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驾驶员车道变换行为模拟分析

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第 14 卷 第 1 期 2001 年 1 月
文章编号: 100127372 (2001) 0120077204

中 国 公 路 学 报 Ch ina Jou rnal of H ighw ay and T ran spo rt

驾驶员车道变换行为模拟分析
魏丽英, 隽志才, 田春林
( 吉林大学 交通学院, 吉林 长春 130025)

摘 要: 在用线性跟驰理论对路段上行驶的相邻车辆之间的距离、 速度和加速度进行分析的基础 上, 通过模拟、 对比分析多车道车头时距和单车道车头时距之间的关系来判定路段上的车道变换行 为, 得到驾驶员车道变换和路径选择的基本规律, 从而为交通管理部门进行管理和决策提供有力的 理论依据。 关键词: 跟驰理论; 多车道; 单车道; 车头时距; 车道变换 中图分类号: U 491. 2   文献标识码: A

S i ula tion ana lys is of dr iver’s lane - chang ing behav ior m
(Schoo l of T ran spo rta tion, J ilin U n iversity, Changchun 130025, Ch ina )

  影响车道变换的因素很多, 除道路交通条件外, 驾驶员自身的生理、 心理等因素也会对之产生很大 影响。 目前, 车道变换较常用的调查方法除用车载 GPS 或五轮仪外, 也有用摄像技术与图像处理相结 合及对驾驶员进行问卷调查等方法。 采用的研究方 法有模糊逻辑、 模糊神经网络等。 每种研究方法都取 得了一定的成果, 但同时也存在着一定的局限性, 如 需采集的数据量大及标定困难等。 笔者从宏观交通 流的统计运行规律即车头时距分布来入手, 对路段 上的车道变换行为进行模拟研究, 简便易行。

1 车辆产生

111 研究的假设前提

由于车道变换行为具有明显的随机性和不确定 性, 为了满足模拟需要, 笔者假定:

收稿日期: 2000205226 基金项目: 国家自然科学基金项目 (79870044) 作者简介: 魏丽英 (19742) , 女, 黑龙江七台河人, 工学博士研究生.

w h ich w ill be sign ifican t fo r the decision 2 ak ing of t raffic m anagem en t. m

Abstract: T he liner ca r2fo llow ing m odel is u sed to ana lyze the d istance, sp eed and accelera t ion Key words: ca r 2fo llow ing m odel; m u lt i2lane; sing le 2lane; t im e headw ay; lane 2change theo ry m en t ioned above. T hu s the ba sic ru les abou t lane 2change and rou te cho ice a re ach ieved,

. betw een the ad jacen t veh icles runn ing on the segm en t s T he lane 2chang ing behavio r is determ ined

by com p a ring the m u lt i2lane t im e headw ay and the sing le 2lane t im e headw ay derived from the

W E I L i2ying, JU AN Zh i2ca i, T I AN Chun 2lin

( 1) 路段为无限长, 不考虑车辆驶入或驶出路段

的情况, 即认为路段是封闭的, 不对外开放; ( 2) 处于通常的道路交通条件下, 驾驶员的技术 熟练程度基本相同, 各车道的路况、 安全性和舒适性 亦基本相同。 1. 2 车辆产生 模拟中假定车辆到达服从泊松分布, 车头时距 服从负指数分布。 u 是 ( 0, 1) 区间的均匀分布随机 若 数。 则可利用下述公式来产生处于 ( 0, 1) 之间的服从 负指数分布的随机数 x = - Κ (u ) ln   由上式可产生*均车头时距为某一常数值 Κ , 服从负指数分布的一系列到达车辆。 113 车辆类型产生和目标车速 为了模拟方便, 笔者将车辆分成大、 小三种 中、

V o l114 N o 11 J an. 2001

  78                中 国 公 路 学 报              2001 年 车型。 并根据经验取在城市干道路段上运行的大型 车的目标车速为 35 km h, 中型车的目标车速为 40 km h, 小型车的目标车速为 50 km h。 模拟中具体 每一辆车的车辆类型可由随机数来产生。 若一股车 流中大型车占 15% , 中型车占 20% , 小车占 65% , 则当随机数 u ∈ [ 0185, 1100 ] 时, 取其对应的车型为 大型车, u ∈ [ 0165, 0185) 时, 取其对应的车型为中型 车, 当 u ∈ [ 0, 0165 ) 时, 取其对应的车型为小型车。 在多车道模拟中亦可用同样的方式将产生的不同车 辆分配到各个车道上。 如上例中可将 u ∈ [ 0, 0145) 分配到外车道上, u ∈ [ 0145, 1 ] 分配到内车道上。 上面介绍的是按多车道车头时距分布规律产生 到达车辆, 并用随机数确定其车型和目标车速, 确定 车辆位于哪一条车道上。 下面将阐述如何利用线性 跟驰模型中相邻车辆之间的相对速度、 相对距离和 加速度等指标, 计算得到位于同一车道和位于不同 车道上的相邻两辆车之间的车头时距值, 对之进行 比较判定车辆是否需要超车或变换车道行驶。
a i= v i+ 1 - v i st i

( 2)

式中: st i 为单车道上第 i 车与第 i + 1 车之间的车头 时距。 当 st i 大于 610 s 时, 后车 i 受前车的影响较 小, 此时应用该种类型车辆对应的目标车速替代公 式 ( 2) 中的前车速度 v i+ 1。 分别为第 T 模拟时段内第 i 辆车对应的速度、 距离 和加速度, 则可得到第 T + 1 模拟时段内第 i 辆车的 速度、 距离如下
v i, T + 1 = v i, T + a i, T ? t
i, T + 1

  对于多车道车辆产生时的各项参数进行初始化 后, 应用公式 ( 2)~ ( 4) 可算得任意模拟时段内任意 车的速度、 加速度、 距离等值。 利用上述结果还可以 算得单车道车头时距 st 和多车道车头时距 m t。
ti = D
i+ 1

2 车辆运行参数的确定

驾驶员是否进行车道变换主要取决于跟驰行驶 的相邻两辆车之间的车速和距离, 它也是跟驰理论 中 “刺激—反应” 模式的主要影响因素。 目前, 对车速 进行确定主要有宏观和微观两种办法: 一是已知均 值, 根据某种分布规律来产生车辆的行驶速度; 另一 种方法是利用跟驰模型来进行模拟确认每个车辆在 各个时段的行驶速度。 遵循简便、 易行的原则, 笔者 首先利用正态分布函数确定初始化时的车速, 再计 算获得初始化时的加速度、 距离等参数, 然后用线性 跟驰模型中的刺激—反应关系来确定运行过程中每 个车辆的速度、 距离、 加速度, 从而求出与多车道车 头时距有关的各种参数, 通过进一步判断来确定该 车是否会进行车道变换。 可 以利用公式 ( 1 ) 求出服从正态分布 N ( Λ, Ρ) 的随机变量—速度 v 1 2 Z = ( - 2 ln u 1 ) co s ( 2Π 2 ) u
v = Λ + ΡZ

式中: 当第 i 车和第 i + 1 车在同一车道上行驶时, 得到的是单车道车头时距 st; 当第 i 车和第 i + 1 车 时距 m t。 这里 st 必须大于安全车头间隔 2 s, 而 m t 的取值则可从 0 s 开始, 当 m t 为 0 时, 说明相邻两 车道上的车辆是并排行驶的。

在相邻的不同车道上行驶时, 得到的是多车道车头

邻车道上某一前车的间隙即车头时距 m t 大于与同 车道前车之间的车头时距 st 时, 该车将考虑进行车

道变换或超车。 在程序的每一模拟时段, 如果检测到 进行超车或车道变换。 当然如果单车道的车头时距

符合某一界限值的合适的间隙差值存在, 车辆就会
st 大于某一界限值, 行驶的舒适性和安全性已经达

到驾驶员预计目标, 则即使与相邻车道前车之间的 车头时距大于单车道车头时距, 驾驶员也不会进行 车道变换。

( 1)

3 驾驶员车道变换行为的判定

式中: u 1、 2 分别为 ( 0, 1) 内两个均匀分布的随机数; u Λ 为速度均值; Ρ 为方差。 对于在路段上运行的大、 中型车, 可取其均值 Λ 为 30 km h, 小型车可取其速 度均值 Λ 为 35 km h, 这样可产生在路段上运行的 各种类型车辆的初始化车速。 然后根据公式 ( 2) , 利 用线性跟驰理论, 可根据需要得到跟驰车辆 i 在初 始化时及在各模拟时段内运行时的加速度 a i

以对路段上的车辆运行过程进行模拟, 对驾驶员的 车道变换行为进行判定。 模拟中, 每个车辆必须估计 选用的加速度以及车辆在哪个车道内运行等。 在自 它在当前时段内的目标车速, 为了达到目标车速应 由流状态下每个车辆都试图以接*完全目标车速的

速度运行, 但必须与前车保持安全距离并通过调整

若 ? t 代表模拟时钟增长的步长, v i, T 、 i, T 、 i, T D a
( 3) ( 4)
D

= D

i, T

+

- D

vi

车辆在运行过程中, 当受到前车的阻碍或者相

在产生车辆到达和初始化运行参数以后, 就可

1 2 a i, T ? t 2
i

( 5)

第 1 期          魏丽英, 等: 驾驶员车道变换行为模拟分析               79 加 减速度来达到下一模拟时段内的速度值。 在拥挤 状态下, 后车在保持安全间隔的前提下跟随前车的 速度运行。 当与相邻车道上某一前车的车头时距大 于该车与同一车道上相邻前车的车头时距时, 驾驶 员将根据实际情况来决定是否进行车道变换或超 车。 下面结合图 1 以一例子进行具体介绍。 换以后车辆 1、 的速度获得提高, 行驶空间扩大, 舒 5 适性和安全性相对也得到增强。 车道变换模拟过程 如图 2 所示。

图 1 单向双车道路段上的车道变换行为

假定某一模拟时段内图 1 中各车之间的车头时 距及各车的车型、 速度、 目标车速及所在车道位置如 表 1 所示: 表 1 图 1 中参数值
车辆序号 车头时距 s 车道位置 车型 速度 km ?h 1 2 3 4 5 6 7
1

目标车速 km ?h 35 40 50 50 50 40 50

1


215 115 110 115 410 310

1 1 2 1 2 2 1

大 中 小 小 小 中 小

30 35 45 45 45 40 48

图 2 驾驶员车道变换模拟程序

通过上述方法, 可对每一模拟时段内路段上要 进行超车和车道变换的车辆行为进行模拟, 从而真 实地再现交通流运行的实际过程。 交叉口处的车道 变换行为由于受信号配时、 车辆转弯方向及交叉口 处各车道排队长度的限制, 其运行过程与路段上的
( 6)

  由上表可以看出车辆 1、、、 在外车道 1 上, 2 4 7 车辆 3、、 在内车道 2 上。 根据公式 ( 6) 5 6
q

∑v t
tp q

i i

=

i= p

车道变换选择机制存在很大不同。 由于篇幅所限, 笔 者对之不加深入介绍。

vp

可得同一车道上相邻两车之间的车头时距 st 和不 同车道上相邻两车之间的车头时距m t 如表 2 所示。 表 2 相邻两车之间的车头时距
同一车道相邻车辆序号 车头时距 st s
215 412 122 218 115 223 224 812 115 425 427 215 110 324 325 410 614 527 526

4 模型应用
运用上述分析方法, 取 Κ 5 s, v f = 50 km h, k j = = 150 辆 km , 按负指数分布产生车辆到达来模拟 双车道路段上的车辆运行行为。模拟时间为 5 m in, 模拟步长为 4 s, 随机运行 5 次取均值可得: 在双车 道上运行的 100 辆车中*均约有 20 辆车进行车道 变换。 这与以长春市工农广场到自由大路路段为样 本, 进行实际观测得到的结果基本相符。 图 3、 给出通过模拟得到的车道变换与速度和 4 *均车头时距之间的变化关系。 由图 3 可以看出, 总 体而言, 车道变换次数随多车道*均车头时距 Κ的 增加而增加, 但其变化比较*缓。 当 Κ在 ( 110, 510) 和 ( 10 10, 15 10 ) 之间时, 车道变换敏感性较高, 在其

— —
627

m t527 , 因此车道 2 可以为车辆 1 提供更大的间隙, 让

  从表 2 中的结果可以发现 st122 < m t123、 526 < st

其能以更接*其目标车速的速度行驶, 所以在该模 拟时段内车辆 1 将由车道 1 变换到车道 2 并超越车 辆 2, 在位置 1′ 处紧跟在车辆 3 后面跟驰行驶 ( 图
1 ) 。同理车辆 5 将由车道 2 变换到车道 1, 超越车辆 6, 在位置 5′ 处紧跟在车辆 7 后面行驶。进行车道变

不同车道上相邻车辆序号 123 车头时距 m t s

310

  80                中 国 公 路 学 报              2001 年 车速行驶的车道上运行, 即在允许的范围内尽量提 高车速是驾驶员进行车道变换的主要动机。 他们认 为这样舒适性较高, 服务水*较令人满意。 这个结论 与实际经验比较一致, 它为进行交通管理和分析、 交 通控制和优化提供了重要的理论依据。 参考文献:
图 3 车道变换与*均车头时距间的关系

[ 1 ]  丹尼尔 L ?鸠洛夫, 马丁?休伯, 蒋潢, 等. 交通流理论 [M ]. 北京: 人民交通出版社, 1983. [ 2 ]  戈登, 杨金标. 系统仿真 [M ]. 北京: 冶金工业出版社, 1982. [ 3 ]  W U J ian 2 ing. A fuzzy logic m icro scop ic si u la tion p m m odel fo r in teru rban A T T a ssessm en t [ A ]. 10th 1998[C ]. N o ttingham , U K, 1998. 347—354. [ 4 ]  M ITH I ESH JHA , ANU PAM JO SH I A fram ew o rk . L in T ran sp n. Engineering [C ]. N o ttingham , U K, 1998. 388—393. [ 1 ]  周商吾, 等. 交通工程 [M ]. 上海: 同济大学出版社, 1987. 140—161.

Eu rop ean Si u la tion Sym po sium 26—28th O ctober m

图 4 车道变换与*均车速的关系

fo r dynam ic netw o rk traffic si u la tion on distribu ted m system s [A ]. A pp lica tion s of A dvanced T echno logies

余区间车道变换敏感性较小。 由图 4 可知, 车道变换 百分率随车速增加而呈显著上升趋势, 即车道变换 对车速变化比较敏感。 驾驶员总是希望在能以较高
( 上接第 76 页)

  即: 东西向行人绿灯信号较同向机动车绿灯信 号应迟起 117 s, 早断 1418 s。 而该交叉口实际的绿 灯间隔时间为 7 s, 已大于 t j 1 ( 619 s) , 因此东西向行 人绿灯信号无须迟起, 只需设置早断 ? t2 = 20- 7=
t
T gm in

特征设置行人专用信号的必要性, 并通过各种不利 的冲突状态分析, 特别是关于混合交通流冲突现象 的分析, 探讨了适应于中国交通特征的交叉口行人 交通控制信号起止时间的计算模型和方法。 其成果 对于有效地确定行人信号相位及其通行时间, 提供 了理论依据和定量方法, 对于改善中国道路交叉口 的交通, 提高其通行能力和交通安全性, 具有广泛的 意义和实用性。 参考文献:

13 s。由于东西向机动车通行的绿灯时间为 40 s, 因

此东西向行人实际可通行绿灯时间为: 40- 13= 27 s。 另外, 实测该方向高峰时每周期过街行人流量为 60 人, 若取每米人行横道通行能力 2 000 人 米 绿 灯小时[ 4 ] , 则按通行能力所需的最小绿灯时间: tcm in g = 60 ( 2×5×2 000 3 600) = 1018 s< 27 s。 另外, 东西向的道路宽度为 24 m , 若按步行速 度 112 m s 计, 则所需最小绿灯时间为

  因此, 东西向行人实际可通行时间满足行人过 街最小通行时间的要求, 按照本研究所确定的行人 专用信号是必要且可行的。 然而, 现状是该交叉口却 未设置行人交通专用信号, 不仅导致行人过街交通 流与其冲突流向的机动车和非机动车交通流间的相 互影响, 降低了各自的通行能力, 而且存在着潜在的 不安全性。

5 结 语

笔者分析了交叉口交通控制中, 考虑行人交通

= 24 112 = 20 s < 27 s

[ 2 ]  杨佩昆, 张树升. 交通管理与控制 [M ]. 北京: 人民交通

出版社, 1995. 86—120.

[ 3 ]  杨晓光, 彭国雄, 杨佩昆. 混合交通条件下交通控制信

号相位变换问题的研究 [A ]. 中国人类工效学学会第 三次学术年会暨中外驾驶适应性与神经行为学学术 会议论文集 [C ]. 合肥: 安徽人民出版社, 1995. 787—
802.

[ 4 ]  同济大学道路与交通工程研究所. 人行立交的设置依

据 [R ] ( 国家 “七五” 重点项目). 上海: 同济大学, 1990.




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