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）01-0028-04Research and Implementation of Simulated Lane Change Behavior Model ofRoad Micro TrafficChen 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.372.2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厶2工仏-畑+厶+ 2(1-"台舉+Wsin&。

(8)A M3)车辆M 与车辆Lo 之间的最小安全距离若车辆M 的速度V H 大于车辆Lo 的速度Vs,随 着换道时间的推移，两车之间的间距会缩小，需要确保 换道行为实施不会与当前车道前车发生斜向碰撞。

根据上述方法类推，设换道时间为/，车辆M 与车辆Lo 之间的最小安全距离厶3为：L ~W~ VL 3^V M t-y 厶 + 2(1-7) 快 + Wsin 0O (9)y m因此，同时符合以上3种情况下的最小安全距离， 便满足了车辆换道行为的安全条件，则可实施换道行为。

2.3换道行为实施换道行为的实施主要有2种方法：一种是初始化1个换车道偏角，另一种是定义1个换道行为完成后的目标位置。

笔者结合这2种方法，并采用车辆运动学理论，对换道行为实施过程进行分析，确定1个合适换车 道偏角，通过基于目标位置的车辆跟踪，使换道车辆朝着这个目标位置行驶直至汇入目标车道。

车辆简化运动模型如下：x{k+\ )=x(k) +v - Az • cos \0{k )］；y(A+l )=y(k)+v ■ A«-sin ［0(A:)］；0{k+\) =0(k')+v ■ St~tana(,k )/Z o (10)式中：e 为车辆从当前位置到目标位置坐标的转向角， 一般为3。

〜5。

叫a 为车轮转向角;”为车辆的速度“为 轴距;d 为换道时间必为当前换道车辆到目标位置的模拟步骤数。

车辆运动模型见图3。

图3车辆运动模型假设换道过程中，换道车辆的目标车道存在前、后车，前、后车的间距满足最小安全距离。

目标车道的前、 后车保持匀速行驶，选取目标车道前、后车中间的合 适位置作为换道后的目标位置。

如果这个位置在当前车辆位置的后方或者目标车道暂无后车，则由目标车道的前车当前位置减去期望间距后组成目标位置。

这个目标位置是随着目标车道的前车位置变化而变化的。

在车辆运动模型中的目标位置代表驾驶员计划在特定 情况下达到的位置，并不与周围的其他车辆相撞。

3换道行为程序设计换道行为的程序设计是基于VC++中MFC 软件平 台创建的微观仿真系统进行设计实现的。

车辆行为模块主要是结合车辆链表的管理方法、车辆结构体中的车辆信息如位置、速度、方向等以及道路信息等进行 车辆的行为处理。

换道行为程序总体流程见图4。

图4换道行为程序总体流程图30 彳曲技* 2019No.l(Jan.)Vol.374交通仿真结果在交通仿真中采用匀速换道的方法，换道车辆匀速行驶完成换道过程。

图5为交通仿真中某自由换道的过程。

其中，图a)为当前车道前车匀速行驶且速度低于换道车辆的期望速度，两车间距会接近期望间距，一般设为20m。

若满足换道车辆速度小于目标车道前车速度或者与目标车道距离足够大，且满足目标车道后车的最小安全距离时，保证换道过程不会碰撞。

后车最终由于不满意当前的驾驶状况,选择实施换道行为。

图b)、c)展示了车辆的实施换道过程，笔者选定目标车道为向左侧车道变换。

其中由于目标车道前车距离足够大，且后车距离大于最小安全距离，在图中并未出现。

图d)中车辆已经完成了车道变换行为，由于车速比前车快，所以在路网上的位置换道车辆比较靠前，符合保持自身驾驶状态的换道意图。

<---------<—A B A Ba)B车换道意图产生b)B车换道行为实施中—a■—c)B车换道行为完成后d)B车超过A车图5交通仿真中自由换道过程5结语笔者对车辆换道意图的产生、车辆换道行为的可行性分析和实施换道行为的车道变换模型以及实现方法进行了阐述。

建立了换道行为的可行性分析判断模型间隙接受模型和换道行为实施的运动模型，介绍(上接第27页)⑹孙宏伟.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J].现代测绘,2014,37(1):18-21.[7]王海英，胡震天，刘容.基于微型无人机的全自动二维重建方法实验[J].城市勘测,2012(1):42-44.[8]刘尚蔚，王维洋，魏群.三维实景建模技术及其应用[J].中国水运(下半月),2016,16(11):132-134.[9]金星.3D实景建模技术在规划设计方面的应用[J].现代园艺，了车辆换道的程序设计过程，通过在交通仿真系统上实现了换道行为的动态过程。