路面破损情况下车辆行驶换道行为的建模_曹志超

) 道模 型 ( 和紧急反应模型( L a n e C h a n o d e l E gM
等认 为 车 辆 换 道 行 为 会 产 生 道 路 空 隙 , L a v a l J . A. 而空隙将导致交通 量 陡 降 现 象 , 并基于此假设建立 模型 , 解释了 高 速 公 路 的 两 种 瓶 颈 现 象 。S i n h K. g 等分析了考虑时间变化的驾驶员换道行为对交通流 的影响 , 并通过大量离散选择模型拟合了换道概率 。
x≥ rm ì i n
v2 L K -M 2 2 ( ) ( ) ≤ rm ≤ L + C + + i n a t a n θma 2 x 式中 : v 为车辆当前速度 ; a 为 车 辆 转 弯 加 速 度; rm i n
为车身最外点的最小转弯半径 ; L 为车身长度 ; C为 前悬长度 ; θma K 为整车 x 为 转 向 轮 外 轮 最 大 转 角; 宽度 ; M 为主销中心距 。
影响道路交通自由 流 的 顺 畅 行 驶 而 可 能 造 成 拥 堵 ,
场景进行研究 , 计算了车辆可换道的最小纵距空间 ,
1 建模背景
艺欠佳 、 运行中超载 超 限 严 重 和 不 可 抗 拒 的 自 然 因 裂缝 、 错台等线型破损 。 针对隧道 、 桥梁和中小城市 道路养护维修不及 时 的 交 通 现 状 , 从路面破损对驾 驶员微观行为的影 响 机 理 进 行 建 模 分 析 , 以揭示路 面破损对道路交通 运 行 的 影 响 , 为路政单位提供理 论指导 、 为驾驶员安全出行提供合理路径建议 。
并且此 单 元 在 同 一 时 刻 具 有 3 种 状 态 : 占据( S i=
导致的线路择异行为过程可通过单元格的离散选择
换道区域坐标应满足 :
基于图 1 抽象图的坐标系 , 点亚概率 B( x1 , y1 )
过程中将其行驶的 单 元 赋 予 不 同 的 效 益 , 路面破损 和已占据单元阻力 大 , 并且不同路径的效益支出和 收益是不同的 。 基于以上思想 , 模型具体规则如下 : 车辆可选择单元格为车辆周围前视距和左右范围内 中心间距不超过 2Ψ ( 的5 Ψ 表示一个车道的宽度 ) 个单元 , 车辆的路径 选 择 结 果 依 赖 于 当 前 单 元 格 的 状态和移动效益之和 。 效益支出计算公式为 :
x≥ rm ì i n
xrm i n ( ) rm rm c o s a r c s i n i n-2 i n y≥3 2 rm í i n
3 rm x i n( ) rm rm c o s a r c s i n i n+2 i n y≤ 2 rm î i n
2 0 1 4年 第2期
B C
曹志超 , 等: 路面破损情况下车辆行驶换道行为的建模
车辆行驶的微观行为模 现代交通流理 论 认 为 , ) 、 型大体可分 为 跟 驰 模 型 ( 换 C a r F o l l o w i n o d e l gM ) 。 对理想 交 通 环 境 下 的 车 辆 行 驶 m e r e n c o d e l g yM 换道模型 , 国内外学者已作了大量研究 , 但对路面破 损对驾驶员的微观驾驶特性和道路交通流宏观特性 影响的研究和分 析 较 少 。L 等基于数据统计研 iY. 究表明 : 路面破损程 度 是 与 事 故 严 重 性 和 频 数 构 成 相应比例关系的 , 并且道路交通流的复杂特征将导 致 3 种不同的复 杂 交 通 现 象 。 所 以 , 路面破损不仅 并且严重威胁车辆 驾 驶 的 安 全 性 , 针对路面破损对 交通流和驾驶员影响效应的分析和研究显得尤为重 要 。 该文以路面破 损 的 道 路 场 景 为 研 究 基 础 , 重点 进行换道机理分析 , 提出换道效益概率模型和换道 的社会力模型 , 并对模型算法进行简析 。
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探索中国道路状况和交通密度等条件下 , 路面破损对 车辆驾驶换道行为影响的规律和换道微观机理 。
公 路 与 汽 运 2 0 1 4年3月 点常概率换道区域坐标应满足 : D( x2 , y2)
2 路面破损下换道的概率性分析
)换道流线为车身航向角和转弯半径不断变化 析: 1 的圆弧线 , 也就是说 一 般 情 况 不 会 出 现 长 距 离 的 换 道轨迹 , 符合驾驶员短距离 、 快速以致加速换道的心 )换道与否是驾驶员 概 率 选 择 的 结 果 ; 理; 2 3)换 道 行为是由前方路面 破 损 的 基 本 情 况 、 相邻车道交通 流状况和车辆自身的速度和换道空间所决定的 。 另 外, 换道行为需满足文 献 [ 阐述的“ 正 常 换 道” 的 1 3] 约束条件 。 到破损区域后实行换道的流线和基本参数如图 1 所 示。在 X 车辆 A 和车辆 C 正前方有路 Y 平面上 , 面破损 , 驾驶员选择换道绕过破损区域 S 区 , 假设换 道前航向角 ( 车辆与 路 面 中 心 线 的 夹 角 ) 为 零, 车辆 和C 前者换道空间 D 流线为顺 利 换 道 的 路 径 示 例 , ; 较小 , 需降低车速进而驶入 “ 亚概率换道区域 ” 后者 较为通畅 , 驾驶员 提 前 换 道 , 速 度 较 快, 航向角变化 。 起伏不大 , 流线顺畅地驶入 “ 常概率换道区域 ”
等通过设定场景的实验和检测数据 , S a l v u c c iD. D. 分析了驾驶员轻减 速 、 快加速的操作行为和位置选 择等微观 特 性 。v 等将车辆换道策 a nW i n s u m W. 略分为高速小转弯角 、 中速中转弯角 、 低速大转弯角 三类 , 基于 3 种策略研究了车辆转弯时间 、 速度和转 弯角三者之间 的 交 互 关 系 。S 等提出了考 u nD. J . 虑驾驶员自身习性信息的换道模型 , 基于实验 , 通过 定量 、 定性反应建立 了 驾 驶 特 性 和 换 道 行 为 的 关 系 模型 。 等对 高 速 公 路 换 道 行 为 引 起 事 故 的 J u l aH. 通过仿真阐述了车辆安全换道和避让行为的临界状 态 。Q 等通过建立效率驾驶和目标驾驶不 iH. S. 同状态下换 道 的 L 阐述了车道不同 o i t概 率 模 型 , g 交通现象 。L 等 基 于 宏 观 的 换 道 模 型, 解 a v a l J . A. 释了微观的驾驶松 弛 现 象 , 通过将换道行为转化为 随机过程 , 将换道的微观模型和宏观模型相结合 , 分 析了换道行为对交通流的影响机理 。 H 提出 i d a sP. 了侧重换道和并道的微观交通模型 , 将换道情形分为 并据此解释了换道引起的流量密度变化规律 。 因拥挤或事故而导致的强制性换道和自由换道两种 , 基于国外学者对车辆换道行为的研究成果 , 该文
Y B （x1 ,y1） D （x2 ,y2）பைடு நூலகம்
驾驶员的换道可行性基于以下几种假设进行分
自身参数 和 行 驶 速 度 决 定 的 。 当 车 辆 行 驶 速 度 大 时, 根据离心力公 式 , 转 弯 半 径 也 较 大, 换道距离较 长, 也就是 C D 流线可从容驶入常概率换道区 。
í xrm i n ( ) rm rm c o s a r c s i n i n-2 i n y≤3 2 rm î i n 模型中的关键参数最小转弯半径rm i n 是由车辆
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的复杂性将引起道路上游交通流排队换道行为和换 道的渠化现象 。 同 时 , 渠化交通流也可能产生瓶颈
4 β
破损路面
2 α 1 Ψ α 3 β A 5
。 振荡现象 ( 这在高 速 公 路 维 修 时 体 现 得 尤 为 明 显 ) 交通流因路面破损 而 出 现 的 自 组 织 现 象 , 往往由于 或障碍带不仅严重 影 响 了 道 路 通 行 能 力 , 而且导致 道路服务水平和乘 客 舒 适 度 大 幅 度 下 降 , 并产生很 大的交通安全隐患 。 身驾驶等耦合关系 的 前 提 下 , 提出破损路面换道的 社会力模型 。 该模型以不大量减速 、 安全驾驶 、 保证 乘客舒适性三者为 目 标 假 设 , 效率驾驶和目标驾驶 的连续函数 。 为自驱动力 , 换入车道为引力项 , 破损路面区域和周 围交通流形成斥力为基本思想形成随时间步长变化 破损路面换道的社会力模型假定车辆行驶轨迹 在考 虑 周 围 车 辆 行 驶 状 况 、 路面破损影响和自 未产生严重的交通拥堵及交通波的变化机理不明确 而被路政部门所忽视 。 但路面破损作为道路障碍点
亚概率换 道区域
2r m
in
破损路面 极限转 弯可行 性区域 O
A C
S
常概率换 道区域
rmin X
虚线 AB 和实线 CD 分别为换道路径示例 。
图 1 破损路面换道流程抽象图
) ; ) ; 空闲 ( 路面破损( 根据 1 S S δ; 0< δ<1, i =0 i= 。车辆因为路面破损而 路面实际破损情 况 需 标 定 ) 。 进行描述 ( 如图 2 所示 ) 驾驶 员 出 行 秉 承 效 益 最 大 化 原 则 , 在路径选择
) ∗ 基金项目 :北京市科委项目 ( Z 1 3 1 1 0 0 0 0 4 1 1 3 0 0 3
路面 破 损 主 要 是 指 由 于 设 计 方 法 缺 陷 、 施工工
流量密度情况下换道行为将出现不同的能力损失等
素导致的路面产生拥包 、 坑洞 、 网裂等面型破损和 D
复 杂 的 交 通 流 特 性 决 定 了 交 通 分 析 方 法 较 少。
基于 以 上 假 设 和 约 束 , 在驾驶员视距范围内看
) 理 论, 考 虑 了 驾 驶 员 提 前 换 道、 快速换道 C h a n i n g g 的心理和习惯 , 从车辆换道行驶轨迹算法进行研究 , 提出了路面破损约束条件下车辆换道的可行性量化 区域 。
该模 型 借 鉴 了 强 制 性 换 道 ( M a n d a t o r a n e yL