型的提出是跟车理论发展中的一个重要转折点。车辆行为归根究底就 是人的行为，因此正确描述人的行为特征对模型的有效性至关重要。人类的思维 逻辑是粗略和定性的，接受和传达的信息并不很精确，所以模糊概念更适合人们 的观察、思维、理解与决策。比如“车辆间距离过近，应该减速”。这里“过近” 就是一个模糊量，而“减速”的反应就是一个模糊性的决策。 在模糊模型中，人抽象化为模糊控制器，它的输入是前车的各个状态量，通 过一系列的思考做出的决策为输出。可以用框图表示如下： 图1 2 模糊控制器 第一个模糊模型是由厨砌西f 和a f n 幻6 d r 矿”1 提出，他们尝试把g h r 模型“模 糊化”。输入为a x 、v 和+ l ，各分成6 、6 和1 2 个模糊子集，每个子集都有一 个隶属函数。比如“车距过近”这样一个模糊概念，当缸 觊o 一乃v ，o 一乃 删= 丽丽再而v t 而( t - 万r ) 而而，觊( f 一力 1 ) 时， 驾驶员才会采取刹车措施，五为经验系数，取值1 0 3 1 0 8 。 根据上述修正，得到最后的机动车综合模型如下 s ( f ) = “f ) + v r + l 图2 7 机动车综合模型 浙江大学硕士学位论文 2 3 非机动车与行人的微观模型 2 3 1 非机动车流特点 非机动车在我国大城市中占交通总量的2 5 5 5 ，在某些小城市甚至高 达7 0 以上【4 】。中国人口稠密，经济发展不平衡，加之非机动车运动灵活，污染 小，因此，非机动车在相当长的一段时间仍然是中国城市居民的主要出行交通工 具。另一方面，由于非机动车运动灵活，与机动车干扰严重，因此，对非机动车 流的研究，对改善中国的城市交通具有重要的理论和实际意义。 非机动车的运动具有如下特点： ( 1 ) 摇摆性：非机动车车体小，转向灵活，无固定行驶轨道，运动轨迹易 呈蛇形，而不是像机动车一样呈线形。据实测，自行车的速度一般在1 l 1 8 公里 ，j 、时，左右摆动范围各o 2 米，车把宽0 6 米，因此运动中需要占据1 米宽的空 间。 ( 2 ) 成群性：有些骑车者成群结队出行，一边骑行，一边聊天。因此，非 机动车在运动时不像机动车一样严格地保持一定的间距、直线的成队列行进，而 总是成群成团地行进。 ( 3 ) 单行性：与成群性相反，有些骑车者不愿在陌生人群中骑行，也不愿 紧随他人之后，往往冲到前面独自骑行，或者滞后一段距离单独骑行，女性尤为 显著。 ( 4 ) 多变性：非机动车机动灵活，易于加减速，运动时稳定性差，行驶过 程中相互干扰较大，易引起整个自行车流的波动；非机动车车在道路上横向移动 灵活，是穿插行驶，而不是像机动车规则地按照车道跟踪行驶。非机动自行车在 运动时不像机动车一样严格地保持一定的间距、直线的成队列行进，而总是成群 成团地行进。非机动自行车也不经常减速，更不喜欢停下来，当前方的非机动自 行车减速或停车时，后面的非机动自行车会向旁边闪避并超越前车5 2 1 ，因此自 行车不存在跟车的概念。 2 3 2 矢量场模型 王华东博士建立的非机动车的矢量场模型5 3 1 将环境对机动车的影响分为由 2 9 浙江大学硕士学位论文 质上为车辆当前的速度和驾驶员的心理最大承受速度的差值，表示为 _ 。：兰立= 巫；而阻碍作用的实质为周围车辆与该车的距离以及速度差，表示 o 为g ：兰生! 盟。车辆在范围s 内受到来自n 个方向不同、间距不同的阻碍作用， 7 ，o 它们的加权和为车辆最终受到的阻碍，加权系数t 为 耻姑 6 ) k ) l 4 0 ( f 们= a ( 矗) - y k jx g f ( ，) ) ( 2 - 7 ) j = 1 ( 2 - 6 ) ，( 2 7 ) 式中v ，o ，飞o ，u ( ，a o ( ) 均为矢量。将车辆与道路的左右边 沿的距离d 蚴，d 哪也纳入考虑范围，可将一) 按道路方向和垂直道路方向分 解为 西驴 0 ，4 哪， 羽 ( 2 8 ) 2 3 3 改进的矢量场非机动车模型 王华东的模型用矢量的方式来描述机动车的行驶运动，弥补了跟驰模型只能 描述单一车道内不超车行驶行为的不足。但是该模型存在两个问题。首先，模型 过于理想化，车辆在对不同的刺激做出的反应不尽相同，单一的表达式不能够准 确地体现这一差异，在垂直道路方向，非机动车所受刺激主要是障碍物的位置， 做出的反应则是该方向的速度，而在沿道路方向，刺激为速度差和相对位置，反 应是车辆的加速度；其次，周围车辆对非机动车的阻碍作用有屏蔽性，这里屏蔽 性是指，在范围s 内，并非每一辆车都能对本车产生阻碍作用，车辆只接收范围 q 出 “鼢 哪 嘶 ， 陬、 浙江大学硕士学位论文 s 内n 个方向距离最近的n 辆车的阻碍作用，且在沿车道方向，车辆最终受到的 阻碍作用实际上就是阻碍作用最大的障碍物产生的阻碍作用。 根据上述不足，对矢量场模型做如下改进。 l 一 图2 8 非机动车在车道行驶的矢量场 如图2 - 8 所示，s 为非机动车的视距。视距通常用时间t 。来表示 s = ”o m t ，+ ”，0 + ， ( 2 - 9 ) 其中，为车长。非机动车b i k e 只接受s 范围内正前方、左前方、右前方、左侧和 右侧5 个方向的车辆对其产生的影响，标记这5 辆车为f b ，l b f , r b f ，l b ， r b ，而f b 前方的一辆车虽然也在s 范围内，但是对b i k e 的影响被f b ，l b f , r b f 阻隔，因此标记为n i l 。而在王华东的矢量模型中，n i l 车也将影响b i k e 的行 驶。当s 范围内无干扰车辆时，b i k e 将处于自由行驶状态。 在垂直道路y 方向，5 辆车对b i k e 都有影响，b i k e 对l b f , f b ，r b f 中间隔 较大的两辆车的合质心进行跟车，也就是向前方两辆车的空档移动。在图2 8 中， b i k e 向l b f 和f b 的中间移动，垂直道路方向r b f 对b i k e 无明显影响。当前方 只有一辆车时，对前车质心和路较宽一侧的中点进行跟车。l b 和r b 作为障碍 物限制b i k e 的横向移动幅度。 需要注意的是，改进的模型在垂直方向计算的是该方向的速度v 。，因为非 机动车垂直道路方向的移动十分灵活，时左时右，而幅度有限，用速度来描述横 向的移动更加直观。v 。与b i k e 横向需要移动的距离d y 成正比，且小于某个常量 v y = 占以，且b v y r a ( 2 1 0 ) 由( 2 1 0 ) 知，横向运动的速度是一个随着靠近期待位置而变小的量，这与 实际中非机动车的横向运动方式比较相符。 3 1 浙江大学硕士学位论文 在沿道路x 方向，只有f b ，l b f , r b f 能对b i k e 的( 。j i ，产生影响，记各 自影响作用产生的加速度为a t ( i = f b ，l b f , r b f ) ，则有 h r ) l ，= m i n ( a ) ( 2 1 1 ) 其中，f b 对车辆产生的影响仍然沿用跟驰模型公式，a p 口n 速度与速度差成正比。 左右两侧车辆的影响采用矢量模型公式，于是f b 对b i k e 产生的影响为 a i = x ( v i m v o ( t ) ) d i o ( 2 1 2 ) l b f , r b f 对b i k e 的影响为 一c o s a 。兰! 二鳖1 ( 2 1 3 ) 口l 当s 范围内f b ，l b f , r b f 不存在，b i k e 自由行驶，采用a n d e r s o n 的模型【1 l 】 a f2 d x 口mx ( 2 1 6 ) 其中a 为自由行驶敏感系数，a 为跟车敏感系数，都是0 1 的常量。其他符号 含义见图2 - 8 标示。需要说明的是，以上公式中飞，) ，u ( 都是z 方向的分量，与 各自的k 结合形成有方向的矢量。 2 3 4 行人模型 我国城市步行交通在总出行量中约占4 0 ，而中小城市约占5 0 以上f 4 】。 相对机动车与非机动车，行人交通更处于无控无序状态。我国现行的交叉口交通 信号控制信号大多是针对机动车交通流设置的，加上行人交通灯很少，行人过街 交通几乎不受约束，导致行人频繁穿越机动车、非机动车流。这种状态既不利于 行人安全，也妨碍了机动车与非机动车交通的正常运行。有超过一半的行人交通 事故发生在交叉口附近，即使在交叉口处设置了行人红绿灯后，遵守概率约为 4 2 8 2 不等，因此行人交通灯的用处是有限的( 4 j 。而行人交通并未像机动车那 样得到了广泛的研究，因此行人交通，尤其是行人过街交通的研究，对于优化交 通管理、减少交通事故、保证行人安全具有重要意义。 步行交通的基本特点是： 1 、步行是以步行者自身体力为动力的出行方式，一般只能做近距离或低速 行走。 2 、步行者没有任何保护装置，是交通弱者，容易受到伤害。 浙江大学硕士学位论文 3 、步行所占空间 l t d , ，通达性很高，几乎任何处所均可到达。 4 、步行仅受个人意志支配，可自由选择步行路线和步行位置。步行速差小。 以上性质表明，用数学模型的方式实现这种特性远不如用规则描述实现更方 便【5 5 】。因此本文采用规则描述的方式对行人建模。 行人常取短轴0 4 5 米，长轴0 6 1 米的身体椭圆，因此可以用o 5 x o 5 的方格 代表一个行人，这是在最拥挤的情况下每个人占据的最小空间。正常情况下能从 一个人从头到脚都观察到约需2 1 米的距离，这在视觉最舒服 4 1 ，因此在人行道 运动时与前方行人的期望间隔取2 1 米。 行人在人行道中的运动比较简单，人的步速取平均值1 3 米秒向前方运 动，视距取两倍的当前速度，这样可以避免发生碰撞酬，若下一目标点上有人 或已成为其他人的目标点，则他会以均等的概率向两边横移，否则保持静止。若 目标点上没有人而且没有别人的目标点事先也在这里，则可以移动到哪里去。 步行交通的一个重要部分就是行人关于横穿道路的决策过程，当他判断车辆 间有足够的间隙时才会横穿马路，正常情况下该间隙为：s 1 3 5 + v x t 【5 6 】，v 为 临近车辆驶来的速度，f 为行人穿越道路所需的时间，即行人会在1 3 5 米静空的 基础上加上车辆以一定速度，行驶渺的距离。 研究发现行人的期望等待时间明显的影响了行人过街的尝试次数。如果延误 的时间增加，则人们会变得更冒险。人们过街的方式是站在路边沿移动，并希望 机动车减速，如果机动车并不减速，则行人重新回到路边，然后重复这一过程， 不断尝试l ，”。 当行人穿越街道时，运动状态与在人行道中的运动状态有所区别。其易受伤 害的特点决定了此时安全性是行人运动决策的主要考虑因素。因此人们在穿越街 道时的运动轨迹并非直线【5 ”。因为人们普遍具有从众心理，再加上司机在人群 过街时比个人过街时减速的概率要大【5 5 】，为了得到更高的安全感，行人在心理上 会首先趋近于密度大的人群，然后再追随人群穿越街道，尤其是在穿越较宽的街 道与较拥挤的车流时更是如此【5 8 】。这就是行人合作性的体现。 如上所述，参考现有关于行人交通的研究成果，本文为人行横道中的运动建 立规则描述： 1 、如前方无人穿越，则判断与来向机动车是否有足够间隔，( s