李昀軒，賈興無

(1. 東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 211189; 2. 山東省公安廳交通管理局，濟(jì)南 250031)

中國城市交通的顯著特征是機(jī)動車與非機(jī)動車交通流高度混合。由于我國混合交通流與國外的單純機(jī)動車流差別很大，特別是機(jī)動車、非機(jī)動車、行人相互干擾，致使道路通行能力嚴(yán)重下降[1-2]。在信號交叉口，不受信號控制的右轉(zhuǎn)機(jī)動車和直行非機(jī)動車常常會產(chǎn)生交通沖突，而非機(jī)動車的速度明顯大于步行速度，因此，非機(jī)動車是混行交通流中刺激和影響機(jī)動車駕駛?cè)诵袨榈闹匾蛩?。非機(jī)動車道寬度、非機(jī)動車數(shù)量以及車速，都可能在不同程度上對駕駛?cè)说鸟{駛行為產(chǎn)生影響。當(dāng)機(jī)動車準(zhǔn)備穿越非機(jī)動車流時(shí)，駕駛?cè)私Y(jié)合自身的駕駛經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)的道路交通管理法規(guī)采取加速通過、減速避讓等駕駛行為，這種臨時(shí)改變機(jī)動車運(yùn)行狀況的行為都會對整個(gè)交叉口交通流產(chǎn)生較大影響[3-5]。

交通流理論實(shí)質(zhì)上是建立能描述實(shí)際交通一般特征的交通流模型，尋找交通流動的基本規(guī)律、揭示交通擁堵產(chǎn)生的機(jī)理[5]。根據(jù)研究方法不同，可以將交通流模型分為微觀車輛跟馳模型、元胞自動機(jī)模型、中觀氣體動理論模型和宏觀連續(xù)模型。元胞自動機(jī)模型(Cellular Automata或Cellular Automaton，簡稱CA)本質(zhì)是通過離散時(shí)空和狀態(tài)變量演化車輛規(guī)則，可以最大程度地保留交通系統(tǒng)的離散特性。與其他模型相比，CA更易于程序模擬，研究人員只需修改相應(yīng)規(guī)則就可以模擬各種真實(shí)交通條件[6-9]。交通沖突技術(shù)是國際交通安全領(lǐng)域新興的事故統(tǒng)計(jì)評價(jià)方法，與傳統(tǒng)的事故統(tǒng)計(jì)評價(jià)方法相比，交通沖突技術(shù)的特點(diǎn)是大樣本、快速、定量研究評價(jià)交通安全現(xiàn)狀與改善效果[10-11]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對交通沖突技術(shù)(Traffic Conflict Technique，簡稱TCT)界定的方法可分為兩類：基于避險(xiǎn)行為的交通沖突和基于時(shí)空接近度的交通沖突。因此，本文采用元胞自動機(jī)模型將駕駛?cè)诵袨檫x擇引入演化規(guī)則，建立交叉口處機(jī)動車和非機(jī)動車混合交通流模型，不僅可以揭示機(jī)非混合交通在交叉口相互沖突的內(nèi)在機(jī)理，還可以模擬機(jī)非混合交通下非機(jī)動車和機(jī)動車駕駛?cè)说臎Q策行為，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 模型構(gòu)建

1.1 信號交叉口機(jī)非沖突特性分析

駕駛行為是一個(gè)復(fù)雜的信息處理過程，駕駛?cè)嗽谕ㄟ^交叉口時(shí)，首先觀察道路交通環(huán)境，運(yùn)用自身的駕駛經(jīng)驗(yàn)綜合分析所接受的信息，處理信息并做出相應(yīng)的決策，最后根據(jù)決策產(chǎn)生相應(yīng)的身體動作，保證車輛安全運(yùn)行[11]。按上述分析，可將機(jī)動車穿越非機(jī)動車流的行為分解成四個(gè)過程：到達(dá)決策區(qū)域、收集交通信息、決策過程和執(zhí)行決策。其中，到達(dá)決策區(qū)域環(huán)節(jié)是指機(jī)動車到達(dá)交叉口處駕駛?cè)诉x擇右轉(zhuǎn)行為，這是發(fā)生穿越行為的初始化條件；收集交通信息是指駕駛?cè)诵枰^察被穿越非機(jī)動車流的車間距離、行駛速度、非機(jī)動車流量以及道路交通環(huán)境等交通信息；決策過程是駕駛?cè)送ㄟ^收集的交通信息綜合分析，結(jié)合自身的駕駛經(jīng)驗(yàn)，判斷機(jī)動車能否穿越非機(jī)動車流，決策行為包括：駕駛?cè)巳绻x擇不穿越就減速慢行或停車，等待下一次穿越，反之就穿越繼續(xù)前行；執(zhí)行決策是指駕駛?cè)送ㄟ^之前的決策，進(jìn)行相應(yīng)的操縱行為。為了便于模型仿真和模擬實(shí)際交通情況，機(jī)動車為小型汽車，非機(jī)動車為自行車和電動自行車。

1.2 建模思路

1992年Nasch和Schreckenberg提出了著名的NaSch模型[13]，在這一模型中，道路被劃分成離散的格子，每個(gè)元胞要么被機(jī)動車占據(jù)、要么為空，車輛速度可以取0，1，…，vmax，任意一個(gè)值，其中vmax為機(jī)動車的最大速度。該模型包含加速、減速、隨機(jī)慢化、運(yùn)動四個(gè)基本規(guī)則，其中隨機(jī)慢化是駕駛?cè)擞捎诟鞣N不確定因素(如路面狀況、駕駛?cè)诵膽B(tài)等行為)造成的車輛減速，這也是重現(xiàn)道路交通流基本時(shí)空特征的一個(gè)最小化模型，如果想要模擬實(shí)際交通中更為復(fù)雜的交通現(xiàn)象(如亞穩(wěn)態(tài)、回滯、同步流等)，必須引入其他的規(guī)則。由前文分析可得，決策行為是整個(gè)機(jī)動車穿越非機(jī)動車流過程的核心，交叉口區(qū)域內(nèi)右轉(zhuǎn)機(jī)動車和直行非機(jī)動車運(yùn)行具體過程可分為：機(jī)動車駛?cè)虢徊婵?、到達(dá)決策點(diǎn)、駕駛?cè)伺袛噙x擇穿越非機(jī)動車流或等待非機(jī)動車穿越?jīng)_突區(qū)域后再啟動離開交叉口，見圖1。本模型重點(diǎn)在于還原與現(xiàn)實(shí)運(yùn)行狀況擬合的沖突區(qū)域內(nèi)車輛決策的過程，因此，決策行為可具體分為決策點(diǎn)規(guī)則和啟動點(diǎn)規(guī)則。

(1) 決策點(diǎn)規(guī)則建模思路

當(dāng)右轉(zhuǎn)機(jī)動車以速度vC進(jìn)入交叉口沖突區(qū)域時(shí)，首先通過判斷與前車的距離來調(diào)整車速，同時(shí)機(jī)動車駕駛?cè)擞^察視距范圍內(nèi)的非機(jī)動車，根據(jù)非機(jī)動車當(dāng)前的位置進(jìn)行決策，決策共有兩種可能：若下一時(shí)刻在沖突區(qū)域內(nèi)會發(fā)生沖突，則機(jī)動車要減速至沖突區(qū)域外停車；如果機(jī)動車下一時(shí)刻不會和非機(jī)動車發(fā)生沖突，那么機(jī)動車進(jìn)一步選擇加速通過沖突區(qū)域或減速停車。若機(jī)動車選擇停車讓行，則機(jī)動車需要在沖突區(qū)域外，等待非機(jī)動車提供可穿越間隙，不同駕駛?cè)怂芙邮艿目纱┰介g隙不同，在建模過程中設(shè)定了等待時(shí)間長度的上限值，當(dāng)超過上限值時(shí)，機(jī)動車會強(qiáng)制加速進(jìn)入沖突區(qū)域。

(1)

其中：

(2)

(a) 機(jī)動車駛?cè)虢徊婵?/p>

(b) 機(jī)動車到達(dá)決策點(diǎn)

(c) 機(jī)動車在啟動點(diǎn)停車

(d) 機(jī)動車駛出交叉口

(3)

(4)

式中，xcon表示沖突區(qū)域所在元胞位置；沖突是指駕駛?cè)嗽跊Q策點(diǎn)判斷機(jī)非必定發(fā)生沖突，此時(shí)車輛需要減速；其他是指駕駛?cè)嗽跊Q策點(diǎn)判斷機(jī)非不一定發(fā)生沖突，根據(jù)不同的行為選擇決定車輛行駛速度。

因此，在t→t+1的過程中，決策點(diǎn)處模型演化規(guī)則為：

第二步：減速，① 確定決策點(diǎn)，按照公式(1)和公式(2)；

② 確定安全速度，按照公式(3)和公式(4)；

(2) 啟動點(diǎn)規(guī)則建模思路

(5)

(6)

當(dāng)非機(jī)動車流量較大時(shí)，為了避免機(jī)動車在啟動點(diǎn)外一直停車無法正常通過沖突區(qū)域，還需要加入一個(gè)機(jī)動車最長等待時(shí)間閾值T。當(dāng)機(jī)動車等待時(shí)間超過閾值時(shí)，機(jī)動車會強(qiáng)制加速進(jìn)入沖突區(qū)域。

在t→t+1的過程中，啟動點(diǎn)處模型演化規(guī)則為：

第一步：駕駛?cè)舜_定非機(jī)動車間隔；

第二步：確定車輛等待時(shí)間；

2 模型仿真與分析

2.1 元胞空間定義和劃分

(a) 交叉口沖突區(qū)域示意圖

(b) 交叉口元胞空間示意圖

2.2 仿真參數(shù)設(shè)定

2.3 結(jié)果分析

(1) 機(jī)動車到達(dá)率、非機(jī)動車到達(dá)率對機(jī)動車流量的影響

(a) 機(jī)動車流量隨機(jī)動車非機(jī)動車到達(dá)率變化

(b) 機(jī)動車流量隨非機(jī)動車到達(dá)率變化

在混合模型中，機(jī)動車流存在從自由流到飽和流的相變。而且，流量qC不僅依賴于車輛自身的到達(dá)率αC，也依賴于非機(jī)動車的到達(dá)率αb。當(dāng)機(jī)動車流處于飽和流量狀態(tài)時(shí)，隨著非機(jī)動車到達(dá)率的增加，機(jī)動車與非機(jī)動車的沖突現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)，機(jī)動車駕駛?cè)藶楸苊獍l(fā)生碰撞，需要在沖突區(qū)域外排隊(duì)等候，機(jī)動車飽和流量顯著降低。因此該模型能夠描述右轉(zhuǎn)機(jī)動車和直行非機(jī)動車交通沖突的相互關(guān)系。

(2) 決策點(diǎn)和啟動點(diǎn)駕駛行為概率分析

圖4不同駕駛行為下機(jī)動車道時(shí)空圖(αC=0.1，αb=0.1和αC=0.5，αb=0.5)

3 結(jié)語