第八章 非机动车模型

1、 第第8 8章章 非机动车交通模型非机动车交通模型教学目的教学目的：掌握非机动车的线性跟驰模型和矢量场模掌握非机动车的线性跟驰模型和矢量场模型，了解二维微观行为运动模型和元胞自动机模型。型，了解二维微观行为运动模型和元胞自动机模型。掌握在掌握在VISSIMVISSIM中设置自行车仿真的基本方法，能够标中设置自行车仿真的基本方法，能够标定自行车仿真中的基本参数定自行车仿真中的基本参数。教学重点：教学重点： （1 1）线性跟驰模型。）线性跟驰模型。 （2 2）矢量场模型矢量场模型。 （3 3）VISSIMVISSIM仿真仿真教学难点：教学难点： （1 1）线性跟驰模型线性跟驰模型。 （2 2）矢量

2、场模型矢量场模型。 第第8 8章章 非机动车交通模型非机动车交通模型 第第8 8章章 非机动车交通模型非机动车交通模型8.18.1 自行车线性跟驰模型自行车线性跟驰模型8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型8.3 8.3 自行车自行车二维微观行为运动模型二维微观行为运动模型8.4 8.4 基于元胞自动机的自行车模型基于元胞自动机的自行车模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中自行车模型软件中自行车模型 一、引言一、引言 通过借鉴机动车跟驰模型，可建立自行车运动的基本模型，即线性跟驰模型。8.18.1 自行车线性跟驰模型自行车线性跟驰模型自行车微观

3、仿真二、模型建立二、模型建立8.18.1 自行车线性跟驰模型自行车线性跟驰模型车道的假车道的假定定 研究过程中将自行车通过的区域划分成若干个虚拟自行车车道，假设每个自行车车道宽度为1m跟驰的判跟驰的判断标准断标准 前后自行车之间的最大临界跟驰间隔为4m反应时间反应时间 自行车驾驶员的反应时间取为0s三条假设8.18.1 自行车线性跟驰模型自行车线性跟驰模型自行车线性跟驰模型自行车线性跟驰模型8.18.1 自行车线性跟驰模型自行车线性跟驰模型 根据实验数据对自行车的跟驰数据进行拟合，得到如下公式： 第第8 8章章 非机动车交通模型非机动车交通模型8.18.1 自行车线性跟驰模型自行车线性跟驰模型

4、8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型8.3 8.3 自行车自行车二维微观行为运动模型二维微观行为运动模型8.4 8.4 基于元胞自动机的自行车模型基于元胞自动机的自行车模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中自行车模型软件中自行车模型 8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型矢量场模型矢量场模型基本原理：基本原理： 假设在所考察的建模对象周围存在一个由其周围运动物体与之相互作用形成的矢量场，建模对象的速度变化是它在矢量场中受到其它运动物体以及道路状况相互作用的结果。车辆的运动特性人们的心理特性相互作用基于矢量

5、场的非机动车运动示意图8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车向量场模型机动车向量场模型改进改进（8-3）非机动车向量场模型非机动车向量场模型8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型敏感系数 不是常数，与相互作用的车辆之间的距离成反比加速影响 与车辆自身的当前速度与理想速度的比值有关减速影响 与被阻碍车辆的理想速度和阻碍车辆的当前速度的比值成正相关关系)1 ()(pnpXVar8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动

6、车矢量场模型8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型一、在考虑S区域内的所有运动物体对建模对象的影响，借鉴万有引力原理进一步修正模型：修正模型为：两次修正两次修正2x8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型二、在“一”的基础上，再考虑道路边界对建模对象运动的阻碍影响，修正模型为：道路边界建模对象横向运动施加影响矢量场模型最终修正模型：矢量场模型最终修正模型：8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型 第第8 8章章 非机动车交通模型非机动车交通模型8.18.1 自行车线性跟驰模型自行车线性

7、跟驰模型8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型8.3 8.3 自行车自行车二维微观行为运动模型二维微观行为运动模型8.4 8.4 基于元胞自动机的自行车模型基于元胞自动机的自行车模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中自行车模型软件中自行车模型 8.8.3 3 自行车自行车二维微观行为运动模型二维微观行为运动模型二维微观行为运动模型速度模型偏转角度模型 二维微观行为运动模型认为自行车的运动总体上可以分为两个部分：第一部分是自行车的速度模型，第二部分是自行车的偏转角度模型。二二维维微观行为模型微观行为模型8.8.3 3 自行车自行车二维微观行为运动

8、模型二维微观行为运动模型一、自行车速度模型一、自行车速度模型图8-3 自行车二维行为示意图横向移动方向纵向前进方向B0B9分别表示某一时刻10辆自行车的位置；l和r分别自行车B0最大左转角度和最大右转角度；8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型以B0为分析建模对象 B0正前方的B1则对B0的行驶速度有负面限制。结合跟驰理论的思想和以上分析建立自行车的速度模型如下式所示：8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型 由于自行车速度惯性小，驾驶比较灵活，并且在交叉口附近的行驶速度相对比较慢，可以不用考虑前后车的安全车头间距和速度差对后车速度的影

9、响，所以式（8-9）主要考虑路段上的非机动车建模，而非交叉口上的自行车建模。 根据实际观测和经验认为0l45和0r45范围内的自行车对B0的行驶行为才有影响。当l 45和r 45时，即在B2和B3后边的自行车产生的影响可以不用考虑。由于B4和B5分别在B3和B2的前方，它们对B0的影响是通过B3和B2的影响来传递的，是间接的，因此可以不用考虑。8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型经过以上分析可知，可以只考虑三种情形中自行车位置对B0的影响：1、正前方的车辆B1；2、右前方45范围内的自行车B3；3、左前方45范围内的自行车B2。假设：1、自行车的平均车长为1.9

10、m，平均车宽为0.6m；2、行驶时左右摇摆的安全间距各为0.2m。8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型 经过实验数据分析，以左前方自行车B2为例，其对后辆自行车的纵向影响系数可表示为下式：8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型 由于B0与B2、B3是纵向错开的不在同一车道上，所以在计算纵向影响系数时只考虑横向Y轴的坐标，不用考虑纵向X轴的坐标。自行车纵向行驶时的速度模型：8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型二、自行车二、自行车偏转角度偏转角度模型模型 如图8-2所示，影响自行车B0横向移动的有左侧自行

11、车B3和B7、右侧自行车B2和B6。一般来讲骑车者会根据周围自行车的情况，选择处在左右两侧自行车的中间地带，这样距左、右两侧自行车的距离是一样的。所以可以根据实际调查数据，提出以纵向距离为自变量的横向影响系数h来分析自行车B2、B3、B6、B7对自行车B0横向移动行为的影响。8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型 以自行车B0右前方的自行车B2为例，其对自行车B0的横向影响系数h如下式所示：那么左右两侧对自行车B0横向坐标的影响记为：8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型则自行车B0在t+1时刻横向坐标的基值为：修正修正 考虑自行车的

12、横向偏转角度，通过对式8-14横向坐标基值的进一步修正，可以求得自行车下一步横向坐标的大小。最大左右偏转角y正常情况下：y=30特殊情况下：y为7080左右8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型 影响自行车转弯偏转角度的因素：自行车密度、骑车人的性别、年龄、道路情况等。从图8-2中可知自行车左右转偏转角的大小可用如下两式表示：8.3 8.3 自行车二维微观行为运动模型自行车二维微观行为运动模型 第第8 8章章 非机动车交通模型非机动车交通模型8.18.1 自行车线性跟驰模型自行车线性跟驰模型8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模

13、型8.3 8.3 自行车自行车二维微观行为运动模型二维微观行为运动模型8.4 8.4 基于元胞自动机的自行车模型基于元胞自动机的自行车模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中自行车模型软件中自行车模型 8.4 8.4 基于基于元胞自动机的自行车模元胞自动机的自行车模型型单向二维单向二维CA自行车模型自行车模型 参照机动车辆CA交通模型的建立方法，可建立单向二维CA自行车模型定义如下：1、元胞尺寸 由于停车时自行车最大停车密度为0.63辆/m2，则平均一辆自行车占据1.59m2/辆。再根据自行车的物理尺寸：车身长1.9m,宽0.6m，定义自行车元胞的大小为：长2.0m，宽0.8m的矩形

14、，则每个元胞面积为1.6m2，符合最小停车密度值。8.4 8.4 基于基于元胞自动机的自行车模元胞自动机的自行车模型型2、速度3、元胞的状态空间 网格的维数按照自行车道的长度和宽度设定，如车道宽度为x(m),按每条自行车道1m计算，即有x(x为取整后数值)条车道。则元胞网格的宽设为x个元胞宽度；若车道长度为y(m)，则元胞网格的长设为y/2个元胞长度。网格的边界条件定义为周期性的，易于分析同一密度下的自行车运行状态。8.4 8.4 基于基于元胞自动机的自行车模元胞自动机的自行车模型型4、元胞的状态属性图8-4 自行车CA模型运动方向及其邻域范围示意图8.4 8.4 基于基于元胞自动机的自行车模

15、元胞自动机的自行车模型型5、元胞的邻域 图8-4中深色的元胞代表当前元胞，定义其邻域为周围浅灰色的部分，对应着纵向最大速度4个元胞长度和横向最大速度2个元胞宽度。6、模型的局部规则8.4 8.4 基于基于元胞自动机的自行车模元胞自动机的自行车模型型有关当前元胞的假设：8.4 8.4 基于基于元胞自动机的自行车模元胞自动机的自行车模型型当前自行车元胞演变规则如下：纵向加减速规则判断：8.4 8.4 基于基于元胞自动机的自行车模元胞自动机的自行车模型型纵向加速：纵向减速：8.4 8.4 基于基于元胞自动机的自行车模元胞自动机的自行车模型型横向速度：位置移动：8.18.1 自行车线性跟驰模型自行车线

16、性跟驰模型8.2 8.2 非机动车流中非机动车矢量场模型非机动车流中非机动车矢量场模型8.3 8.3 自行车自行车二维微观行为运动模型二维微观行为运动模型8.4 8.4 基于元胞自动机的自行车模型基于元胞自动机的自行车模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中自行车模型软件中自行车模型 第第8 8章章 非机动车交通模型非机动车交通模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中自行车模软件中自行车模型型一、一、创建自行车车辆创建自行车车辆构成构成 在菜单栏中依次选择“交通”“车辆构成”，此时会弹出如图8-5所示的“车辆构成”对话框。从图8-5中可以看到只有系统默认的一种车辆构成，本步

17、骤将新建一种新的车辆构成。图8-5 车辆构成默认车辆构成新建8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中自行车模软件中自行车模型型 单击“新建”，弹出如图8-6所示的“车辆构成”设置对话框，将“名称”改为Bicycle，点击“新建”，在弹出的对话框中进行相关设置，如图8-7所示。设置完成后点击确定，完成车辆类型的编辑。图8-6 车辆构成设置对话框新建8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中自行车模软件中自行车模型型图8-7 车辆类型对话框8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中自行车模软件中自行车模型型二、二、创建自行车创建自行车仿真仿真 创建基本路段。单击左侧工具栏“路段&连接器”按钮切换到路段编辑状态。任意画一条基本路段，在弹出的“路段属性”对话框中“名称”设为非机动车道，“行为类型”一栏中选择“5：自行车道（随意超车）”，其他不做任何改动，如图8-8所示。点击“确定”，完成路段属性设置。图8-8 路段属性设置8.5 8.5 VISSIMVISSIM软件中