道路微观交通仿真中换道行为模型的研究与实现

道路微观交通仿真中换道行为模型的研究与实现

陈晶，孙旭飞，田东黎

（福州大学物理与信息工程学院，福建福州350108）

摘要：建立了描述车辆换道意图的产生、选择合适车道和实施换道行为的车道变换模型。运用车辆运动学理论，以换道车辆为目标，给岀了目标车辆与邻近车辆的最小安全距离间隙接受模型和车辆换道实施过程的运动模型，并应用到程序设计中，利用基于VC++上建立的交通仿真系统动态地显示非强制换道行为的效果。与VISSIM软件基于规则的换道模型相比，加入驾驶特性的影响和优化原来固定的安全距离,研究结果相对更优。

关键词：道路；微观交通仿真；换道行为；目标位置；最小安全距离

中图分类号：U412.1文献标志码：B文章编号:1009-7767（2019）01-0028-04

Research and Implementation of Simulated Lane Change Behavior Model of

Road Micro Traffic

Chen Jing,Sun Xufei,Tian Dongshen

智能交通系统（Intelligent Transport System,以下简称为ITS）在交通运输系统发展过程中占据重要地位。由于交通运输系统的不可复制性，交通仿真模型成为ITS中交通分析的重要方法之一，而作为交通仿真的核心部分，车辆行为模型也在ITS中发挥着重要作用m。车辆行为模型包括跟驰行为模型和换道行为模型，其中换道行为模型的质量优劣直接影响着交通仿真模型的效果与性能。与已趋于成熟的跟驰行为模型相比，换道行为模型研究则相对落后回。由于在换道过程中存在运动学过程较为复杂、驾驶员的驾驶特性难以量化、微观数据难以获取等问题，笔者拟从运动学角度对车辆换道行为模型进行分析，从驾驶员的决策过程分析最小安全距离和换道行为实施的运动模型。通过在微观仿真系统上动态显示换道行为的仿真效果，来验证换道行为模型的准确性，并提高微观仿真系统的精度。

1换道行为分类

道路上车辆换道行为是一种普遍且常见的交通现象。车辆换道是指当前道路不止1个车道时,车辆由于某种需求从当前车道变更到相邻车道的驾驶行为。换道行为是指根据驾驶员特性以及对周围交通状况的实时信息（车速、位置等）判断,调整驾驶目标策略的综合过程。换道行为根据换道产生的需求大致可以分为2类：强制换道、非强制换道。强制换道是指车辆为了到达目的地而采取的变道行为，具有确定的目标车道、在一定行驶区域内必须换道的特点；非强制换道又称为自由换道，是指目标车辆在遇到当前车道前车速较慢时，为了追求期望车速以及更大的驾驶空间或为了正常驾驶避开即将驶入安全距离的后车而产生的换道行为。笔者主要研究非强制换道行为。

2换道行为模型研究

换道行为通常被分为：产生换道意图、选择合适车道和换道行为实施2T。其中选择合适车道可以视为分析车辆换道行为可行性的过程，它将最终决定换道行为是否实施。

2.1产生换道意图

在不同的交通流密度下，由于每个驾驶员对当前车辆的期望车速要求不同，这个期望车速主要受车辆的机械特性、驾驶员的驾驶特性和交通规则的影响。车辆在道路行驶时，由于当前车道前车的速度过慢，导致车辆的行驶速度低于期望车速时,便会产生换道需求。但是这个需求不是必须的，而是为了获取更理想的行驶方式而采取的换道行为。只有当选择的目标车道确认换道行为可行时，换道才可实施，否则车辆会继续在原车道减速行驶冋。

28彳苯技水2019No.l(Jan.)Vol.37

2.2选择合适车道

2.2.1换道决策过程

驾驶员在换道决策过程中主要基于以下3个方面进行考虑叫

1)确定是否有换道需求，即驾驶员自身特性首先判断换道的类型，决定实施换道的方式；

2)判断换道条件的可行性，即驾驶员选择换道的目标车道，并判断这些目标车道是否满足换道的条件；

3)确定是否必须实施换道。由于驾驶员的自身特性和车辆运动学特性影响着换道行为的可行性，其中驾驶员自身特性对换道行为的产生和实施占有决定性作用。因此需要在换道行为模型中加入驾驶员类型变量，使得换道行为模型更加符合实际交通情况。用T 值来反映不同类型的驾驶员对当前换道环境的不同反应和心里承受度161:7=0.1(胆小型)；7=0.3(谨慎型)；7=0.5(稳健型)；7=0.7(急躁型)；7=0.9(冒险型)。

笔者采用包含车辆区域的椭圆模型来描述不同方向存在的危险，厶表示椭圆模型的纵向长半轴，厶表示椭圆模型的横向短半轴，具体见图1。

图1椭圆模型示意图

根据文献［7］建立车辆模型公式：

厶=%+(1-门备弊。(1)

/y f

式中：JF为车辆宽度，m；厶为车辆长度，m；人为前车行驶速度，m/s；V F为后车行驶速度，m/s；T为驾驶员的驾驶类型。

根据我国的交通法规，暂定目标车道为当前车道的左侧车道。首先需要考虑目标车道后车速度与换道车辆的最小安全距离，保证车辆在换道过程和完成换道之后不会发生斜向碰撞和追尾；其次需要考虑目标车道前车和换道车辆之间的最小安全距离。这样比较符合实际换道情况，使研究的换道行为具有实际意义。

2.2.2最小安全距离

目前换道行为可行性的判断模型主要有：间隙接受模型和加减速接受模型同。笔者主要研究间隙接受模型。这里的间隙是指车辆换道后，换道车辆与目标车道的前、后两车之间各自的车头间距或车头时距。相邻间隙是指目标车道前、后两车的当前车头间距或车头时距。间隙接受模型见图2。

1)车辆M与车辆Fd之间的最小安全距离

车辆M匀速行驶从慢车道换入快车道，且小于车辆Fd的速度。为保证车辆M不与车辆Fd发生斜向碰撞和追尾，只要保证车辆M完成换道行为后，车辆Fd 及时发现车辆M,并立即减速行驶直至与车辆M相同的行驶速度，并不与其发生追尾，这样就可以避免在后面的跟驰过程中发生追尾事故。

假设换道时间为t,一般取值为1〜3s,车辆M的行驶速度为卩m,则车辆M的行驶路程S m为：

S M=V M t o(2)车辆Fd的行驶路程Sm为：

S沪畑+：弓_恪。(3)

12期I

则保证车辆M和车辆Fd不发生追尾碰撞,最小安全距离需满足：

厶S m+厶a+Wsin0。(4)式中:厶为椭圆模型车辆长轴长度。

将式(2),(3)代入式(4)中得车辆M与车辆Fd之间的最小安全距离为：

L0V fA t—V+L+2{\—T)v+ITsin0o(5)

I2ard I*Fd

式中：0为车辆M与车道水平线形成的角度。

2)车辆M与车辆Ld之间的最小安全距离

若车辆M的速度$小于车辆Ld的速度Vs,两车之间的间距大于椭圆模型车辆纵向长度，一般不会发生斜向碰撞或追尾。则需要满足如下关系式：

厶2MS m-Sm+厶a+Wsin&o(6)车辆Ld的行驶路程Sy为：

o(7)将式(2),(7)代入式(6)中得车辆M与车辆Ld之间的最小安全距离厶2为：

2019年第1鬲(")^37卷彳苯仗索

29