自行車微觀行為動力學(xué)建模及仿真研究.pdf

1、當(dāng)前我國道路交通的重要特征是機(jī)動車和非機(jī)動車(尤其是自行車)組成的混合交通流，以車為本的傳統(tǒng)交通規(guī)劃思路傾向于將更多的道路空間分配給機(jī)動車，導(dǎo)致不同出行方式間的排斥逐漸加深并呈現(xiàn)兩極化的趨勢。隨著機(jī)動化交通帶來的擁堵問題日益嚴(yán)峻，很多國家重新重視自行車交通在城市發(fā)展中的重要作用，提倡使用自行車出行的政策。在此前提下，如何賦予自行車合理的路權(quán)，充分發(fā)揮不同交通方式的優(yōu)勢，成為城市交通面臨的巨大挑戰(zhàn)。
　　為實現(xiàn)該目的，采用規(guī)范研究與

2、實證研究相結(jié)合的方法，在理論和應(yīng)用兩個層面對自行車微觀行為進(jìn)行研究，不僅有利于加深對自行車行為特性的認(rèn)識、完善交通行為的理論內(nèi)涵、豐富微觀交通仿真系統(tǒng)，具有重要的理論意義；同時有助于促進(jìn)社會公平和諧、改善交通結(jié)構(gòu)、緩解擁堵狀況，具有重要的現(xiàn)實意義。
　　在對國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以自行車騎行者的微觀行為特性為研究對象，建立微觀行為分析框架，將騎行行為分解為鏈條過程；建立基于心理生理力學(xué)的感知模型和考慮氣質(zhì)類型的軌跡選擇行

3、為模型，描述自行車的運動過程；設(shè)計行為實驗并收集數(shù)據(jù)，對模型中的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和有效性驗證；在此基礎(chǔ)上，從應(yīng)用角度提出單向連續(xù)自行車道路的資源配置方法。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　(1)將騎車人和自行車組成的人機(jī)系統(tǒng)作為交通行為主體進(jìn)行研究，對比自行車與機(jī)動車、行人的交通行為，揭示自行車獨特的微觀交通行為特性。提出自行車微觀行為分析的總體框架，從認(rèn)知角度出發(fā)，分析了騎車人從接收信息到產(chǎn)生行為動作的過程，將騎行行為分解為由感知到判斷

4、再到動作的鏈條行為過程，具體包括感知系統(tǒng)、行為選擇系統(tǒng)和動作系統(tǒng)三部分。
　　(2)將自行車/騎行者個體抽象為二維空間下的基本幾何圖形，作為自行車交通系統(tǒng)最基本的行為單元。以視覺為基礎(chǔ)對個體的感知系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立了基于速度的視域模型。根據(jù)個體對障礙物感知的各向異性性，提出反應(yīng)域及感知域的概念，用以表征個體在運行時的微觀行為。反應(yīng)域為時變區(qū)域，與速度相關(guān)，反應(yīng)域內(nèi)的障礙物可引發(fā)個體直接反應(yīng)；感知域為固定區(qū)域，落入其中的障礙物可被個

5、體感知。將個體作為連續(xù)空間中移動的自驅(qū)動粒子，個體的運動遵從各種心理力和生理力的作用，提出心理生理力學(xué)模型描述個體的感知過程。心理力為長程力，描述個體與障礙物不接觸情況下受到的心理壓力，分為驅(qū)動力、碰撞避讓力、邊界作用力和吸引力；生理力為接觸力，是個體間發(fā)生擠壓后產(chǎn)生的，分為個體接觸力和滑動摩擦力。
　　(3)分析騎車人的行為選擇機(jī)制，將自行車的行為描述為自上而下的分層遞進(jìn)結(jié)構(gòu)，設(shè)置不同騎行行為的優(yōu)先級，且同級別節(jié)點互斥，某時刻有

6、且僅有一個活動節(jié)點。從騎車人的個性心理特征角度出發(fā)，考慮不同個體氣質(zhì)類型及其選擇行為的差異，這些差異在個體的軌跡選擇行為中表現(xiàn)在感知域、反應(yīng)域的范圍，動作持續(xù)時間，反應(yīng)系數(shù)及避讓力方向等方面。通過將運行邊界轉(zhuǎn)換為等效運動個體，使用有限狀態(tài)機(jī)模型為不同氣質(zhì)類型的騎行者預(yù)定義軌跡選擇行為庫，當(dāng)感知域內(nèi)密度較小時，個體選擇感知域兩側(cè)密度較小的方向運動；當(dāng)感知域內(nèi)密度大于臨界密度時，不同氣質(zhì)類型個體的選擇行為呈現(xiàn)明顯的差異：膽汁質(zhì)和抑郁質(zhì)個體選

7、擇密度小的方向運動；多血質(zhì)個體選擇速度快的方向運動；黏液質(zhì)個體選擇流量大的方向運動。
　　(4)設(shè)計相應(yīng)的交通行為實驗獲取微觀和宏觀數(shù)據(jù)，微觀數(shù)據(jù)用于標(biāo)定行為模型，宏觀數(shù)據(jù)用于驗證模型的有效性。設(shè)計開放狀態(tài)和控制邊界條件下的真人互動實驗獲取不同氣質(zhì)類型個體的靜態(tài)、動態(tài)行為數(shù)據(jù)，收集不同氣質(zhì)類型個體的微觀行為數(shù)據(jù)，在期望速度、反應(yīng)系數(shù)、動作持續(xù)時間和避讓力強(qiáng)度四方面對參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。通過道路實測實驗，收集宏觀自行車交通流的速度、密度、

8、流量數(shù)據(jù)，用于驗證微觀模型的有效性。采用仿真方法對模型進(jìn)行校驗，結(jié)果表明微觀行為模型能夠重現(xiàn)典型場景，具有自驅(qū)動能力、對障礙物表現(xiàn)出良好的避讓效果；對基本圖的驗證表明自行車系統(tǒng)的速度－密度關(guān)系和阻塞密度與實際數(shù)據(jù)相符。驗證了微觀行為模型的有效性。
　　(5)從自行車設(shè)施角度，提出微觀行為模型在宏觀層面上的應(yīng)用。通過仿真方法得到不同寬度自行車道的通行能力約為2400bicycle/h/m。提出自行車設(shè)施服務(wù)水平的分級標(biāo)準(zhǔn)，采用速度狀