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自行车微观行为动力学建模及仿真研究

梁肖  
【摘要】:当前我国道路交通的重要特征是机动车和非机动车(尤其是自行车)组成的混合交通流,以车为本的传统交通规划思路倾向于将更多的道路空间分配给机动车,导致不同出行方式间的排斥逐渐加深并呈现两极化的趋势。随着机动化交通带来的拥堵问题日益严峻,很多国家重新重视自行车交通在城市发展中的重要作用,提倡使用自行车出行的政策。在此前提下,如何赋予自行车合理的路权,充分发挥不同交通方式的优势,成为城市交通面临的巨大挑战。 为实现该目的,采用规范研究与实证研究相结合的方法,在理论和应用两个层面对自行车微观行为进行研究,不仅有利于加深对自行车行为特性的认识、完善交通行为的理论内涵、丰富微观交通仿真系统,具有重要的理论意义;同时有助于促进社会公平和谐、改善交通结构、缓解拥堵状况,具有重要的现实意义。 在对国内外相关研究进行分析的基础上,以自行车骑行者的微观行为特性为研究对象,建立微观行为分析框架,将骑行行为分解为链条过程;建立基于心理生理力学的感知模型和考虑气质类型的轨迹选择行为模型,描述自行车的运动过程;设计行为实验并收集数据,对模型中的参数进行标定和有效性验证;在此基础上,从应用角度提出单向连续自行车道路的资源配置方法。主要研究内容和结论如下: (1)将骑车人和自行车组成的人机系统作为交通行为主体进行研究,对比自行车与机动车、行人的交通行为,揭示自行车独特的微观交通行为特性。提出自行车微观行为分析的总体框架,从认知角度出发,分析了骑车人从接收信息到产生行为动作的过程,将骑行行为分解为由感知到判断再到动作的链条行为过程,具体包括感知系统、行为选择系统和动作系统三部分。 (2)将自行车/骑行者个体抽象为二维空间下的基本几何图形,作为自行车交通系统最基本的行为单元。以视觉为基础对个体的感知系统进行分析,建立了基于速度的视域模型。根据个体对障碍物感知的各向异性性,提出反应域及感知域的概念,用以表征个体在运行时的微观行为。反应域为时变区域,与速度相关,反应域内的障碍物可引发个体直接反应;感知域为固定区域,落入其中的障碍物可被个体感知。将个体作为连续空间中移动的自驱动粒子,个体的运动遵从各种心理力和生理力的作用,提出心理生理力学模型描述个体的感知过程。心理力为长程力,描述个体与障碍物不接触情况下受到的心理压力,分为驱动力、碰撞避让力、边界作用力和吸引力;生理力为接触力,是个体间发生挤压后产生的,分为个体接触力和滑动摩擦力。 (3)分析骑车人的行为选择机制,将自行车的行为描述为自上而下的分层递进结构,设置不同骑行行为的优先级,且同级别节点互斥,某时刻有且仅有一个活动节点。从骑车人的个性心理特征角度出发,考虑不同个体气质类型及其选择行为的差异,这些差异在个体的轨迹选择行为中表现在感知域、反应域的范围,动作持续时间,反应系数及避让力方向等方面。通过将运行边界转换为等效运动个体,使用有限状态机模型为不同气质类型的骑行者预定义轨迹选择行为库,当感知域内密度较小时,个体选择感知域两侧密度较小的方向运动;当感知域内密度大于临界密度时,不同气质类型个体的选择行为呈现明显的差异:胆汁质和抑郁质个体选择密度小的方向运动;多血质个体选择速度快的方向运动;黏液质个体选择流量大的方向运动。 (4)设计相应的交通行为实验获取微观和宏观数据,微观数据用于标定行为模型,宏观数据用于验证模型的有效性。设计开放状态和控制边界条件下的真人互动实验获取不同气质类型个体的静态、动态行为数据,收集不同气质类型个体的微观行为数据,在期望速度、反应系数、动作持续时间和避让力强度四方面对参数进行标定。通过道路实测实验,收集宏观自行车交通流的速度、密度、流量数据,用于验证微观模型的有效性。采用仿真方法对模型进行校验,结果表明微观行为模型能够重现典型场景,具有自驱动能力、对障碍物表现出良好的避让效果;对基本图的验证表明自行车系统的速度-密度关系和阻塞密度与实际数据相符。验证了微观行为模型的有效性。 (5)从自行车设施角度,提出微观行为模型在宏观层面上的应用。通过仿真方法得到不同宽度自行车道的通行能力约为2400bicycle/h/m。提出自行车设施服务水平的分级标准,采用速度状态熵作为微观特征量、密度为宏观特征量,建立宏观量和微观量之间的联系,并以密度作为划分依据,将自行车道的服务水平分为六个等级。据此提出自行车道资源配置方法,将C级服务水平作为道路交通设计的基础,研究建议将5.0m作为城市自行车专用道路的最大宽度;当自行车交通需求小于1800bicycle/h时,可以通过热融线隔离不同的交通方式。


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