平交路口机动车自行车行人及其相互干扰微观行为模型研究

摘要

混合交通是我国城市交通的典型特征之一。混合交通环境下，行人、自行车、机动车之间的相互干扰显著影响了交叉口的交通运行状况。因此，深入研究平交路口处机动车、自行车、行人三种出行方式之间的干扰机理，提出一套符合我国交通实际情况的平交路口机动车自行车行人微观仿真模型，在理论上不仅能够进一步丰富和完善国内外在混合交通领域的研究成果，促进交通流理论的完善和发展，并且在实践中能够指导开发符合我国混合交通特征的城市交通仿真系统，为平面交叉口的交通规划、管理和信号控制方案设计提供基本参数和理论依据。
　　本文通过扩展社会力模型对平交路口处机动车、自行车、行人及其相互干扰行为建模研究。以平交路口处右转机动车流、相同进口相邻直行自行车流、相交进口双向行人流相互干扰为例，研究思路是:首先，分析无其他出行方式干扰下的行人、右转机动车及自行车微观行为及交通特性，在此基础上分别建立基于社会力模型的行人微观仿真模型、右转机动车跟驰模型及自行车微观仿真模型;其次，考虑混合交通环境下其他不同出行方式对当前道路使用者的干扰影响，为前述机动车、自行车及行人的社会力模型构成分别引入不同出行方式对其施加的相互作用力，进而得到平交路口机动车、自行车、行人相互干扰下的行为仿真模型。
　　本文的主要研究工作如下:
　　1.建立考虑行人减速避让的改进社会力模型。首先，分析研究平交路口处行人微观行为及行人交通特性。其次，考虑行人的运动需求空间，为社会力模型引入“行人减速避让机制”，改进社会力模型。再次，利用C++语言编程实现模型，模拟现象表明行人能够有效避让其他行人及障碍物并且能够充分的利用步行空间;将仿真实验数据拟合得到的行人流速度-密度图与实际数据比较，结果表明行人密度在[0，3.5]p/m2内变化时，所建模型能够再现行人流基本图。
　　2.建立基于修正广义力及车辆动力理论的右转机动车仿真模型。首先，分析研究平交路口处右转机动车跟驰行为及机动车交通特性。其次，考虑右转机动车跟驰行为与无弯度路段机动车跟驰行为的差异，修正广义力模型。再次，建立仿真框架，分别利用修正后的广义力模型及阿克曼转向分别计算车辆加速度（速度）及转向角;将车辆转向角及车速作为车辆动力模型输入，得到车辆转弯时的侧滑角、偏航角速度、地面坐标。最后，采集数据并设计仿真实验，将仿真实验数据拟合得到的机动车流量-占有率基本图与实际数据比较进而验证模型的有效性。
　　3.建立考虑期望路径骑行特点的自行车社会力模型。首先，分析研究平交路口处自行车微观行为及自行车交通特性。其次，分析应用社会力模型仿真自行车微观行为的可行性;在此基础上，构建自行车在自驱动力、环境作用力、考虑几何特征的自行车相互作用力等三种力共同作用下的社会力模型，其中，针对平交路口处自行车依照期望路径骑行通过路口的特点，提出环境作用力，环境作用力包括驱使骑行者沿着期望路径骑行的力及障碍物对自行车施加的作用力;考虑几何特征的自行车相互作用力包括社会心理力及减速力，社会心理力用于反映距离的效应，而减速力能够再现自行车之间在一定距离内的减速行为。再次，采集数据并设计仿真实验，将仿真实验数据拟合得到的自行车速度-密度基本图与实际数据比较进而验证模型的有效性。
　　4.建立平交路口机动车自行车行人相互干扰模型。首先，考虑机动车自行车行人的速度差异、各向异性及仿真步长等因素，改进社会力模型中“相互作用力”的势函数及力。改进后“相互作用力”的特点是能够同时考虑机动车、自行车、行人在下一个仿真步长下的需求空间、各自运动期望速度之间夹角等因素对“相互作用力”的影响。其次，分析混合交通干扰对机动车、自行车及行人行为的影响，分别为前述所建模型引入不同出行方式施加的相互作用力，进而建立考虑机动车自行车干扰的行人仿真模型、考虑行人自行车干扰的机动车仿真模型及考虑机动车行人干扰的自行车仿真模型。再次，通过比较两两干扰下机动车、自行车及行人的空间移动实测轨迹数据与仿真得到的轨迹数据校准机动车、自行车及行人“相互作用力”的作用强度及作用范围。最后，在既有信号平交路口混合交通微观仿真平台上实现平交路口机动车自行车行人相互干扰模型，并给出平台应用案例。

目录

声明

致谢

摘要

重要参数列表

图目录

表目录

1 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 混合交通干扰研究现状

1．2．1 间隙选择模型

1．2．2 元胞自动机模型

1．2．3 社会力／势场模型

1．2．4 综合评述

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究技术路线

2 基本概念与基础理论

2．1 干扰界定

2．1．1 干扰

2．1．2 干扰的类型

2．1．3 干扰区

2．1．4 干扰特性

2．2 交通流理论概述

2．2．1 流量、速度和密度的测量

2．2．2 交通特性的统计分布

2．2．3 交通流基本图

2．3 社会力模型基本原理

2．4 车辆动力学概述

2．4．1 集中质量

2．4．2 车辆固定坐标系统

2．4．3 运动变量

2．4．4 地面固定坐标系

2．4．5 欧拉角

3 考虑行人减速避让的改进社会力模型

3．1 行人交通微观仿真研究现状

3．2 平交路口行人微观行为及交通特性分析

3．2．1 行人微观行为分析

3．2．2 行人交通特性分析

3．3 引入行人减速避让机制的社会力模型建立

3．3．1 行人需求空间分析

3．3．2 模型改进

3．3．3 模型比较

3．3．4 时间步长算法

3．4 案例分析

3．4．1 模型参数

3．4．2 实验方案设计

3．4．3 仿真结果分析

3．5 本章小结

4 基于修正广义力及车辆动力理论的右转机动车仿真模型

4．1 机动车跟驰模型研究现状

4．2 转弯机动车微观行为及交通特性分析

4．2．1 右转机动车跟驰行为分析

4．2．2 右转机动车交通特性分析

4．3 考虑车辆转弯跟驰特性的修正广义力模型

4．4 控制车辆转弯轨迹的车辆动力模型

4．4．1 车辆低速转向特性及转角控制

4．4．2 车辆动力模型

4．4．3 Runge-Kutta算法

4．5 案例分析

4．5．1 仿真框架

4．5．2 实验方案设计

4．5．3 仿真结果分析

4．6 本章小结

5 考虑期望路径骑行特点的自行车社会力模型

5．1 自行车行为建模研究现状

5．2 自行车微观行为及交通特性分析

5．2．1 自行车微观行为分析

5．2．2 自行车交通特性分析

5．3 自行车社会力模型建立

5．3．1 应用社会力模型描述自行车微观行为的可行性分析

5．3．2 自驱动力

5．3．3 考虑自行车几何特征的相互作用力

5．3．4 考虑自行车依照期望路径骑行的环境作用力

5．4 案例分析

5．4．1 模型参数校准

5．4．2 实验方案设计

5．4．3 仿真结果分析

5．5 本章小结

6 平交路口机动车自行车行人相互干扰模型

6．1 考虑速度差异改进相互作用力

6．2 机动车自行车对行人的干扰模型

6．2．1 机动车对行人的干扰影响分析

6．2．2 机动车自行车对行人施加的作用力

6．2．3 考虑机动车自行车干扰的行人仿真模型

6．3 行人自行车对机动车的干扰模型

6．3．1 行人对机动车的干扰影响分析

6．3．2 自行车对机动车的干扰影响分析

6．3．3 行人自行车对机动车施加的作用力

6．3．4 考虑行人自行车干扰的机动车仿真模型

6．4 机动车行人对自行车的干扰模型

6．4．1 机动车对自行车的干扰影响分析

6．4．2 机动车行人对自行车施加的作用力

6．4．3 考虑机动车行人干扰的自行车仿真模型

6．5 模型参数校准

6．5．1 Mean Shift视频跟踪算法

6．5．2 基于视场的标定和转换

6．5．3 模型参数校准

6．6 平交路口机动车自行车行人相互干扰模型应用

6．6．1 仿真系统结构

6．6．2 仿真系统应用

6．7 本章小结

7 研究结论与展望

7．1 论文主要研究成果

7．2 论文的主要创新点

7．3 研究展望

参考文献

附录A 考虑自行车行人干扰的机动车仿真模型部分代码

附录B Runge-Kutta算法求解车辆动力模型代码

附录C 考虑机动车行人干扰的自行车仿真模型部分代码

附录D 考虑机动车自行车干扰的行人仿真模型部分代码

作者简历

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