（交通运输规划与管理专业论文）平面交叉口自行车微观穿越模型及仿真研究.pdf

中文摘要 摘要：目前日益严重的城市交通拥挤已经成为了研究的热点，交叉口的混合交通 现象是造成交通系统异常复杂的一个重要原因，考虑到自行车在我国城市交通中 占有重要的位置，因此对交叉口的自行车微观行为进行研究可以为提高交叉口通 行能力和安全水平提供理论依据，对提高交通管理水平有现实意义。 基于此，本文首先对自行车基本微观行为和交叉口穿越特性进行总结分析， 制定出研究技术路线，应用视频采集方法在早高峰时段对典型十字交叉口进行了 数据采集，采用摄影测量法设计出析取各类表征自行车行为特性数据的方法。其 次利用s p s s 统计分析软件和相应统计分析方法对自行车在交叉口内的微观行为 数据进行分析，结果表明自行车穿越交叉口的速度服从正态分布；交叉口类型、 自行车通过交叉口所处的绿灯时期对自行车速度有较为显著的影响：自行车穿越 机动车的接受间隙和接受延时服从正态分布：性别、前车类型和自行车在穿越前 是否停车对接受间隙和接受延时无显著影响，后车类型对两者有影响。通过对自 行车在交叉口微观运行特性分析，建立和验证考虑了后车类型、后车速度和间隙 或延时的交叉口内直行自行车穿越右转机动车的概率选择模型和延时选择模型。 最后，基于a g e n t 理论对信号交叉口内的交通个体进行了仿真建模，运用n e t l o g o 仿真平台编制相应程序，模拟了自行车穿越机动车时的行为，仿真实验表明穿越 行为的概率选择模型的合理性。 关键词：自行车；穿越行为；a g e n t ：仿真 分类号：u 4 9 1 2 a b s t r a c t ：n o wi nt h em a n yc i t i e s ，t h ec o n g e s t i o np r o b l e mh a sb e e nar e s e a r c h e d f o c u sb e c a u s ei tb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s l y t h em i x e dt r a f f i co ft h ei n t e r s e c t i o n i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s ，w h i c hc a u s et h et r a f f i cs y s t e mc o m p l e x i nc h i n a , b e c a u s et h eb i c y c l ep l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nu r b a nt r a f f i c , t h es t u d yo nt h eb i c y c l e m i c r o s c o p i cb e h a v i o r sa tt h ei n t e r s e c t i o nc a np r o v i d e at h e o r e t i c a lb a s i sf o ri m p r o v i n g t h ec a p a c i t ya n de n h a n c i n gt h es e c u r i t yo ft h ei n t e r s e c t i o n a n da l s oi th a sp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h et r a f f i cm a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ep r e v i o u ss t u d i e so nt h em i c r o s c o p i cb e h a v i o r so ft h e b i c y c l ea r ea n a l y z e da n dr e v i e w e d s e c o n d l y , u s i n gv i d e oc a m e r a s ，t h et r a f f i cd a t aa r e g a t h e r e da tt h et y p i c a li n t e r s e c t i o n s ，a n dt h em e t h o do fe x t r a c t i n gt h ed a t ai sd e s i g n e d , w h i c hc h a r a c t e r i z et h eb e h a v i o ro fab i c y c l eb a s e do np h o t o g r a p h i cm e a s u r e m e n t p r i n c i p l e t h e nt h em i c r o s c o p i cb e h a v i o r so ft h eb i c y c l ep a s s i n go nt h ei n t e r s e c t i o na r e a n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h es p e e d d i s t r i b u t i o n so ft h eb i c y c l e ，t h ef a c t o r s ，s u c ha st h et y p eo f i n t e r s e c t i o n ，g e n d e ro fp e r s o na n dt h ep a s s i n gp e r i o d t h ed i s t r i b u t i o no ft h ea c c e p t e d g a pa n dl a go fb i c y c l ec r o s s i n gt h em o t o rv e h i c l ef l o wa r ea n a l y z e d ，w h i c hc o n s i d e r s o m em a i nf a c t o r si n c l u d i n gt h eg e n d e ro fp e r s o n ，t h et y p eo fm o t o ra n dw h e t h e rt o s t o p b a s e do nt h ea n a l y z e dd a t ar e s u l t s ，ap r o b a b i l i t yc h o o s i n gm o d e ld e s c r i b i n gt h e b e h a v i o ro fs t r a i g h t r u n n i n gb i c y c l ep a s s i n gt h er i g h tt u r nv e h i c l ef l o wi sp r e s e n t e d ， w h i c hc o n s i d e r st h ec a rt y p e s ，t h ele a rm o t o rs p e e da n dt h eg a po rl a g f i n a l l y , b a s e do n t h ea g e n tt h e o r y , as i m u l a t i o nm o d e la n dp r o g r a mf o rt h es i g n a l i z ei n t e r s e c t i o na r e p r e s e n t e d ，a n dt h eb e h a v i o r so ft h eb i c y c l e sc r o s s i n gt h em o t o rf l o wa r es i m u l a t e du s i n g t h es o f t w a r ep l a t f o r mn e t l o g o ，t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ep r o b a b i l i t yc h o o s i n gm o d e lo f t h et r a v e r s i n gb e h a v i o r si sw e l lv a l i d a t e d k e y w o r d s ：b i c y c l e ；c r o s s i n gb e h a v i o r ；s i m u l a t i o n ；a g e n t c i a s s n 0 ：u 4 9 1 2 图目录 图1 - 1 论文技术路线8 图2 1 百万庄十字交叉口示意图1 3 图2 2 甘家口商场十字交叉口示意图。1 3 图2 3 阜成门华联十字交叉口示意图1 4 图2 5 视频提取软件操作界面1 6 图2 - 6 视频提取软件操作流程图。1 7 图2 7 数据采集工作界面1 7 图2 8 穿越接受间隙示意图1 8 图2 9 穿越接受延时示意图。1 8 图2 1 0 穿越距离类数据示意图1 9 图3 - 1 模型建立与分析流程图2 3 图3 2 速度数据分析流程图2 4 图3 3 平均速度频率分布图2 5 图3 4 主次干道交叉口自行车车速度频率分布图2 8 图3 5 次支路交叉口自行车平均速度频率分布图3 2 图3 6 绿灯期各样本均数折线图3 4 图3 7 接受间隙频率分布图3 5 图3 8 接受延时频率分布图3 8 图4 1 自行车与右转机动车冲突示意图。4 0 图5 1b d i 模型4 9 图5 2a g e n t 结构4 9 图5 3 交通系统a g e n t 的组成5 2 图5 4 交通个体a g e n t 的构成。5 2 图5 5 自行车在交叉口非冲突区域内的决策机制5 4 图5 6 自行车在交叉口冲突区域内的决策机制5 4 图5 - 7 仿真界面5 7 图5 83 d 仿真界面5 7 图5 9 仿真接受间隙频率分布图5 8 表目录 表2 1 不同速度下自行车占用道路面积。4 表2 2 厂对应的最大减速度a 。5 表2 1 数据采集概况。1 2 表3 - 1 总体平均速度统计描述2 5 表3 2 平均速度分布单样本k - s 检验结果2 6 表3 3 平均速度分组描述统计。2 7 表3 - 4 平均速度方差齐性检验结果2 7 表3 5 平均速度独立样本t 检验结果2 8 表3 6 主次干道交叉口自行车平均速度统计描述。2 9 表3 7 主次干道交叉口速度单样本k - s 检验2 9 表3 8 按性别分类速度方差分析2 9 表3 - 9 按绿灯期分类速度方差齐性检验。3 1 表3 1 0 绿灯期因素方差分析表3 1 表3 1 1 次支路交叉口自行车平均速度统计描述3 1 表3 1 2 次支路交叉口速度单样本k - s 检验结果3 2 表3 1 3 按性别分类单样本t 检验3 3 表3 1 4 按绿灯期分类方差齐性检验3 3 表3 1 5 绿灯期单因素方差分析3 3 表3 1 6 多重均数比较。3 4 表3 1 7 接受间隙统计描述3 5 表3 1 8 接受间隙分布单样本k - s 检验。3 6 表3 1 9 按性别分类独立样本t 检验3 6 表3 2 0 按前车类型分类独立样本t 检验3 6 表3 2 1 按后车类型分类独立样本t 检验。3 7 表3 2 2 按是否停车分类独立样本t 检验3 7 表3 2 3 接受延时统计描述3 8 表4 1 强制引入类型z 的模型初步拟合表4 3 表禾2 未引入模型的变量s c o r e 统计量4 3 表4 3 似然比检验结果( 第一步) 4 3 表牛4 似然比检验结果( 第二步) 4 3 表4 5 间隙选择模型情况摘要。4 4 表4 6 间隙选择模型的h o s m e r - l e m e s h o w 检验4 5 表4 _ 7 间隙选择模型预测列联表4 5 表4 8 延时选择模型情况摘要4 6 表4 9 延时选择模型的h o s m e r - l e m e s h o w 检验结果。4 6 表4 - 1 0 延时选择模型预测列联表4 6 表5 - 1 a g e n t 的特点4 7 表5 2 自行车a g e n t 结构5 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王山山 签字日期：) 叩8 年多月j - e t 导师签名： 兰转 签字日期：硼年么月，日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通大学或其他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做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师张兴强副教授的悉心指导下完成的，张兴强副教 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。在此衷心感谢两 年来张兴强老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，师兄宋金利和师妹梁英慧在数据采集过程中 给予大力的配合和支持，还有杨丽娟、王金霞、李明华等同学在我论文的撰写过 程给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母和姐姐，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 引言 1 1研究背景及目的意义 交通系统是现代社会的基础，是人类社会经济的命脉，但随着国民经济的高 速发展、城市化进程的加快和汽车保有量的迅速增长，城市交通需求急剧增加。 由于受到城市空间和资金筹措的限制，城市道路建设比较缓慢，道路设施的增长 远远满足不了交通发展的需求。目前城市交通拥挤问题己是普遍性的问题，全世 界大多数国家的城市都不同程度地遭受着交通拥挤的困扰。 在我国，一些城市的交通拥挤状况已经达到了相当严重的程度。例如，北京 中心区高峰问路网的平均负荷度已达9 0 ，部分市区道路平均车速不足2 0 k m h 。 三环路以内1 1 0 条主干道，有8 0 多条道路交通流量达到饱和或超饱和状态。专家 们指出，北京正在经历2 0 世纪8 0 年代以来的第三次交通拥堵，也是最大的一次 交通拥堵i l j 。 城市交通堵塞问题己经成为目前研究的热点课题。交通拥挤使交通延误增大， 大量时间流失在路上；行车速度降低，造成了燃料费用的增加和对环境的污染； 人们自由行驶空间狭小，不自觉地争道抢道使得交通事故频繁发生；缓慢的行进 甚至无法行进使人烦躁不安，降低工作效率并影响身体健康。交通拥挤、交通事 故及交通所造成的环境污染已成为人类及环境的公害。交通运行不畅以及由此带 来的经济损失已经成为制约我国城市发展和经济建设的重要因素。 混合交通流是我国城市交通的一个重要特点。混合交通流在同一时间或相似 的交通条件下，由于构成不同，其流量在不同时间、不同地区、不同方向和不同 车道上的分布情况各不相同。因而混合交通流是交通流量、流速、密度及结构的 四元流体，它是在多重路段、交叉路口、信号控制系统组成的路网下，不同时点 具有连续流和间断流的混合流体，涉及的因素众多且错综复杂。这是造成我国交 通系统异常复杂的一个重要原因。 同时，混合交通流是我国城市交通管理的一大难点。混合交通流的存在使得 道路交通秩序混乱、车辆的行车速度降低、交通安全事故增加，极大的降低了城 市交通的效率，尤其还抑制了一部分具有很大交通容量的道路的利用效率。由于 城市道路和交通工程设施不完善，致使很多街道上快车与慢车、机动车与非机动 车、车辆与行人都未分道行驶；加之我国缺乏全民范围的交通意识教育，人们在 出行中没有路权观念，彼此抢道、互不相让。这种混合交通严重的状况给城市交 通管理带来了相当大的难度。因此研究混合交通流的特性和规律，找到针对混合 交通流问题的有效解决方法和对策体系，对于解决我国城市的交通问题，具有重 要的现实意义。 城市交通拥挤的问题主要集中表现在道路交叉口处，由于不同方向的交通流 在交叉口处相交，引起交通流之间的冲突、合流、分流等交通行为，使交叉口交 通秩序混乱，使其成为一个瓶颈，这是造成城市交通拥堵的一个重要原因；由于 在交叉口汇集通过的机动车与非机动车、行人的行驶方向各不相同，存在着大量 的干扰与冲突，极易导致交通事故，故交叉口也是道路交通事故的高发区。所以 针对交叉口为研究对象，是解决城市交通拥堵的有效途径。 混合交通流的存在是造成交叉口交通秩序混乱的主要原因，在交叉口的各种 冲突中，机动车与自行车间的冲突是造成交叉口交通秩序混乱和交通安全性下降 的最为突出的一个因素。所以针对交叉口中自行车这一交通个体的交通流特性和 机非冲突问题进行研究，可以促进混合交通流理论的完善，从而指导开发研制符 合我国国情的混合交通控制系统，建立科学、规范的城市道路交通管理办法，对 提高交叉口通行能力，以及提高道路网络通行能力、缓解城市交通拥挤问题都将 是有益的。也将为交叉口的规划管理、信号控制效果的改善和有效的实施交通组 织措施提供更为可靠的理论依据，从而有助于城市交通管理水平的提高。 1 2自行车宏观行为研究现状 近年来，由于平面交叉口处混合交通引发的问题日益严重，国内许多学者开 始了对机非混合交通的研究。景春光，王殿海1 2 j 分析了混合交通环境下机动车、自 行车和行人的冲突情况，研究了这些冲突对交叉口通行能力的影响；提出设置左 转自行车相位和自行车、行人相位提前截止等解决方案；并建立了左转自行车相 位设置流量临界值的概念和自行车、行人提前截止时间的计算模型。孙明正，杨 晓光【3 】对机动车与非机动车混行条件下平面交叉口的交通设计进行深入、系统地研 究，在大量实测数据的基础上，对信号控制交叉口自行车交通流的运行特征进行 分析，建立自行车交通流的相关模型，并在理论分析和实践的基础上，形成机非 混行平面交叉口交通设计理论与方法。 在交叉口优化组织方面，继对行人设立信号灯后，杨晓光【4 】等又对混合交通 信号相位切换进行了评价，将最佳的交通效率和交通安全作为相位变换的准则， 给出了相位变化及参数的确定方法与数学模型。在优化信号交叉口研究中，陆化 普、吴海燕【5 l 等人通过比较，对影响交叉1 3 运行效率的因素加以分析，提出分离机 动车与非机动车、设非机动车专用信号、合理配置信号周期等措施。刘东【6 j 等人对 2 灯控交叉口非机动车流的运行特性参数进行调查与分析，定性地分析了平面交叉 口非机动车与机动车的冲突情况和相互影响规律。 在平面交叉口的通行能力方面，李建新，毛保华【7 】针对我国自行车流量较大 的特点，分析了有信号平面交叉口非机动车对通行能力的影响并提出了相应的计 算模型。孙湘涮8 】对城市道路信号交叉口的自行车通行能力进行了研究，并对非机 动车交通流在信号交叉口的交通特性进行了细致的研究，从而提出了非机动车交 通流在信号交叉口的交通改善措施。刘红【9 】分析了非机动车交通流和交叉口几何指 标对信号交叉口通行能力的影响，提出了可提高信号交叉口通行能力的措施。 国外一些学者【1 0 】已经开始进行自行车到达特性的研究，总结这些研究结果可 以初步认为，在自行车流量小的情况下( 2 3 2 辆, b 时) ，负指数分布能较好地描 述自行车到达车间时距的分布规律；由于车间时距与车辆到达是相互对应的，由 此也可以推论，在自行车流量不大时，泊松分布能较好地描述一定时间间隔内自 行车到达量的分布规律。彭锐【1 1 】根据对上海4 个路口的自行车到达情况的分析， 认为在流量为2 7 6 0 3 7 2 0 辆当量小时的情况下，自行车1 分钟到达量大部分符合 负二项分布。曲昭伟【1 2 】等人在对城市信号交叉口自行车流的释放规律、释放饱和 流率、释放速度分布等做出了初步的研究，认为城市信号交叉口自行车到达服从 负二项分布，自由流状态车速集中在1 3 1 5 k m h 。非自由流状态车速集中在 1 1 1 2 k m h 。自行车释放饱和流率的测算结果为1 0 8 b i k e ( s m ) 。刘嘉铭【1 3 j 运用波动 理论解释了自行车在集结和扩散过程中的波动现象，对自行车在交叉口的不同集 结形状对机动车流形成的干扰也进行了定性分析，并定量分析了扩散过程中自行 车流量与扩散密度、车群宽度之间的关系。 1 3自行车微观行为研究现状 1 3 1自行车基本特征 ( 1 ) 外形特征 大多数已出版的相关刊物中都包含对自行车车辆的简单测量数据。交通工程 手册1 1 4 】中提出自行车的外廓最大尺寸为长1 9 米，车把宽0 6 米，骑车时高为2 2 5 米，自行车静态停车面积为1 2 1 8 m 2 。由于自行车运行时呈现一种蛇形运动，运 行宽度认为是1 0 0 厘米( 车把宽度6 0 厘米加上蛇形轨迹宽度4 0 厘米) ；运行高度 空间可取2 5 0 厘米，其中2 5 厘米为保险空间。 交通工程手册中提到不同速度下自行车占用道路面积( 见表2 - 1 ) 。 3 表2 1 不同速度下自行车占用道路面积 t a b 2 - 1r o a da r e ao fb i k ei nd i f f e r e n ts p e e d ( 2 ) 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 ，1 2 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 9 c m 2 ，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，人车合成系统的重 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 m 2 ，因此骑车入必须随时调整重心，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1 1 4 1 。 ( 3 ) 成群性 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，在路段上不严格按照有规律的纵向行列前进，而 是经常出现成群前进。造成自行车成群前进的原因有两个方面，一是交叉口的截 流、聚集、释放使得在某一时间断面的白行车流明显高于其它时间的自行车流强 度，自行车在路段上也出现成团的状况。其次是共同出行的自行车喜欢在道路上 并排骑行，从而影响后面的骑行较快的车辆超越，形成自行车成群前进的现象。 根据实际的观测【1 5 】，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。 ( 4 ) 单行性 与成群性相反，骑车人不愿意在陌生人群中骑行，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。 ( 5 ) 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。 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 4 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。 1 3 2自行车运动行为特性 ( 1 ) 速度特性 根据1 9 7 9 1 9 8 1 年的调查【1 4 】，北京市自行车在交叉口的速度随不同转向有所 区别：左转车速度平均为8 4 9 3 k m h ；直行车的平均为1 3 8 1 4 1 k i n h ：右转车平 均速度为8 4 9 3 k m h 。 何民【1 5 】博士论文中还研究了在不停车情况下，各方向自行车的平均速度，左 转车速度为1 1 0 1k m h ，直行车速度为1 2 3 5k m h ，右转车速度为1 1 2 9 k m h 。其 研究结果表明，自行车左转车速与右转车速基本相等，都略低于直行的车速。 ( 2 ) 加减速度特性 交通工程手册【1 4 】中提到自行车减速度理论公式，当自行车完全刹时，车 轮轮胎与地面只做滑行运动，不考虑空气阻力的影响，此时，自行车减速度理论 值最大为： a 一- ( f + i ) g ( 2 1 ) 其中，a 为减速度m s 2 ； 厂为轮胎与路面间的附着系数，一般取0 3 0 6 ； f 为自行车通行道路的纵坡度( ) ，上坡为正，下坡为负； g 为重力加速度。 根据理论公式计算得自行车减速度限制值为2 9 4 5 8 8 m s 2 ，此公式的问题集 中在如何选取参数厂上。交通工程手册还指出，值中国学者通常采用o 5 左 右；日本警察科学研究所采用0 6 为安全值，0 8 为极限值；由制动距离公式反推， 前苏联约采用0 4 2 8 。 表2 - 2 ，对应的最大减速度a 1 t a b 2 2 ：t h ec o r r e s p o n d i n gm a x i m a ld e c e l e r a t i o no f f 黄玲【1 6 】通过采集交叉口内大量自行车的数据，得到以下结论：无论是停车减 速度还是启动加速度，其总体都符合对数正态分布。通过对骑车人性别的不同进 1 当i = o 时 5 行分类得出，男性减速度和加速度分别为一0 5 9 m s 2 和0 5 8 m s 2 ，女性则为- 0 5 4 m s 2 和0 4 6 m s 2 。此外，作者还按照进入交叉口的刹车情况进行分类，研究了舒适减速 度和紧急减速度的差异，男性骑车者两值分别为- 0 4 m s 2 和- 0 7 7 m s 2 ，女性为 - 0 3 6 m s 2 和一0 6 4 m s 2 。 ( 3 ) 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【1 4 l 为： r a i m0 2 4 v + 0 4 3 ( 2 - 3 ) 由上式可以计算得到不同速度下对应的半径取值。例如，在速度为1 5 k m h 时， 半径为4 0 3 m ，而速度为2 0 k m h 时，半径为5 2 3 m ，在实际运用时取整。 在实际交通情况下，一般自行车遇到障碍物要绕行时，会判断当前速度是否 合适于绕行，如果速度过快，则会减速到一个适合的速度下绕行。在停车情况下， 自行车可以原地以后轮为中心调头。此时的转弯半径接近于前后轮之间的轮距。 ( 4 ) 蛇形轨迹 与机动车不同，自行车在道路上的运行轨迹为蛇形。研究自行车蛇形轨迹的 宽度对自行车设施的安全设计有很重要的意义。日本对年龄、性别、骑行速度和 坡度对自行车蛇行轨迹的影响进行了研究【1 7 1 。对成年人，骑行速度越高，蛇形轨 迹宽度越小；如骑行平均速度为1 7 k m h 时，蛇形轨迹宽度为4 0 c m ；对中学生， 如骑行速度在1 3 1 8 k m h 的范围内，车速增加，则蛇形轨迹宽度相应减小；但当骑 行速度在1 8 2 3 k m h 时，车速增加，则蛇形轨迹宽度相应增加；对小学生，当骑行 速度在1 1 1 3 k m h 的范围内，车速增加，则蛇形轨迹宽度相应减小；但车速超过 1 3 k m h 时，则蛇形轨迹宽度相应增加。 何引1 5 1 博士利用g p s 调查自行车在路段中沿直线前进时的横向摆动，其认为 横向摆动宽度覆盖整个路宽，但主要在路中线为对称中心的1 2 路面上行驶。 1 3 3自行车交叉口穿越行为特征 在研究机动车和自行车的相互穿越行为时，借鉴分析无信号交叉口的可穿越 间隙理论，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) 1 8 1 。普遍认为临界间 隙是单个交通个体在某种具体情况下会接受的最小间隙持续时间。此关键间隙的 6 大小带有个人主观性，但其一些统计百分位数值能用于分析和设计。 国外部分学者在这方面取得一定的研究成果。s m i t h 1 9 l 收集了二机动车道无信 号交叉口的机动车汇合、穿过自行车流的数据，得出以下接受关键间隙分布的平 均值( 即设计关键间隙) ：机动车侧向直穿自行车流是3 5 秒，对向左转穿过自行 车流是2 6 秒。自行车穿过机动车流的设计关键间隙为4 4 秒。 黄玲1 2 0 j 通过采集北京典型交叉口的自行车数据，得到接受间隙长度总体符合 。1 4 3 ，o r 。0 3 9 的自然对数正态分布，设计的关键间隙为4 5 2 秒。而接受延时 则符合z 一0 8 6 ，o r10 5 1 的自然对数正态分布，关键延时为2 6 9 秒。并且其研究 中还对影响其分布的显著因素进行分析，认为前车为公共汽车，后车为面包车， 穿越车流前是否停车为对穿越行为的显著影响因素。 对于平面交叉口混合交通流相互之间的穿越行为决策模型的研究包括：t a y l o r 和m a h m a s s a n i 2 1 l 研究了校园附近三个停车控制的低速交叉1 3 的自行车和机动车 流之间的穿越和汇合行为，估计了交叉口当司机和骑车者横穿和汇入机动车自行 车混合流时，个体间隙接受行为的概率模型。然后，再收集了机动车自行车混合 交通在各种情形下的接受间隙行为数据，并得出独立的机动车和自行车决策模型。 吴建平等人【2 2 】以临界间隙理论建立了信号交叉1 3 自行车在穿越机动车流时， 骑车者间隙接受行为的概率模型；董陈继【2 3 】在实地调查数据的基础上建立了不同 情形下，穿越后自行车速度与机动车速度及接受间隙关系模型；徐良杰【2 4 乃j 贝0 应 用接受间隙理论，研究了交叉口左转非机动车穿越分布规律，并建立了左转非机 动车对直行机动车的影响模型。 1 4本论文研究内容及技术路线 从已有的研究来看，大多数对平面交叉口的混合交通研究都是以机动车为主 要研究对象，对以自行车为研究对象的穿越行为研究的较少。在描述自行车穿越 行为时，研究者常常喜欢关注其对机动车的影响，且针对白行车在交叉口行为进 行的仿真更不常见。因此本论文在总结前人研究的基础上，将对自行车在平面信 号交叉口穿越行为进行建模并进行仿真研究。研究思路如图1 - 1 所示，主要包括以 下几方面内容： ( 1 ) 自行车微观研究综述 对自行车交通的一般交通特性进行总结，包括自行车基本特性、自行车的运 行特性和穿越行为特性等，为研究自行车交叉口微观行为提供基础。 ( 2 ) 数据采集方案设计与数据析取 交通个体的基本行为模型，都是在对大量数据实地采集的基础上进行分析的， 7 因此准确可靠的数据是研究自行车在平面信号交叉口微观行为的关键。本部分将 对采集方案做详细的设计，并在采集方案的基础上对论文所需的自行车在平面信 号交叉口的各类微观行为数据进行采集，再提出各类数据的提取方法。 ( 3 ) 信号交叉口自行车微观行为数据分析 从基础数据出发，运用统计分析方法对信号交叉口自行车微观行为的速度、 接受间隙数据进行详细的分析，对其可能有影响的各种因素进行显著性分析，得 出各类数据分布规律。 ( 4 ) 信号交叉口自行车微观行为模型 在对信号交叉口自行车微观行为数据分析的基础上，建立自行车穿越机动车 的微观行为模型，并对模型进行检验。 ( 5 ) 基于a g e n t 的仿真实验 基于前面的自行车微观行为的分析结果和建立的穿越行为模型，利用a g e n t 理论对交叉口进行仿真建模，并利用n e t l o g o 仿真平台模拟出自行车在交叉口的 穿越行为。 自行车交通特性 上 数据采集方案设计及 数据采集和析取 j 自行车微观行为数据 分析 上 白行车微观行为模型 建立 上 基于a g e n t 的仿真实验 上 结论 图1 - 1 论文技术路线 f i g 1 - 1t e c h n o l o g yf l o w c h a r t 8 2 基于视频的交通数据采集及处理 2 1交通数据采集 2 1 1交通流数据采集方法 交通流数据采集是为了满足不同的使用目的。对于交通控制管理而言，需要 的是交通流实时动态的流量、速度、密度等方面的信息，而对于交通流理论的科 学研究而言，则会根据不同的研究背景提出不同的数据需求。但从总体上来说， 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【硐。 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。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：传感器、信号处理 装置和数据处理装置。传感器发现车辆通过或出现。信号处理装置一般把传感器 输出转换成电信号。数据处理装置通常由计算机硬件和固件组成，它把电的信号 转换成交通参数。 目前的交通流数据采集设备一般只能检n - - 个断面或多个断面的速度、间距、 占有率等特征参数，而无法提供交通个体在一定空间范围内的连续的轨迹以及相 应的位移、速度。就交通控制而言，交通流的自动检测方法所提供的特征参数己 经可以满足交通控制的需求。而对于交通流理论研究以及交通流仿真模型研究， 上述参数就不能满足研究的需求了。 交通流微观模型的建立是需要对交通个体的行为特征进行深入的调查分析， 建立相应的模型并进行标定。在世界各国的交通流微观仿真模型的建立过程中， 如何有效地获取交通个体的微观行为特性一直是一个难以逾越的障碍。交通工程 研究人员为此作了大量的努力与探索，从早期运用机械绳式设备获取车辆相对位 置到近期采用先进的测距雷达和高精度g p s 来研究车辆跟驰理论。但是，这些数 据采集的手段都具有一定的缺陷，特别是对于被观测者的测量告知将对其交通行 为产生影响，而这种影响是难以进行评估和分析的。 而对于交叉口的交通流特性研究，往往需要同时观测多个交通个体的行为及 其参数，例如冲突避让行为与冲突双方到冲突点的距离、双方的速度以及双方的 特性有关，对于前两项影响因素的观测是现有商业化交通流采集设备无法完成的， 9 而采用手工纪录的方法也没有很好的方法。 视频采集方法较人工采集方法可以节省人力、提高效率，所取得的数据可以 长期的保存，并且能够反复的进行观测。数据中不仅记录了较大空间的连续运动 个体的时空特征，而且对同一时刻不同个体的行为特点都可获得，这对研究交叉 口交通个体冲突是非常有利的。考虑到本论文所研究的为交叉口混合交通的个体 微观行为，其研究对象具有行为多样性、运动连续性、个体随机性和相互干扰等 特点。因此本论文决定采用视频采集的方法对检测区域进行录像来实现对交叉口 数据的采集。 交通视频采集的方法主要分为两个阶段，一是进行户外操作，应用摄像设备 对研究对象区域进行录像保存；一是对视频图像数据的处理。 在视频图像数据处理的过程中，目前主要采用摄影测量法来对图像中个体位 置信息进行确定，摄影测量阳是通过在摄影图片的图像坐标和实际物理坐标之间 建立一种相互转换的映射关系，这样就可以根据被检测物体在图片上的位置来确 定它在实际空间中的位置。堪萨斯州立大学的魏恒【2 8 l 采用了摄影测量的方法来建 立基于摄像机图像视频的换车道行为采集模型，并开发了相应的采集软件v e v i d ， 该软件在通过道路上的一系列已知距离点进行标定后，可以通过鼠标来确认车辆 沿某一街道前进的位置，但仅适用于环境较简单的路段上使用。而北京工业大学【1 4 1 则基于摄影测量法开发了t r a c k 软件，其软件可对交叉口下复杂环境的各种交通个 体进行数据采集，并能够结合g p s ，用于研究信号交叉口优化仿真系统。 在视频图像处理中还可以利用计算机，通过对图像中的物体的灰度、色彩等 方面的信息进行自动识别，这类研究已经应用到汽车牌照识别等方面，但由于这 种方法投入较高，对连续动态的物体识别也尚处于研究阶段，没有成熟的商用设 备软件等，所以本论文对此方法不予考虑。 基于以上几个问题的考虑，本论文对交叉口数据的提取工作流程分为三部分： ( 1 ) 通过摄像机对选定的交叉口进行拍摄 ( 2 ) 应用摄影测量法编制相应的数据提取软件 ( 3 ) 对视频图像中交通个体表征行为的数据进行提取 2 1 2视频数据采集准备工作 ( 1 ) 参数设计 为了能够通过视频数据采集获得与平面交叉口自行车微观行为有关的所用相 关的、有用的、准确的、可靠的、全面的数据，并为后面数据分析建模提供坚实 的数据基础，在视频数据采集的之前需要对研究所需的数据进行初步设计。具体 1 0 设计参数如下： 1 ) 自行车在交叉口的骑行特性，如：通过交叉口速度( 直行，左转，右转) ， 启动加速度以及遇到红灯时的停车减速度； 2 ) 自行车通过机动车流的接受间隙( a c c e p t e dg a p ) ，接受延时( a c c e p t e dl a g ) ， 包括自行车停车与不停车通过两种情形； 3 ) 自行车排队行为密度，排队特征等； 4 ) 自行车辆到达交叉口的特点和分布，以及到达时的速度分布； 5 ) 自行车群穿越移动特性： 宏观车群的一般规模，宽度，长度，群的总体速度等； 微观车群领头车接受间隙，接受延时，关键间隙延时( 即分布 中心) 是否与交叉口有关。群内各自行车之间的间距，相互作用，群 内的跟车特征。 6 ) 有关自行车与行人的相互作用，相互影响现象的数据； 7 ) 机动车通过自行车流的接受间隙和接受延时，以及机动车的速度和基本 属性等数据。 8 ) 交叉口基本几何数据，宽度，标志物间距离。 ( 2 ) 地点选择 由于本论文的数据采集是基于视频使用的，因此对地点需要考虑多种因素： 1 ) 选用典型的十字交叉口，交通流量较大，且具有大量的混合交通流，机非 冲突明显。 2 ) 交叉口附近有人行天桥及较高的建筑物，可以在架设摄像设备，并可获得 较好的拍摄视角。 3 ) 行人干扰较小，最好可以有过街天桥或地下通道，将行人与地面交通分离， 有利于突出机动车与自行车相互干扰作用。 基于对以上因素的考虑，首先对北京几个典型十字交叉口初步考察，并且实 地拍摄了一些实验数据进行简单分析，最终本论文确定了百万庄十字路口、阜城 门万通交叉口和甘家口商场交叉口作为考察对象。 ( 3 ) 视频设备的布置 主要依据原则是可以获得交叉口较为全面且清晰的微观数据，对于冲突点的 行为作为主要的拍摄内容，并且能够尽可能少的使用设备，因此考虑主要将视频 设备架设在天桥之上。对于没有天桥的交叉口，同时又没有适合拍摄的可登高处， 则将摄像机架设在临近交叉口的人行道上，并且注意尽量避免有障碍物遮挡对交 叉口内的观察。摄像机放置的角度也应按照不同交叉口的特点全面考虑，使视频 数据可以完整