基于元胞自動機的逆行非機動車行為研究

李靜嫻

摘 要：在我國城市道路中，為滿足機動車輛的快速通行，部分交叉口往往采用立體交通的型式，但對非機動車駕駛員帶來不便，逆行車輛不僅會降低道路通行能力，也會帶來大量的交通事故隱患。因此，基于元胞自動機，本文對逆行非機動車行為問題進行了研究。

關鍵詞：交通規劃;非機動車;逆行;元胞自動機

1 非機動車輛行駛特征分析

在城市道路中，造成非機動車逆行的原因是多方面的，包括駕駛員的人為因素和相關部門的管理因素。非機動車在行駛過程中，受到效率和安全兩個方面驅動力的作用，但往往在行駛時往往將安全放在首位，速度也比正常行駛時低，表現出靠“邊”行駛的特征;人力自行車因為動力不足、速度偏低等原因在車流量高時也偏向于靠邊行駛;電動自行車、摩托車速度高則偏向于在非機動車道中間行駛在流量大。本文將研究目標根據機非隔離的形式分為2種斷面類型（機非標線隔離和機非綠化帶隔離）。根據對非機動車物理特征進行研究，將一條非機動車道的寬度定義為1 m。

為了對逆行車輛的行駛特性進行分析，對西安市小寨長安中路、華翠北路進行調查分析，將非機動車道按照1 m的寬度進行車道劃分，將非機動車道按照從路緣石向內側的方向分為車道1、車道2……統計不同斷面的非機動車道的占有率。

不同種類的非機動車的行駛特性如下：

自行車駕駛員偏向于向右行駛，即占據車道1的概率明顯比占據其他車道的概率高，這與自行車速度低且安全防護弱相關。

電動車輛偏向于占據車道2和車道3行駛，即大多數電動車輛在非機動車道中間行駛，車道左側次之，這與電動車輛速度高且其需要的安全間隔距離長有關。

三輪車比電動車表現出更加明顯的集聚性，基本上在非機動車道中心線左右運行。

不同的機非隔離類型對逆行車輛的行駛軌跡產生顯著影響，在標線隔離中，逆行車輛行駛特性基本相同，絕大多數逆行車輛靠近道路路緣石行駛，隨著離路緣石越來越遠，逆行車輛的車道占有率越來越低。在綠化帶隔離中，逆行車輛在非機動車道不僅靠近兩側路側邊緣行駛，其邊緣兩側車道分布的概率基本相同，內側車道的占有率明顯低于兩側邊緣的車道占有率。

一般而言，自行車的速度比電動車的速度低，且自行車偏向于向道路右側行駛，在路段上不同種類非機動車混行路段中，在非機動車處于車道1和車道2時，電動車傾向于從自行車左側超車;自行車與自行車之間、電動車與電動車之間也傾向于從左側超車;在非機動車處于車道3時，后側車輛從右側超車。一般而言，逆行行駛車輛基于小心謹慎的原則不會超車。

當逆行車輛與正向行駛的車輛相遇時，當逆行車輛處于不同的車道時，其換道特征不同，在道路橫斷面是非機動車+公交專用道和非機動車+機動車道時，當逆行車輛處于車道一時，正向行駛車輛傾向于換道，逆行車輛不變，逆行車輛處于其他車道時，逆行車輛向路緣石內側換道，正向行駛車輛不變;在道路橫斷面是非機動車+綠化帶時，當逆行車輛處于最內側車輛和最外側車道時，正向車輛向非機動車中間換道，逆行車輛保持不變，當逆行車輛處于道路內側時，正向行駛車輛不變，逆行車輛向非機動車邊緣換道。

2 模型

2.1 基本參數定義

人力自行車和電動自行車的長度為1.7 m～1.9 m，寬度0.5 m～0.6 m，駛時左右擺動空間約0.2 m。因此，定義人力自行車和電動自行車元胞為2 m長，1 m寬的矩形。正向行駛人力自行車的最大速度約是21 km/h，即3 cell/s;正向行駛電動自行車的最大速度約是28 km/h，即4 cell/s;逆行車輛包括逆行的人力自行車和逆行的電動自行車，基于謹慎駕駛的原則，逆行車輛一般會減速行駛，所以本文將逆行人力自行車及逆行電動自行車最大速度分別設定為2 cell/s和3 cell/s。元胞的狀態空間由實際道路的長度和寬度確定。若道路長度為L米，則元胞網格的長度設定為L/2個元胞長度。由于非機動車行駛在非機動車道的最右側時，右側要求留有0.25 m的安全間隙，非機動車行駛在最左側時，左測也要求留有0.25 m的安全間隙，因此，若以3.5 m寬的非機動車道為研究對象，則元胞網格寬設定為3個元胞寬度[1]。

2.2 換道更新規則

非機動車換道分為強制換道和自由換道，強制換道是當正逆行非機動車在同一車道相遇時，其中一方必須避讓換道以確保安全，自由換道是指車輛超車產生的換道行為，其換道判定條件如下。

C1：強制性換道：

考慮同車道正逆向車輛到達臨界間距gn（t）時，為保證安全采取的換道的條件。定義臨界間距為即：

gn（t）=α（vn（t）+ vfn（t））

α為靈敏系數。

其換道前提條件為：

Sn （t）=-1 and Sfn （t）= 0，1 and dfn（t）

Or Sn （t）= 0，1 and Sfn （t）= -1 and dfn（t）

自由換道：

當基于上續非機動車行駛特征，其元胞自動機換道規則如下：

（1）當正逆向車輛在車道1相遇時，即當Sn （t）=-1且Sfn （t）= 0，1或Sfn （t）=-1且Sn （t）=0，1時，Sxn （t）=0，1換道在車道2。

（2）當正逆向車輛在車道2相遇時，即當Sn （t）=-1且Sfn （t）= 0，1或Sfn （t）=-1且Sn （t）=0，1時，在無綠化帶分隔情況下Sxn （t）=-1換道在車道1;在有綠化帶分隔情況下Sxn （t）=-1換道在車道1和車道3，其概率分別為0.5。

（3）當正逆向車輛在車道3相遇時，即當Sn （t）=-1且Sfn （t）= 0，1或Sfn （t）=-1且Sn （t）=0，1時，在無綠化帶分隔情況下Sxn （t）=-1換道在車道2;在有綠化帶分隔情況下Sxn （t）=0，1換道在車道2。

（4）Sn （t）和Sfn （t）在車道1時，Sn （t）換道到車道2時再超車;Sn （t）和Sfn （t）在車道2時，Sn （t）換道到車道3時再超車;Sn （t）和Sfn （t）在車道3時，Sn （t）換道到車道2時再超偏移概率和基于不同非機動車類型的占有率情況。

3 結語

綜上，元胞自動機模型在微觀交通流模型研究中得到了廣泛的應用，本文根據逆行車輛在不同道路橫斷面上行駛特征，建立其元胞自動機模型，并分析逆行車輛的比例與車道占有率、非機動車道通行能力、速度的差異。

參考文獻：

[1]鄺先驗，曹韋華，吳赟.考慮混入逆行車輛的非機動車流元胞自動機模型[J].系統仿真學報，2016，28（2）：268-274.

[2]王永明，周磊山，呂永波.基于彈性安全換道間距的元胞自動機模型[J].系統仿真學報，2008，20（5）：1159-1162.

[3]敬明，鄧衛，王昊，等.基于跟車行為的雙車道交通流元胞自動機模型[J].物理學報，2012，61（24）：323-331.

[4]李娟，曲大義，劉聰，等.基于元胞自動機的車輛換道行為研究[J].公路交通科技，2016，33（11）：140-145.