基于驾驶人行为选择的交叉口混合交通流建模与分析

李昀轩，贾兴无

(1. 东南大学交通学院，南京 211189; 2. 山东省公安厅交通管理局，济南 250031)

中国城市交通的显著特征是机动车与非机动车交通流高度混合。由于我国混合交通流与国外的单纯机动车流差别很大，特别是机动车、非机动车、行人相互干扰，致使道路通行能力严重下降[1-2]。在信号交叉口，不受信号控制的右转机动车和直行非机动车常常会产生交通冲突，而非机动车的速度明显大于步行速度，因此，非机动车是混行交通流中刺激和影响机动车驾驶人行为的重要因素。非机动车道宽度、非机动车数量以及车速，都可能在不同程度上对驾驶人的驾驶行为产生影响。当机动车准备穿越非机动车流时，驾驶人结合自身的驾驶经验和相应的道路交通管理法规采取加速通过、减速避让等驾驶行为，这种临时改变机动车运行状况的行为都会对整个交叉口交通流产生较大影响[3-5]。

交通流理论实质上是建立能描述实际交通一般特征的交通流模型，寻找交通流动的基本规律、揭示交通拥堵产生的机理[5]。根据研究方法不同，可以将交通流模型分为微观车辆跟驰模型、元胞自动机模型、中观气体动理论模型和宏观连续模型。元胞自动机模型(Cellular Automata或Cellular Automaton，简称CA)本质是通过离散时空和状态变量演化车辆规则，可以最大程度地保留交通系统的离散特性。与其他模型相比，CA更易于程序模拟，研究人员只需修改相应规则就可以模拟各种真实交通条件[6-9]。交通冲突技术是国际交通安全领域新兴的事故统计评价方法，与传统的事故统计评价方法相比，交通冲突技术的特点是大样本、快速、定量研究评价交通安全现状与改善效果[10-11]。目前，国内外学者对交通冲突技术(Traffic Conflict Technique，简称TCT)界定的方法可分为两类：基于避险行为的交通冲突和基于时空接近度的交通冲突。因此，本文采用元胞自动机模型将驾驶人行为选择引入演化规则，建立交叉口处机动车和非机动车混合交通流模型，不仅可以揭示机非混合交通在交叉口相互冲突的内在机理，还可以模拟机非混合交通下非机动车和机动车驾驶人的决策行为，具有重要的现实意义。

1 模型构建

1.1 信号交叉口机非冲突特性分析

驾驶行为是一个复杂的信息处理过程，驾驶人在通过交叉口时，首先观察道路交通环境，运用自身的驾驶经验综合分析所接受的信息，处理信息并做出相应的决策，最后根据决策产生相应的身体动作，保证车辆安全运行[11]。按上述分析，可将机动车穿越非机动车流的行为分解成四个过程：到达决策区域、收集交通信息、决策过程和执行决策。其中，到达决策区域环节是指机动车到达交叉口处驾驶人选择右转行为，这是发生穿越行为的初始化条件；收集交通信息是指驾驶人需要观察被穿越非机动车流的车间距离、行驶速度、非机动车流量以及道路交通环境等交通信息；决策过程是驾驶人通过收集的交通信息综合分析，结合自身的驾驶经验，判断机动车能否穿越非机动车流，决策行为包括：驾驶人如果选择不穿越就减速慢行或停车，等待下一次穿越，反之就穿越继续前行；执行决策是指驾驶人通过之前的决策，进行相应的操纵行为。为了便于模型仿真和模拟实际交通情况，机动车为小型汽车，非机动车为自行车和电动自行车。

1.2 建模思路

1992年Nasch和Schreckenberg提出了著名的NaSch模型[13]，在这一模型中，道路被划分成离散的格子，每个元胞要么被机动车占据、要么为空，车辆速度可以取0，1，…，vmax，任意一个值，其中vmax为机动车的最大速度。该模型包含加速、减速、随机慢化、运动四个基本规则，其中随机慢化是驾驶人由于各种不确定因素(如路面状况、驾驶人心态等行为)造成的车辆减速，这也是重现道路交通流基本时空特征的一个最小化模型，如果想要模拟实际交通中更为复杂的交通现象(如亚稳态、回滞、同步流等)，必须引入其他的规则。由前文分析可得，决策行为是整个机动车穿越非机动车流过程的核心，交叉口区域内右转机动车和直行非机动车运行具体过程可分为：机动车驶入交叉口、到达决策点、驾驶人判断选择穿越非机动车流或等待非机动车穿越冲突区域后再启动离开交叉口，见图1。本模型重点在于还原与现实运行状况拟合的冲突区域内车辆决策的过程，因此，决策行为可具体分为决策点规则和启动点规则。

(1) 决策点规则建模思路

当右转机动车以速度vC进入交叉口冲突区域时，首先通过判断与前车的距离来调整车速，同时机动车驾驶人观察视距范围内的非机动车，根据非机动车当前的位置进行决策，决策共有两种可能：若下一时刻在冲突区域内会发生冲突，则机动车要减速至冲突区域外停车；如果机动车下一时刻不会和非机动车发生冲突，那么机动车进一步选择加速通过冲突区域或减速停车。若机动车选择停车让行，则机动车需要在冲突区域外，等待非机动车提供可穿越间隙，不同驾驶人所能接受的可穿越间隙不同，在建模过程中设定了等待时间长度的上限值，当超过上限值时，机动车会强制加速进入冲突区域。

(1)

其中：

(2)

(a) 机动车驶入交叉口

(b) 机动车到达决策点

(c) 机动车在启动点停车

(d) 机动车驶出交叉口

(3)

(4)

式中，xcon表示冲突区域所在元胞位置；冲突是指驾驶人在决策点判断机非必定发生冲突，此时车辆需要减速；其他是指驾驶人在决策点判断机非不一定发生冲突，根据不同的行为选择决定车辆行驶速度。

因此，在t→t+1的过程中，决策点处模型演化规则为：

第二步：减速，① 确定决策点，按照公式(1)和公式(2)；

② 确定安全速度，按照公式(3)和公式(4)；

(2) 启动点规则建模思路

(5)

(6)

当非机动车流量较大时，为了避免机动车在启动点外一直停车无法正常通过冲突区域，还需要加入一个机动车最长等待时间阈值T。当机动车等待时间超过阈值时，机动车会强制加速进入冲突区域。

在t→t+1的过程中，启动点处模型演化规则为：

第一步：驾驶人确定非机动车间隔；

第二步：确定车辆等待时间；

2 模型仿真与分析

2.1 元胞空间定义和划分

(a) 交叉口冲突区域示意图

(b) 交叉口元胞空间示意图

2.2 仿真参数设定

2.3 结果分析

(1) 机动车到达率、非机动车到达率对机动车流量的影响

(a) 机动车流量随机动车非机动车到达率变化

(b) 机动车流量随非机动车到达率变化

在混合模型中，机动车流存在从自由流到饱和流的相变。而且，流量qC不仅依赖于车辆自身的到达率αC，也依赖于非机动车的到达率αb。当机动车流处于饱和流量状态时，随着非机动车到达率的增加，机动车与非机动车的冲突现象逐渐显现，机动车驾驶人为避免发生碰撞，需要在冲突区域外排队等候，机动车饱和流量显著降低。因此该模型能够描述右转机动车和直行非机动车交通冲突的相互关系。

(2) 决策点和启动点驾驶行为概率分析

图4不同驾驶行为下机动车道时空图(αC=0.1，αb=0.1和αC=0.5，αb=0.5)

3 结语