（系统工程专业论文）平面交叉口混合交通流自行车穿越机动车微观行为模型研究.pdf

j e 塞交道盘亟堂僮逾 塞生塞翅墨 中文摘要 摘要：淹台交通流是我国城市交通的基本特镬，也建造成城市交逶翱堵的重要原 因之一。特别是在平两信号交叉口，同相位不同方向行驶的机动车和自行车之间 产生了大量的干扰，这些干扰严重影豌7 交叉口逶行能力，阂时掇大地增加了安 全隐患，给交通管理带来了难以治理的问题。微观行为模型是研究混合交通流机 非干扰的有效工具，但目前国内外对机非干扰的行为研究还比较缺乏，尚未形成 成熟的微观模趔和完羲的理论体系。 在此背景下，论文结合导师的国家自然科学基金项目“平交路口混合交通流 中机非于扰枫理和基本参数的研究”，研究平面交叉口混合交通流枫菲干扰微蕊彳亍 为，以其中的直行自行车与同向右转机动车的干扰为例，侧重考虑机动车对自行 车的干扰，建立机菲干扰微观行为模型。爨体研究流程如下：首先采用视频拍摄 的方法分别在北京两个典型的平面交叉口采集混合交通流数据，并对数据进行整 理和分析，获得机非干扰微观行为的各种数疆和规律；然后利用实际数据和相关 交通流理论，分别建立自行车自由行驶模型，自行车以及群穿越行为模型；通过 以上模型的验证较为舞实地反殃枫j 干扰的实际情况，具有可行性和真实性。 关键词：混合交通流；干扰；微观模型 j 匕塞交通太亟堂位论塞垦墨! b g 至 a b s t r a c t a b s t r a c t ：m i x e dt r a 伍cf l o w , w h i c hi st h em a i nc h a r a c t e r i s t i co fl a r g ec i t i e si n c h i n a ，i sr e g a r d e da so n eo ft h ep r i m a r yr e a s o n sf o rs e r i o u st r a f f i cc o n g e s t i o n i nt h e s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ，g r e a ti n t e r f e r e n c eo c c u r sb e t w e e nt h eb i c y c l e sa n dm o t o r i z e d v e h i c l e sw h i c ha r ei nt h es a m ep h a s eb u th e a d i n gf o rd i f f e r e n td i r e c t i o n s t h e s e i n t e r f e r e n c e ss e v e r e l yr e d u c et h et r a f f i cc a p a c i t yo ft h ei n t e r s e c t i o n ，d e t e r i o r a t et h e h i d d e nt r o u b l eo nt r a f f i cs a f e t ya n dm a k et h et r a f f i cm a n a g e m e n tv e r yh a r dt ob e i m p l e m e n t e d m o d e lf o c u s e do nm i c r o c o s m i ct r a f f i cb e h a v i o ri so n eo ft h ep o w e r f u l t o o l sf o rt h es t u d yo nm i x e dt r a f f i c ，r e g a r d l e s st h el a c ko fm a t u r ea n ds o p h i s t i c a t e d m o d e la n dt h er e l a t e dt h e o r e t i c a ls y s t e m c o m b i n e dw i t ho n ep r o j e c tu n d e rs u b s i d yo fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n c o n d u c t e db ym ys u p e r v i s o r “s t u d yo nt h em e c h a n i s ma n dp a r a m e t e r sc a l i b r a t i o no f i n t e r f e r e n c eb e t w e e nb i c y c l e sa n dv e h i c l e si ns i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ”，t h i sp a p e rs t u d i e s t h em i c r o c o s m i cb e h a v i o ro ft h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nb i c y c l e sa n dv e h i c l e si n s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n u s i n gt h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e ns t r a i g h t f o r w a r db i c y c l e sa n d r i g h t t u r nv e h i c l e si nt h es a m ed i r e c t i o na st h ec a s es t u d y , w eb u i l dam a t h e m a t i c a l m o d e lf o c u s e do nt h eo n e - w a yi n t e r f e r e n c eo fv e h i c l e st ot h ev e h i c l e s t h em a i ns t e p s w ep e r f o r mt h es t u d ya r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：f i r s t l y , c o l l e c tr e a lt r a f f i cf l o wd a t ao f t w oc l a s s i c a li n t e r s e c t i o n si nb e i j i n gb ym e a n so ft a k i n gv i d e o s ；t h e n ，a n a l y z et h e c o l l e c t e dd a t aa n dt r yt oo b t a i nt h eu s e f u ld a t aa n dp r i n c i p l e se x i s t i n ga m o n gt h e m ；u s e t h er e f i n e dd a t aa n dt h er e l a t e dt r a m cf l o wt h e o r yt ob u i l dt h em o d e lf o rs t r a i g h t f o r w a r d b i c y c l e sa n db i c y c l e sp l a t o o n sa n dt h r o u g hv e h i c l e s ，r e s p e c t i v e l y ；c o m p a r i n gt h er e s u l t s w i t ht h er e a ld a t a ，w ef i n dt h em o d e lw eb u i l dr e a l l yr e f l e c t st h er e a lt r a f f i cf l o wi na v e r yg o o dm a n n e r , w h i c hj u s t i f i e st h ev a l i d i t yo fo u rm o d e l k e yw o r d s ：m i x e dt r a f f i cf l o w ；i n t e r f e r e n c e ；m i c r o c o s m i cm o d e l 致谢 本论文的工作是在我的导师钱大琳教授的悉心指导下完成的，钱大琳教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 钱大琳老师对我的关心和指导。 钱大琳教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向钱大琳老师表示衷心的谢意。 钱大琳教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间，黄迪、杨露萍、蒋海峰、李峰等同学对我 论文中的自行车建模研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 j l 豆趸墟太硬堂位论空 绪论 1 绪论 1 1 论文研究背景和意义 交通拥堵是目前世界上大多数大城市普遍面l | 缶的问题，我国尤其严重。随着 我国城市化进程的加快，交通增长与既有道路状况之间的矛盾日益严重，基础设 施薄弱，城市道路尤其是平面交叉口堵塞十分严重，极大地影响到我国城市经济 的发展和人民的生活水平2 0 0 2 年，上海市中心区( 内环线以内) 高峰小时主干 道饱和度已经达到9 2 。交通拥堵严重影响了社会生活秩序，引发事故率上升，加 剧了环境污染，由此引发的直接和间接经济损失巨大。北京市道路交通拥堵，每 年造成的经济损失高达6 0 亿元人民币交通拥堵阻碍了我国城市社会、经济与环 境的健康发展，成为社会和公众关注的热点问题。 中国大城市普遍交通拥堵的重要原因之一，就是道路上机动车、非机动车、 行人混合行驶，又称之为混合交通流在混合交通中，非机动车的交通量就达到 了交通总量的2 5 5 5 ，且非机动车中以自行车为主“1 。随着我国城市机动化进 程的不断加快，城市机动车( 尤其是私人汽车) 的拥有量快速增加。2 0 0 0 年以来， 北京市机动车的年均增加速度超过1 0 ，到2 0 0 4 年7 月，全市机动车保有量已达 2 2 2 万辆，其中私人机动车保有量达1 4 8 万辆。与此同时，非机动车虽然随着社会 的发展有所降低，但仍拥有庞大的保有量，2 0 0 3 年底北京市的自行车拥有量约为 1 0 0 0 万辆”。而相关预测表明2 0 0 8 北京交通结构中公共交通将占6 0 ，小汽车占 2 0 自行车仍将占2 嘴。因此，在未来一段时间内，机动车与自行车组成的混合交 通流仍将是我国城市交通的显著特点 另外，非机动车交通在我国的城市交通中占有独特的地位，是我国居民出行 的主要方式。它与机动车、行人交通构成了我国等一些发展中国家城市道路的主 要特征。特别是在交叉口非机动车与机动车、行人之间的干扰是影响交叉口各种 交通方式通行速度的主要因素，在公路交叉口内由于车流的转向而引起车流之间 的冲突、交汇、交织、分流等车流运行行为，使交叉口的交通特性比较复杂，这 就使得交叉口成为城市交通畅行与否的关键节点。交叉口内机动车、非机动车以 及行人交通的干扰问题不但增加了交通事故隐患，更是造成路口各种交通方式通 行速度降低的主要因素，而交叉口堵塞也直接造成整个路网通行能力下降。据资 料显示北京市道路交通拥堵，每年造成的经济损失高达6 0 亿元人民币。交通拥堵 阻碍了我国城市社会，经济与环境的健康发展，成为社会和公众关注的热点问题。 机非混行对机动车交通和非机动车交通都带来了许多不利的影响，特别是在 平面交叉口，由机动车、自行车、行人等不同交通方式组成的混合交通，由于各 自的驾驶行为、运行速度等基本特征的不同，造成了平面交叉路口的干扰与冲突 增多。机动车和自行车对通行时空资源的争夺，不可避免的造成了它们在平面交 叉口的相互干扰。机非干扰一方面增加了交通事故隐患，另一方面又降低了交叉 口的通行能力。如何科学的规划混合交通流系统，提高平面交叉路口的通行能力， 改善路口行车秩序，减少干扰，目前尚无一套全面完善的理论能够解决这些问题。 在这样的背景下，本论文结合导师主持的国家自然科学基金项目“平交路口 混合交通流中机非干扰机理和基本参数的研究”，研究平面交叉口混合交通流机非 干扰微观模型，对非机动车在交叉口内的行为进行参数标定。 本论文的研究具有理论和实际两方面的意义。在理论上，对混合交通流机非 干扰微观模型的研究，将填补国内在该领域的空白，对完善平面交叉口通行能力 分析方法及混合交通流理论具有重要意义；在工程实际中，对平面交叉口混合交 通流干扰及其相互关系进行研究，将为交叉口规划、管理和设计提供更为可靠的 理论依据。同时也为项目进一步研究平面交叉口混合交通流干扰机理和基本参数 的研究奠定了基础，对其它相关研究也有一定的借鉴意义。 1 。2 国内外研究现状和综述 目前，国内外对机动车交通流的研究比较成熟，对行人、自行车交通流的研 究也已经开展，并取得了一些研究成果。“m 哪嘲n 0 1 。但对于信号控制平交路口，就 混合交通流中机非干扰问题而开展的研究比较少，相对而言国内的研究多一些。 国内对信号控制平交路口混合交通中机非干扰特性的研究，主要有三种方法： 第一种是根据调查的数据，对平交路口中机非干扰进行了定性分析蜘“邮“，这些成 果使人们对混合交通干扰特性有了初步的认识，但缺少定量描述，无法为混合交 通有效管理提供理论指导；第二种是运用交通流理论，建立系列数学解析模型， 求出机非干扰系数瞄儿埘“”“5 m “，这些成果主要从宏观上描述机非干扰程度，并没有 探讨干扰机理，而且建立的模型没有考虑混合交通组成结构，路口几何特征等影 响因素；第三种是运用模拟方法，利用交叉口的道路面积或者是绿灯时间作为可 变项，从宏观层面上模拟混合交通流的干扰瞌儿”；也有提出通过微观行为模型， 建立模拟系统来研究机非干扰问题“，但仅仅提出了设想。 国外发达国家城市道路交通主要以机动车为主，因此对自行车以及混合交通 的研究较少，在机非干扰问题上也是如此。从目前收集的有关资料看，国外对混 合交通干扰，有通过计算机模拟方法分析混合车流速度和自行车比例之间关系嘲， 但是其模拟模型只是建立在机动车驾驶微观行为模型上，缺乏对混合流干扰的微 观行为的研究；有对机非干扰状态下一些基本参数的研究盥脚删，但这些研究所 2 处的交通环境相对国内而言比较简单，自行车交通量占总交通量非常少，因此考 虑的干扰问题比较简单嗍。“，且一些行为分析不适合中国自行车流量大的情况 总的来说，上述研究成果虽然推动了混合交通理论发展，但是对于建立混合 交通流理论体系，对于指导建立混合交通的规范化地管理模式，还远远不够，还 需要开展大量地、更深入地、更微观地研究。 1 3 本文研究的主要内容 本文以城市平面信号交叉v i 中直行自行车与同向右转机动车干扰为例，侧重 机动车对自行车的干扰，研究平面交叉口的机非干扰微观行为。具体研究流程参 见图i - i 。 图1 1 ：研究总体流程示意图 首先分析平面交叉1 3 混合交通流机非干扰特性；然后选定路口，采用视频采 集的方法提取相关的混合交通流数据，并对数据进行整理和分析，运用实际调查 分析的数据和相关交通流理论，分别建立直行自行车运行模型( 本文研究的主要 内容) 和右转机动车运行模型；同时深入研究造成干扰的主要因素自行车穿 越机动车的活动，建立相应的穿越决策模型和穿越执行模型。 本文研究的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 混合交通流中机非干扰特性分析 研究和分析平面交叉1 ：3 自行车的运行特性，以及混合交通流机非干扰的特性， 另外包括对混合交通流中机非干扰、干扰的类型，干扰的区域、干扰程度、自行 车群以及机动车穿越自行车流的穿越间隙和延时等相关概念的定义。 ( 2 ) 混合交通流徽观数据采集方法研究 在进行混合交通流的交通流理论与交通建模过程中的一个重要障碍是微观、 连续时空的交通流特性数据采集困难交通流微观模型的建立需要对交通个体的 行为特性进行深入的调查分析，建立相应的模型并进行标定。通过对各种交通数 据采集方法的比较和适用性分析，以及针对混合交通流所需数据的要求，本文采 用先视频拍摄，然后对视频文件人工提取数据的方法，并设计交叉口拍摄方案以 及析取视频的具体方法 ( 3 ) 自行车运行模型的参数标定 目前国内外对于自行车交通流理论的研究相对比较匮乏。因此在分析研究过 程中，能够借鉴的自行车理论很少，另外在进行相关的研究中发现，由于缺乏有 效的数据采集方法，国内很多关于交通流微观模型在开发过程中对于参数的调查、 模型的标定以及验证都缺乏足够的重视，尤其缺乏来自于实际调查现场的数据。 本文通过实际调研所得的数据，建立直行自行车在平面交叉口内的自由行驶模型、 进入路口的穿越模型。 ( 4 ) 直行自行车在有右转机动车存在条件下的穿越模型研究 在中国的城市交通中，自行车是我们无法回避的一个问题，但目前国内对自 行车微观模型研究还很缺乏，而国外的自行车模型也大多作为一种变相的机动车 模型来对待。本文通过观察和分析平面交叉口自行车交通流实际运行特性，描述 自行车以及自行车群在平面信号控制交叉口内穿越同向右转机动车的穿越决策行 为，建立自行车以及自行车群在平面信号控制交叉口内穿越同向右转机动车的穿 越决策模型 ( 5 ) 直行自行车穿越同向右转机动车穿越运行模型的研究 平面交叉口的机非干扰是主要由于自行车与机动车相互之间的穿越行为所引 起的。本文通过实测数据对直行自行车穿越右转机动车穿越行为进行研究，通过 分析右转机动车影响自行车穿越的各类因素，建立了直行自行车穿越执行模型， 以及不穿越时自行车的减速停车模型 4 2 混合交通流中机非干扰特性分析 本章对平面交叉口机动车和自行车各自的运行特性做定性的描述，并分析混 合交通流机非干扰的特性，首先介绍本文关于机非干扰涉及的相关概念。 2 1 机非干扰的相关概念 2 1 1 干扰 对于平面交叉口的机非混行现象，现在的研究中有“冲突”和“干扰”两种 描述北京工业大学刘小明、任福田定义；在平面交叉口安全评价中，交通冲突 是在可观测条件下，两个或两个以上道路使用者在同一时间，空间上相互接近， 如果其中一方采取非正常交通行为，像转换方向、改变车速、突然停车、交通违 章等，除非另一方也相应采取避险行为，否则，会处于碰撞的境地，这一现象就 是交通冲突”1 。 从以上定义可以看出交通冲突技术主要应用于道路交通安全，而在实际中平 面交叉口的自行车与机动车在大部分情况下，是处于相互影响状态，而非发生碰 撞，产生交通事故。所以对交叉口内自行车与机动车之间的相互影响，运用“干 扰”一词加以描述更加确切一些。因此本文运用“干扰”描述机动车与非机动车 之间的相互影响 2 。1 2 干扰的类型 在平面交叉口，机动车与自行车之间的相互干扰主要有以下二种： ( 1 ) 同向行驶时相邻的机动车与自行车之间的横向干扰 从自行车角度来说，由于自行车是一种没有任何防护设施的交通工具，因此 在缺少隔离设施的交叉口，当机动车与自行车同向行驶时，骑车人在心理上将受 到机动车的横向压力，相关研究表明这种压力对自行车的最终影响就是导致自行 车流的速度下降。而从机动车视角看，由于自行车行驶轨迹的不稳定性，出于安 全考虑在与自行车相邻行驶时，机动车驾驶员会下意识的降低速度”1 。 ( 2 ) 不同行驶方向的机动车和自行车相互穿越引起的干扰 在同一信号相位下，不同方向的交通流若要通过同一片交通空间资源，就存 在着谁先占用谁后占用的问题，也就产生了干扰。机动车和自行车相互穿越的种 类很多，例如在典型的两相位信号控制十字交叉e l ，同一方向行驶的机动车与自 行车共同使用同一个相位，产生的干扰如图2 1 所示，一共有1 4 个机非冲突点。 5 图2 1 典型两相位信号交叉口机非干扰示意图 按照机动车与自行车的各自行驶方向可分为：直行自行车与同向右转机动车 之间，左转自行车与右转机动车之间，右转机动车和其左侧相邻方向的直行自行 车之间，直行机动车与同向、对向左转自行车之间，左转机动车与对向直行自行 车之间的干扰。由此可见，自行车与机动车相互穿越是引起干扰的主要活动要素。 平面交叉口的类型、道路、交通和控制的不周，机非相互之间的干扰情况和 穿越行为也各有不同。经过实地调查，本文选定北京市阜成门外大街交叉口作为 研究对象，阜成f - j # l - 大街交叉口是一个三相位信号控制的十字平面交叉口，东西 方向右转机动车道是专用右转机动车道，没有信号灯控制，相邻车道自行车受非 机动车信号灯控制。本文针对东西方向直行自行车跟同方向右转机动车的干扰( 其 他方向的干扰可用类似的方法进行研究) 进行了细致研究，东西方向直行自行车 跟同方向右转机动车干扰示意图如下图2 2 所示 图2 2 阜成门外大街东西方向直行自行车与同向右转机动车冲突点 6 2 1 3 干扰区 冲突点一般认为是两条理想交通轨迹的交点，但在实际中，大部分自行车在 交叉口内都成群结队行驶，与右转机动车的运动轨迹之间没有一个固定的交点， 自行车与机动车的干扰是一个区域，所以本文定义直行自行车与右转机动车之问 的干扰区域如图示2 例如右转机动车与直行自行车的相互干扰，以右转机动车车 道延长线、停车线与路i z l 路缘弧所围的区域为干扰区( 图2 2 ) 。直行自行车与同 向右转机动车的相互干扰大多发生在干扰区内。 冲突点 图2 3 平面交叉口机非干扰冲突点示意图 2 1 4 干扰程度 在研究机非干扰时，需要定量描述干扰程度的大小，定义交通流干扰程度为 路口内交通流依据一定的交通控制模式行进过程中，在干扰区域内，由于机非相 互之间的穿越行为而造成的时间损失占正常通行所需时间的比率。这里正常通行 所需的时间取在没有干扰情况下一定样本量的机动车通过干扰区的平均时间，计 算公式： k - - ! 王二! 至公式( 2 - 1 ) 式中：岛干扰情况下通过干扰区时间( j ) 5 无干扰情况下机动车通过干扰区的平均时间( j ) 7 2 1 5 自行车群 “群”在新华字典中的定义为：聚在一起的人或物表明一些人或物为了某 种且的，集合在一起。表现出来的特征就是“群”中人与物相互之问产生影响， 形成某种关系，产生了某些相同的特性因此，判断一伙人或物是否属于群，可 以从这些人或物之间是否具有特定的影响关系，是否具有该类群的共同特性来判 断。 将此定义解释自行车群，可以认为：自行车群是处于跟驰状态下多辆自行车 的共同跟随行驶，表现出的共同特性就是行驶空间有限，运行的速度在空间的约 束下趋于一致。从东南大学徐吉谦提出的交叉口服务水平标准嘲可以看出，在自 行车自由行驶状态，其动态空间为6 8 砰；因此若自行车的行驶空间小于该值， 且速度比较一致，则可认为这些自行车是一个群。 本文给出的自行车群是一个比较宽泛的定义，可以结合不同的研究需要给出 相应的约束条件。在本文研究中的自行车群特指红灯期间在交叉口集结的自行车， 在绿灯初期大量涌入交叉口的情形。 2 1 6 自行车穿越间隙和延时 在研究自行车和机动车的相互穿越行为时，借鉴分析无信号交叉口的可穿越 问隙理论汹1 ，定义某一交通个体在遇到持续的另一交通流时，穿越这股交通流时 所选择的那个间隙的持续时间定义为可穿越间隙，没有选择的间隙为拒绝间隙， 其中允许交通个体穿越的最小间隙为临界间隙( 或关键间隙) 。 另外定义某一交通个体在另一交通流头车前面穿过时，被穿越的头车前面空 挡的持续时间为可穿越延时，没有选择的延时为拒绝延时，其中允许交通个体穿 越的最小间隙为临界延时这里的交通个体可以是机动车也可以是自行车，交通 流可以是机动车流或者是自行车流。也就是把原来机动车的可穿越间隙概念扩大 了，不仅仅限于机动车和机动车流，同样用于自行车和自行车流。 单辆自行车与两辆以上的自行车穿越机动车有较大的差异，所以我们对两种 穿越情况分别采取如下定义： 2 1 6 1 单辆自行车穿越右转机动车穿越间隙定义 前辆右转机动车到达冲突点为开始时n t , ，待直行自行车穿越过去，后辆右转 机动车到达冲突点为间隙的结束时刻，则接受间隙为t = t 3 - t i ( 图2 4 ) ；如果自 行车没有穿越，则拒绝间隙同样为t = 如一 ，即前后两辆自行车在冲突点的车头时 距 8 t l 时刻b 时刻 图2 4 ：单辆直行自行车穿越右转机动车间隙示意图 2 1 6 2 白行车群穿越间隙定义 多辆自行车穿越机动车问隙定义与单辆自行车穿越机动车的间隙定义类似， 我们把最先通过冲突线，并且明显对机动车的行驶产生干扰的自行车定义为主穿 越自行车，多辆自行车的间隙就是由主干扰自行车得到。 可穿越问隙也可以分为前挡和后档。如图示：前档为f 2 一，后挡为t = t 3 一乞。 在多辆自行车穿越右转机动车时，主干扰自行车一般在接近冲突点处判断，这样 骑车人的可接受空挡主要由后挡决定而且后挡的大小对自行车的穿越执行行为 有影响。 2 1 6 3 直行自行车可穿越延时定义 自行车可穿越机动车延时的定义与可穿越延时的定义类似，当自行车与机动 车到达冲突区域时为t 1 时刻，当自行车穿越冲突点后，机动车到达机非干扰冲突 点的时刻为t 2 时刻，则可接受延时为f = ，一( 图2 5 ) ，如果自行车没有穿越， 则拒绝延时也为t = f 2 一，即自行车还未穿越冲突点，而机动车已经到达冲突点时 刻作为t 2 时刻。 冲突点 “时刻tz时刻 图2 5 单辆直行自行车穿越右转机动车延时示意图 9 这里的延时定义与其它研究中的定义有些区别汹，加上了自行车提前判断的 一段时间，主要考虑到实际情况中自行车会提前判断是否穿越后辆机动车，提前 判断的距离一般距离冲突点为： = 立2 a - + w 一( 公式2 2 ) 式中：离冲突点的判断距离( 研) 。 v 穿越前自行车的速度( m s ) ： 口自行车的制动减速度，可以取o 6 m s 2 ； f 自行车驾驶员的反应时间，般取0 2s 。 2 2 自行车与机动车运行特性 2 2 1 机动车运行特性 机动车是城市交通的主要部分，也是目前交通理论研究的主要对象。机动车 的行驶特点是速度快，速度差大，但是启动与制动需要时间。机动车为其驾驶员 提供了良好的防护设施，且具有安全、舒适，稳定特性；行驶中，大部分机动车 走行线路较固定，能沿着原车道行驶。 在平面信号交叉口，机动车如果在红灯期间或在交叉口进口车道出有车辆排 队时达到，车辆将被迫减速，然后等信号灯放行或前方排队车辆起动后前进。由 于上述原因，车辆会在信号交叉口形成减速加速离开的过程，在减速过程中 车辆不断到达就形成排队车队。如果在信号交叉口内部前进时遇到其他流向车辆 或自行车，行人的干扰车队有可能出现多次的加速减速过程。 2 2 2 自行车特性分析 自行车在交叉口内运动的交通特性是指自行车在路口内运动时的一些能够反 映自行车本身行为变化的特性，由于影响自行车在路口内行为变化的因素很多， 所以我们利用定性与定量相结合的方法，对自行车的特性因素从微观和宏观两个 层面进行分析。 相对于自行车在路段上的运动，自行车在交叉口内的运动是一个复杂多变的 行为，其行为的变化受到很多方面因素的影响，而实际的建模过程就是通过对现 实世界的一些具体行为进行抽象概括，使最后得到的模型能够准确的描述现实世 l o 界。为了能够更好的建立起自行车在路口内的行为模型，以及更好的实现后续的 交叉口内自行车微观仿真，必须对自行车在路口内的运动行为进行详尽的分析。 2 2 2 1 自行车出行和占用资源设备特性 1 出行距离近，出行时间较短 自行车的出行距离通常在2 8 k m 。出行时间通常在1 5 3 0 m i n ，很少超过4 0 m i n ， 并且表现为早晚两个高峰期所以，在城市交通中自行车是中短距离出行的主要 方式。 2 人均占用道路面积较大 自行车交通方式的人均占用道路面积介于公交车和小汽车之问，参见表2 1 。 3 需要配套的停车空间多 自行车、小汽车作为个体交通工具，到达目的地后均需要专门的停车场地停 放较长时间。虽然单辆自行车所占的停车空间仅有1 2 m 2 ，但是大量的自行车需要 的停车场地多，参见表2 1 。 各项指标自行车小汽车公交车地铁 ( 中型) 行驶速度 1 0 一2 0 一般6 0 _ - 6 0 7 0一般：3 0 一4 03 5 4 0 拥挤1 5 3 5拥挤：1 0 一2 5 人均占用 6 - 一l ol o - 2 01 - - 2 不不占用道路 道路面积面积 人均占用 1 54 _ 61 5 一一2不占用路面面 停车场面 积 积 6 0 7 0 l ( i n h 是指小汽车在城市道路上的最高时速 表2 1 各种交通工具的有关参数指标 5 可达性高、灵活性大 与小汽车相比，自行车交通的步行距离少。与公共交通相比，自行车交通不 受固定站点限制，自主性大，可达性高，步行时间短、距离少( 如可节省从居住地 至公交车站的步行时间、候车时间和从车站至目的地的步行时间) ，这也是目前很 多人选择自行车交通的最重要的原因。 2 2 2 2 自行车运行特性分析 自行车的稳定性 自行车车轮胎与地面接触面积小，当轮胎气压为3 5 ，2 8 ，2 1 和1 4 n 时，轮胎与 地面的接触面积分别为2 3 ，2 6 ，3 0 和3 9c m ，自行车静态时无法稳定直立，必须用 脚撑架住或由骑车人用脚撑立当人们骑上自行车时，人车合成系统的中心将升 高，如不及时自我调整将会失去稳定。由于自行车轮胎与地面接触面积仅为2 0 - - 4 0 c f f ，因此骑车人必须随时调整重心，以维持运动中的平衡。当人骑着自行车前 进时，由于动态平衡的保持，自行车会一直前进不致倾倒，即使受到较小的障碍 物或外力干扰也会继续前进，自行车能抵制外力而保持继续前进的特性称为直行 的稳定性。根据骑车人调整平衡过程中人体中心线和自行车中心线的相互位置， 自行车运动中的平衡可以分为中心平衡、外倾平衡和内倾平衡三种平衡。 自行车运行摇摆性 自行车自身平衡性仅仅能够维持在动态的平衡，也没有如同机动车那样固定 的车道线来限制其的前进路线，自行车在前进过程中经常偏离原有前进方向而呈 现左右摇摆的“蛇行”前进。同时自行车转向灵活、反应敏捷，在行驶中也常因 为超车、让车等情况而出现横向摆动。特别是自行车在交叉口内由于与机动车处 于同一运行平面，无任何隔离防护，骑行速度慢，白行车骑行人的畏惧心理使得 车辆横向摇摆，容易偏离原骑行轨迹。 自行车运行反应和启动特性 与机动车相比，自行车启动快。在交叉口，自行车的启动一般比机动车快。 根据中国学者做的试验，自行车在交叉口启动比机动车提早一秒钟以上，但后来 机动车的速度就比自行车的快。 关于骑车者在信号交叉口对黄灯的反应时间( 以下简称为反应时间) ，a s h t o ( 1 9 9 1 ) 规定的自行车设计速度为1 6 1 k m h ，相应的反应时间为2 5 0 ：f o r e s t e r ( 1 9 8 3 ) 建议的设计速度值是：成人速度为2 4 1 - 3 2 2 k m h ，儿童为1 6 1 k m h ：反应时 问为1 秒，a a s h t o 和f o r e s t e r 提供的数值看上去像是通过工程判断确定的。t a y l o r ( 1 9 9 3 年) 认为进行自行车设施设计时1 秒的反应时间太短了一些，建议使用a a s h t o 推荐的数值2 5 0 。另外，w a n gw e i ( 1 9 9 3 ) 的论文中提到在中国的研究表明，在 信号交叉口前，自行车骑车者的启动反应时间比机动车司机的快一秒以上 作者根据大量的实地调查数据分析求证后发现，自行车骑车者在本相位红灯 末期就已经做好启动准备，造成这种现象的主要原因是自行车骑车者都有迅速通 过交叉口的心理，甚至在红灯l | 缶近结束，绿灯还未开始时有部分骑车人就已经开 始启动，因此本文认为自行车启动反应时间很短，与机动车相比可以近似为零。 自行车运动成群性 1 2 自行车成群前进现象在交叉口停车线前，自行车信号灯为红灯刚转换为绿灯 时体现最为明显，交叉口信号灯停车线处由于红灯聚集了大量的自行车，在绿灯 开启时刻自行车成群地涌进交叉口内，交叉口短时问内进入的大量自行车而对机 动车交通造成很大影响。 自行车在骑行过程中没有固定的线路，车辆在自行车道宽度方向随意行驶， 同时自行车体积小、转向灵活，在路段上不严格的按照有规律的纵向队列方向前 进，而是经常以群、集团的形式前进：在交叉口最容易出现自行车集团。其主要原 因有以下几方面： i 交叉口的截流、聚集、释放使得在某一时间断面的自行车流明显高于其它 时间的自行车流强度，所以自行车流出现成团的现象。 2 共同出行的自行车喜欢在道路上并排骑行，从而影响后面的速度较快的自 行车超越，形成自行车成群前进的现象 3 与自行车的骑行速度和方向的变化有关，而速度和流盘与自行车流量的大 小有关。当流量很低的时候，自行车能够自由骑行，这时自行车的速度不会发生 太多变化，而方向则会呈现自由摆动。当流量上升到一定程度后，自行车的速度 变化增加，方向变化则明显更加强烈，主要方向变化在于寻找前方的空档超车穿 行，但当流量继续上升以后，自行车行驶受到限制，基本没有空档可以穿插，这 个车队的速度都保持的较为平均，方向变化也减少这时形成的就是以“集团” 形式行进的自行车流。在共同前进的集团中，虽然每个骑车人的心理不同，会调 整他们骑车的速度改变自身在集团中的位置，但是集团前进的形式并没有发生改 变，即这种集团是动态的集团。有时，有些人恰恰相反更愿意单独骑行，他们一 般加速冲到前方或减速滞后个人单行，但是在高峰时段，因为交通量太大，几乎 没有脱离集团的空间，所以这种情况很少发生。 根据实际的观测，自行车“团”是一个动态的过程，当后面期望车速较快的 自行车寻找到空档完成超越后，自行车团就消失，在下一个较慢的车辆集中处， 又会形成新的自行车团。 自行车运动分散性 在路段和交叉口内，当流量不大时，与自行车成群前进相反，部分骑车人不 愿意在陌生人群中骑行，即使在有空档的情况下也不愿意一直紧紧尾随在别人的 后面，往往与其他车辆保持一定的距离，或者超前单行，或滞后独行，这一点对 于女性骑车人尤为明显。 自行车运行多变性 由于自行车机动灵活、易于转向、加速或减速，因此自行车速度与方向经常 发生变化骑行速度较快者经常穿插空档，因此自行车的速度、方向呈现多变的 特点。速度与方向的变化与自行车流量大小有关当流量很低的时候，自行车能 够自由骑行，这时自行车的速度不会发生太多变化，而方向则会呈现自由摆动， 其运行轨迹呈现很明显的蛇形轨迹。当流量上升到一定程度后，自行车的速度变 化增加，方向变化则明显更加强烈，主要方向变化在于寻找前方的空档超车穿行， 但流量继续上升以后，自行车行驶受到限制，基本没有空当可以穿插，这个车队 的速度都保持较为均一，方向变化也减少由于白行车机动灵活，易于转向、加 速或减速，而且骑行人差异较大，因而个体车辆的速度和方向常常突然变化，易 于在交叉口内呈散点分布。 自行车骑车人的动力特性 根据资料显示，成年男子付出的功率为0 2 2 k w ，成年女子付出的功率为 0 1 5 k w ，儿童付出的功率为0 0 7 k w 若持续蹬车3 0 分钟以上，成年男子只能付 出0 1 5 k w ，成年女子可能付出的平均功率为约为男子的7 0 ，行驶时间越长， 骑 车人能够付出的功率越小，骑行速度就越慢 自行车的加减速特性： 受到自身运动特性的影响，自行车的转弯特性较机动车灵活，根据经典力学， 自行车从理论上计算的制动距离为 只：兰：二堡!( 公式2 一- 3 )只= ll ：公 氏 ， 2 9 ( 妒f ) 式中：v j 表示自行车开始制动时的速度 u 表示自行车希望达到的行驶速度 妒轮胎与路面之问的附着系数，通常选用0 3 - o 6 f 自行车骑行路面的坡度 在交通工程p 6 4 8 手册中提到自行车最大加速度为2 m s 2 ，作者通过视频提 取得到阜成门交叉口运动自行车数据共9 6 9 组，经过计算统计得到自行车在路1 3 内加速度最大值为最大加速度：o m s , 最大减速度为4m s 2 ，加速度变化范围比较 大，主要是由于自行车的加减速度变化灵活造成。 1 4 自行车的转弯特性 为了保证自行车在弯道上的行车安全和舒适平稳，各国对于不同速度下的弯 道半径值提出了规定。对于转弯半径的控制值，一类是采用理论公式计算，另一 类是采用经验公式。美国“自行车规划标准指导原则”中提出速度与半径的半经 验公式为： r = 0 2 4 v + 0 4 3( 公式2 3 ) 其中r 代表自行车转弯半径 v 代表白行车行驶速度 由上式可以计算得到不同速度下的对应半径取值 自行车横向运动特性 自行车由于自身的平衡稳定性不佳，因此在骑行的过程中并不是沿着一条直 线在前进，而是围绕着前进轴线在左右摆动，这种情况就是前面介绍的“蛇形” 运动因此，自行车的运动轨迹与机动车有明显的差别。自行车在交叉口内由于 与机动车处于同一运行平面，无任何隔离防护，骑行速度慢，自行车骑行人的畏 惧心理使得车辆横向摇摆，容易偏离原骑行轨迹。 根据前人的研究，蛇形摆动的宽度与骑行速度和骑车人的个人差异有关。根 据前联邦德国、日本以及徐吉谦教授的研究，自行车速度越高，蛇形轨迹宽度越 窄，蛇形宽度一般在4 0 e m 左右。但文献没有说明蛇形试验的方法，根据其数值推 测应该是试验对象沿着某一固定标线前进时的摆动情况。而在实际自行车道环境 下，特别是北京机非硬隔离的自行车道一般都达到5 m 以上，这是自行车自由骑行 的摆动肯定会远远大于4 0 e m 。在此需要说明北京工业大学何民的博士论文中，考 虑到实际道路上自由骑行摆动研究。 研究摆动主要需要考察自行车在自由骑行下的摆动状况，而对于处于避让障 碍物，超越或躲避其他车辆等其他干扰情况下，自行车骑行方向的变化则另加讨 论自行车摆动的横向速度与摆动幅度两个主要参数可以清楚地描述出自行车“蛇 形”的特性。 2 3 混合交通流中机非干扰特性 在城市道路运行的机动车、非机动车流及人流各自运行的速度、特性和目标 各不相同，从而造成混合交通流中一个流体对其它流体的影响和干扰。混合交通 流的干扰性表现为各种流体问对通行速度、流量及通行能力的消减或阻滞，从而 影响城市交通的总体状况。尤其在平面交叉口，自行车流对机动车流的干扰最为 1 5 严重，这不仅仅是因为自行车数量比较大，还因为在平交路口红灯信号转绿灯信 号时，由于自行车具有体积小、启动快，而且启动后速度慢于机动车速度之特点， 所以在平交路口绿灯信号初期时，往往出现自行车流位于机动车流的前面，其速 度又低于机动车流的起动后的速度，影响干扰了机动车的正常运行。还有，左转 的自行车和直行及对面左转的机动车之间，直行的自行车和右转的机动车之间都 会产生干扰另外，由于各种车流、人流在平交路口的扩散都是随机的，因此， 混合交通流的干扰是不可避免的。归纳起来，城市混合交通流干扰具有以下几个 方面的特性n ”： 2 3 1 干扰的传递性 在混合交通流流体的运动过程中，设当a 流体对b 流体产生干扰后，则b 流体将 向后面及周围的同类流体产生传递干扰，同时使干扰迅速向后面的混合流体传递， 这就形成混合交通流相互干扰的传递性 2 3 2 干扰的延迟性 在混合交通流形式中，直接受到干扰的流体以及传递受到干扰的流体，都要 相应的改变其运行状态。但是，前面流体的运行状态改变与后面受到传递干扰的 其它流体运行状态的改变不具有同步性，后面流体运行状态改变在空间上具有一 定的滞后性。因为当前面的流体受到另一流体干扰改变运行状态时，需要有一个 干扰传递的反应时间，也就是要有一个反应过程。如果简单的假设干扰传递的平 均反应时间为t ，那么按排队顺序当第一个流体在t 时间对干扰做出的改变运行状 态( 减速或停车等) 的反应动作后，其后面的第2 、3 ，n 个流体反应动作应在 t ，2 t 、n t 之后进行，这就是混合交通流的干扰延迟性。 2 3 2 干扰的制约性 城市混合交通流的干扰制约性，主要由速度制约和时空制约两部分。速度制 约是指在混合交通流运行状态下，当各种流体发生干扰时，个体流为防止事故发 生，其运行状态必须相应的减速，以防止碰撞等事故，这就是速度制约。时空制 约是指在混合交通流运行状态下，为避免混合交通流问的干扰碰撞，保证每个流 体与周围流体间有一个安全空间，而进行自我调整，自我保护，这就是混合交通 流的时空制约性。 综上所述，城市混合交通流的干扰传递性、干扰延迟性导致干扰的制约性， 混合交通流的相互干扰在城市交通运营中带有很大的破坏性，其表现形式十分广 泛、复杂，其中随机因素占较大比重，在规律探讨上相当大的难度因此，如何 从我国城市交通的实际出发，研究探讨适合我国国情的混合交通流理论，以科学 地疏导混合交通流的干扰，解决拥挤、堵塞的交通现状是十分重要的 1 6 3 混合交通流数据采集方法 混合交通流数据的采集，对于进行混合交通流特性研究，特别是为混合交通 流的微观仿真模型研究具有十分现实的意义。只有获得了恰当的数据采集方法与 手段以后，才能为开展交通流仿真模型研究采集到所需的交通流特征参数，并作 为标定和验证仿真模型的依据。本章归纳总结了混合交通流数据采集的相关方法， 根据混合交通流数据的需求和以有设备，本文采用视频采集为主，人工采集为辅 的数据采集方法。 3 1 混合交通流数据采集方法概述 3 1 1 常用交通流数据采集种类 交通流数据采集的方法可以分为人工观测与利用传感器自动检测两大类。人 工观测方法中常用的工具为秒表、计数器、尺子等。人工观测方法一般用于临时 交通调查或设备不可获得的情况。该方法具有简单、易控制等特点；缺点是工作 量大，容易出现人为错误和误差。 交通流的自动检测方法随着传感器技术、微电子技术和信息处理技术的发展， 不断出现新型的交通流检测器。交通流自动检测技术包含三个部分：传感