交叉口混合交通流跟馳行為研究

陳諾　許超然　郭季

摘 要：為了研究機動車流和非機動車流在交叉口交通信號燈影響下的過街跟馳情況，文章對西安市南稍門十字以及小寨十字進行了觀測與記錄，采用錄制視頻的方式，觀測了在一個交通信號燈周期內車流的過街跟馳情況，采集并分析數據后，針對機動車流的跟馳行為構建了基于安全距離的跟馳模型，通過分析可以看出，在交叉口處機動車和非機動車過街行為受行人和機動車流影響較大，轉向車流與直行的車流也會互相影響。

關鍵詞：交叉口;機動車;非機動車;跟馳行為

中圖分類號：U4691.2+33? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）03-234-03

前言

隨著國民經濟的迅速發展，我國車輛保有量逐年攀升，近年來各地政府出臺多項政策鼓勵綠色出行，其中非機動車出行作為一種綠色低碳的出行方式，有效緩解了交通污染問題。但隨著各類非機動車的推廣，城市道路上存在著大量的自行車、電動自行車、三輪車、架子車等非機動車，在無機非硬隔離或無交警執勤的路口，非機動車騎行者常常存在占用機動車道或越線排隊的不規范行為[1]。

在這樣的交通背景下，非機動車與機動車之間的交通沖突，加劇了交通擁堵，導致了交通事故頻發，嚴重威脅了居民的財產安全和人身安全。本文對城市道路中的交叉口混合交通流跟馳行為特性進行研究和分析，以此來減少跟馳行為引發的交通事故，提高道路的通行能力和服務水平，從而進一步完善城市道路交叉口的交通安全。

1 跟馳模型

1.1 跟馳模型的介紹

車輛跟馳模型對研究微觀交通流非線性特性，解決擁堵、安全等問題具有重要意義。Reuschel和Pipes[2]首創以解析方法研究車輛跟馳問題[3]。Bando等提出了基于當前車間距的優化速度模型[4]，該模型能夠模擬實際交通流中各種非線性現象。Helbing等通過實測數據并進行仿真分析，發現跟馳車在靠近前方車輛時會產生不切實際的加速度，進而提出了廣義力模型，后來不斷涌現優化速度差模型和考慮前后車效應及記憶效應的等從各種角度進行優化的模型。目前尚未發現較為成熟的關于車輛跟馳模型在信號交叉口混合交通流的適應性驗證方面的研究。

1.2 跟馳模型的分析

1.2.1 非機動車跟馳模型及思路

不同燈色的信號燈對非機動車的跟馳行為有著不同程度的影響。當信號燈的燈色為紅色和黃色時，車輛將采取一定的制動措施，此時跟馳車輛受到被跟馳車輛的信號燈的共同刺激作用。此次主要考慮當交叉口的信號燈為紅燈和黃燈時的情況。在信號燈為紅燈或者黃燈時，采用刺激-反應模型。

式中：t為被跟馳車輛采取加減速行為時的時刻;T為反應時間;a（t+T）為跟馳車輛在t + T 時刻的加速度;vn（t）為被跟馳車輛在t 時刻的速度;vn+1（t）為跟馳車輛在t 時刻的速度;μ為跟馳車輛駕駛員的反應靈敏度。

1.2.2 機動車跟馳模型及思路

本文主要研究地點為城市道路交叉口，道路交叉口是事故的高發地，而事故的常見原因是前后車的安全距離過小，所以本文重點研究跟馳模型中的安全距離模型。采用的安全距離模型是Kometani提出的，其表達式如下：

上述模型都是基于簡單的牛頓運動學公式所推導得到的車輛速度與車頭間距及車身長度之間的關系，具有明確的物理意義。

2 機動車流跟馳模型及數據采集

2.1 數據采集

通過秒表和米尺及攝像機、雷達測速器等試驗儀器測得50組數據，包括前車速度，后車速度以及兩車距離。

2.2 模型的建立

運用SPSS軟件對模型進行參數的標定，處理數據如下：

3 非機動車交通流分析及數據采集

3.1 非機動車交通流特性

對非機動車交通流的速度、密度等參數進行觀測[5]。有如下一些特點：

（1）流動性：非機動車流的流動行駛，常用流量、密度和速度等描述非機動車流。

（2）行為性：單輛非機動車都是由人驅動控制的，所以就不可避免地滲透了人的某種行為現象在其中。

（3）連續性：對于非機動車車流來講也可以相對地把它看作連續介質，常用非機動車流的連續性假設解決實際問題。

（4）壓縮性：非機動車流的密度是可以變化的，就形成了事實上的可壓縮性。

3.2 非機動車交通流的時間特性

根據調查資料分析，在早晨上班高峰小時非機動車出行人次約占其全日出行總人次的20%～25%，而22：30～5：30八小時流量超不出全天流量的5%。上、下午均出現高峰，顯然這兩個高峰均是由上下班（工作出行）形成的，由于非機動車行駛速度較機動車慢，形成了高峰在早晨往往比機動車高峰超前15～30min，城市規模越大，超前就越多，而晚高峰則比機動車的晚高峰要晚。

3.3 數據的收集與分析

本次研究所采用的數據采集方法是人工觀測法，選取的交叉口為南稍門十字交叉口以及小寨十字交叉口。通過錄像記錄了該兩個交叉口某時刻該路口非機動車的跟馳行為。下表為交叉口非機動車交通量匯總表。

通過對非機動車在交叉口的運行狀況分析，造成交叉口內沖突加劇的主要原因非機動和機動車混合行駛且相互干擾，以及行人的干擾。機動車在交叉口對非機動車流也產生了一定的影響[6]，這些影響主要是：非機動車行駛速度較低，需要更長的行程時間;非機動車起動較快，往往搶行與直行車形成沖突點;綠燈初亮時，成團的非機動車駛出和綠中期路口內停留的左轉非機動車造成對機動車的側向擠壓。

因此，解決沖突是非機動車交通交叉口優化設計的主要方法，其次，在交叉口處，由于交通信號燈的影響，非機動車也是要經歷制動與再啟動的過程。但是在啟動時，行人會對其跟馳行為有一定的影響。

例如小寨十字交叉口情況，交通信號燈和行人的影響較大。非機動車的車頭間距大約為兩米左右，同時在交叉口處非機動車的轉向十分頻繁，也對跟馳行為有一定的影響。對小寨十字交叉路口進一步分析，觀測非機動車在一個信號周期內的排隊現象，得到如下數據：

由上表可以看出，信號交叉口的延誤程度和排隊長度主要取決于車輛的到達率和交叉口的通行能力。在一般情況下，交叉口的到達率和交叉口通行能力都隨時間而變化的。

5 結論

對于不同的交通影響參數，得到的模型參數會有所不同，本文機動車交通流跟馳模型基于城市道路信號交叉口混合交通流的交通條件進行模型的標定。對于其他的交通狀況條件，有待進一步的研究分析。

非機動車和機動車在交叉口內共同行駛以致相互干擾，綠燈亮時，由于非機動車啟動速度快，行動靈活，因此非機動車搶先駛出停車線進入交叉口，因受到行人過街的影響，非機動車行駛速度又較慢，直行車平均車頭間距較大，此時易形成沖突區;黃燈啟亮時，假設在黃燈亮的瞬間恰有最后一排非機動車和最后一輛機動車駛過停車線，并繼續行駛，由于機動車的速度較快，將先通過與側向交通的沖突區，非機動車后通過。如果這時側向已經放行，就可能再次發生沖突[7]。

此次的研究還有很多不足，由于設備限制，車速與車數測量均存在一定誤差;機動車流與非機動車流的相互影響的定量關系有待進一步研究。

參考文獻

[1] 鄺先驗，陳自如.設置非機動車等候區的信號交叉口交通流模型[J].交通運輸系統工程與信息，2019，19（04）：179-186.

[2] Pipes L A.An Operational analysis of traffic dynamics[J].Journal of AppliedPhysics，1953，24（ 3） ： 274-281.

[3] Brackstone M， Mcdonald M. Car-follow： a historical review[J]. Transportation Research Part F： traffic Psychology and Behavior， 1999，2（4）：181-196.

[4] Bando M， Hasebe K， Nakayama A.et al. Dynamical model of traffic congestion and numerical simulation[J].Physical Review E，1995，51 （2）：1035-1042.

[5] 張生瑞.交通流理論與方法[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[6] 趙建有，楊雪峰.城市道路平面交叉口安全評價指標的研究[J].長安大學學報，2003 ，20（3）：59-62.

[7] 徐良杰，王煒，俞斌.信號交叉口非機動車及行人交通控制研究[J]. 交通運輸工程與信息學報， 2004 ，（1）：102-108.