自行車(chē)微觀行為動(dòng)力學(xué)建模及仿真研究.pdf

1、當(dāng)前我國(guó)道路交通的重要特征是機(jī)動(dòng)車(chē)和非機(jī)動(dòng)車(chē)(尤其是自行車(chē))組成的混合交通流，以車(chē)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(dòng)車(chē)，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(shì)。隨著機(jī)動(dòng)化交通帶來(lái)的擁堵問(wèn)題日益嚴(yán)峻，很多國(guó)家重新重視自行車(chē)交通在城市發(fā)展中的重要作用，提倡使用自行車(chē)出行的政策。在此前提下，如何賦予自行車(chē)合理的路權(quán)，充分發(fā)揮不同交通方式的優(yōu)勢(shì)，成為城市交通面臨的巨大挑戰(zhàn)。
　　為實(shí)現(xiàn)該目的，采用規(guī)范研究與

2、實(shí)證研究相結(jié)合的方法，在理論和應(yīng)用兩個(gè)層面對(duì)自行車(chē)微觀行為進(jìn)行研究，不僅有利于加深對(duì)自行車(chē)行為特性的認(rèn)識(shí)、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(shí)有助于促進(jìn)社會(huì)公平和諧、改善交通結(jié)構(gòu)、緩解擁堵?tīng)顩r，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以自行車(chē)騎行者的微觀行為特性為研究對(duì)象，建立微觀行為分析框架，將騎行行為分解為鏈條過(guò)程；建立基于心理生理力學(xué)的感知模型和考慮氣質(zhì)類(lèi)型的軌跡選擇行

3、為模型，描述自行車(chē)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；設(shè)計(jì)行為實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)，對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和有效性驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上，從應(yīng)用角度提出單向連續(xù)自行車(chē)道路的資源配置方法。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　(1)將騎車(chē)人和自行車(chē)組成的人機(jī)系統(tǒng)作為交通行為主體進(jìn)行研究，對(duì)比自行車(chē)與機(jī)動(dòng)車(chē)、行人的交通行為，揭示自行車(chē)獨(dú)特的微觀交通行為特性。提出自行車(chē)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(chē)人從接收信息到產(chǎn)生行為動(dòng)作的過(guò)程，將騎行行為分解為由感知到判斷

4、再到動(dòng)作的鏈條行為過(guò)程，具體包括感知系統(tǒng)、行為選擇系統(tǒng)和動(dòng)作系統(tǒng)三部分。
　　(2)將自行車(chē)/騎行者個(gè)體抽象為二維空間下的基本幾何圖形，作為自行車(chē)交通系統(tǒng)最基本的行為單元。以視覺(jué)為基礎(chǔ)對(duì)個(gè)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(gè)體對(duì)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(gè)體在運(yùn)行時(shí)的微觀行為。反應(yīng)域?yàn)闀r(shí)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(gè)體直接反應(yīng)；感知域?yàn)楣潭▍^(qū)域，落入其中的障礙物可被個(gè)

5、體感知。將個(gè)體作為連續(xù)空間中移動(dòng)的自驅(qū)動(dòng)粒子，個(gè)體的運(yùn)動(dòng)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(gè)體的感知過(guò)程。心理力為長(zhǎng)程力，描述個(gè)體與障礙物不接觸情況下受到的心理壓力，分為驅(qū)動(dòng)力、碰撞避讓力、邊界作用力和吸引力；生理力為接觸力，是個(gè)體間發(fā)生擠壓后產(chǎn)生的，分為個(gè)體接觸力和滑動(dòng)摩擦力。
　　(3)分析騎車(chē)人的行為選擇機(jī)制，將自行車(chē)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(jí)，且同級(jí)別節(jié)點(diǎn)互斥，某時(shí)刻有

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

7、擇密度小的方向運(yùn)動(dòng)；多血質(zhì)個(gè)體選擇速度快的方向運(yùn)動(dòng)；黏液質(zhì)個(gè)體選擇流量大的方向運(yùn)動(dòng)。
　　(4)設(shè)計(jì)相應(yīng)的交通行為實(shí)驗(yàn)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(yàn)證模型的有效性。設(shè)計(jì)開(kāi)放狀態(tài)和控制邊界條件下的真人互動(dòng)實(shí)驗(yàn)獲取不同氣質(zhì)類(lèi)型個(gè)體的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)行為數(shù)據(jù)，收集不同氣質(zhì)類(lèi)型個(gè)體的微觀行為數(shù)據(jù)，在期望速度、反應(yīng)系數(shù)、動(dòng)作持續(xù)時(shí)間和避讓力強(qiáng)度四方面對(duì)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)道路實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，收集宏觀自行車(chē)交通流的速度、密度、

8、流量數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證微觀模型的有效性。采用仿真方法對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果表明微觀行為模型能夠重現(xiàn)典型場(chǎng)景，具有自驅(qū)動(dòng)能力、對(duì)障礙物表現(xiàn)出良好的避讓效果；對(duì)基本圖的驗(yàn)證表明自行車(chē)系統(tǒng)的速度－密度關(guān)系和阻塞密度與實(shí)際數(shù)據(jù)相符。驗(yàn)證了微觀行為模型的有效性。
　　(5)從自行車(chē)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(guò)仿真方法得到不同寬度自行車(chē)道的通行能力約為2400bicycle/h/m。提出自行車(chē)設(shè)施服務(wù)水平的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用速度狀