基于元胞自动机的逆行非机动车行为研究

李静娴

摘 要：在我国城市道路中，为满足机动车辆的快速通行，部分交叉口往往采用立体交通的型式，但对非机动车驾驶员带来不便，逆行车辆不仅会降低道路通行能力，也会带来大量的交通事故隐患。因此，基于元胞自动机，本文对逆行非机动车行为问题进行了研究。

关键词：交通规划;非机动车;逆行;元胞自动机

1 非机动车辆行驶特征分析

在城市道路中，造成非机动车逆行的原因是多方面的，包括驾驶员的人为因素和相关部门的管理因素。非机动车在行驶过程中，受到效率和安全两个方面驱动力的作用，但往往在行驶时往往将安全放在首位，速度也比正常行驶时低，表现出靠“边”行驶的特征;人力自行车因为动力不足、速度偏低等原因在车流量高时也偏向于靠边行驶;电动自行车、摩托车速度高则偏向于在非机动车道中间行驶在流量大。本文将研究目标根据机非隔离的形式分为2种断面类型（机非标线隔离和机非绿化带隔离）。根据对非机动车物理特征进行研究，将一条非机动车道的宽度定义为1 m。

为了对逆行车辆的行驶特性进行分析，对西安市小寨长安中路、华翠北路进行调查分析，将非机动车道按照1 m的宽度进行车道划分，将非机动车道按照从路缘石向内侧的方向分为车道1、车道2……统计不同断面的非机动车道的占有率。

不同种类的非机动车的行驶特性如下：

自行车驾驶员偏向于向右行驶，即占据车道1的概率明显比占据其他车道的概率高，这与自行车速度低且安全防护弱相关。

电动车辆偏向于占据车道2和车道3行驶，即大多数电动车辆在非机动车道中间行驶，车道左侧次之，这与电动车辆速度高且其需要的安全间隔距离长有关。

三轮车比电动车表现出更加明显的集聚性，基本上在非机动车道中心线左右运行。

不同的机非隔离类型对逆行车辆的行驶轨迹产生显著影响，在标线隔离中，逆行车辆行驶特性基本相同，绝大多数逆行车辆靠近道路路缘石行驶，随着离路缘石越来越远，逆行车辆的车道占有率越来越低。在绿化带隔离中，逆行车辆在非机动车道不仅靠近两侧路侧边缘行驶，其边缘两侧车道分布的概率基本相同，内侧车道的占有率明显低于两侧边缘的车道占有率。

一般而言，自行车的速度比电动车的速度低，且自行车偏向于向道路右侧行驶，在路段上不同种类非机动车混行路段中，在非机动车处于车道1和车道2时，电动车倾向于从自行车左侧超车;自行车与自行车之间、电动车与电动车之间也倾向于从左侧超车;在非机动车处于车道3时，后侧车辆从右侧超车。一般而言，逆行行驶车辆基于小心谨慎的原则不会超车。

当逆行车辆与正向行驶的车辆相遇时，当逆行车辆处于不同的车道时，其换道特征不同，在道路横断面是非机动车+公交专用道和非机动车+机动车道时，当逆行车辆处于车道一时，正向行驶车辆倾向于换道，逆行车辆不变，逆行车辆处于其他车道时，逆行车辆向路缘石内侧换道，正向行驶车辆不变;在道路横断面是非机动车+绿化带时，当逆行车辆处于最内侧车辆和最外侧车道时，正向车辆向非机动车中间换道，逆行车辆保持不变，当逆行车辆处于道路内侧时，正向行驶车辆不变，逆行车辆向非机动车边缘换道。

2 模型

2.1 基本参数定义

人力自行车和电动自行车的长度为1.7 m～1.9 m，宽度0.5 m～0.6 m，驶时左右摆动空间约0.2 m。因此，定义人力自行车和电动自行车元胞为2 m长，1 m宽的矩形。正向行驶人力自行车的最大速度约是21 km/h，即3 cell/s;正向行驶电动自行车的最大速度约是28 km/h，即4 cell/s;逆行车辆包括逆行的人力自行车和逆行的电动自行车，基于谨慎驾驶的原则，逆行车辆一般会减速行驶，所以本文将逆行人力自行车及逆行电动自行车最大速度分别设定为2 cell/s和3 cell/s。元胞的状态空間由实际道路的长度和宽度确定。若道路长度为L米，则元胞网格的长度设定为L/2个元胞长度。由于非机动车行驶在非机动车道的最右侧时，右侧要求留有0.25 m的安全间隙，非机动车行驶在最左侧时，左测也要求留有0.25 m的安全间隙，因此，若以3.5 m宽的非机动车道为研究对象，则元胞网格宽设定为3个元胞宽度[1]。

2.2 换道更新规则

非机动车换道分为强制换道和自由换道，强制换道是当正逆行非机动车在同一车道相遇时，其中一方必须避让换道以确保安全，自由换道是指车辆超车产生的换道行为，其换道判定条件如下。

C1：强制性换道：

考虑同车道正逆向车辆到达临界间距gn（t）时，为保证安全采取的换道的条件。定义临界间距为即：

gn（t）=α（vn（t）+ vfn（t））

α为灵敏系数。

其换道前提条件为：

Sn （t）=-1 and Sfn （t）= 0，1 and dfn（t）

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

自由换道：

当基于上续非机动车行驶特征，其元胞自动机换道规则如下：

（1）当正逆向车辆在车道1相遇时，即当Sn （t）=-1且Sfn （t）= 0，1或Sfn （t）=-1且Sn （t）=0，1时，Sxn （t）=0，1换道在车道2。

（2）当正逆向车辆在车道2相遇时，即当Sn （t）=-1且Sfn （t）= 0，1或Sfn （t）=-1且Sn （t）=0，1时，在无绿化带分隔情况下Sxn （t）=-1换道在车道1;在有绿化带分隔情况下Sxn （t）=-1换道在车道1和车道3，其概率分别为0.5。

（3）当正逆向车辆在车道3相遇时，即当Sn （t）=-1且Sfn （t）= 0，1或Sfn （t）=-1且Sn （t）=0，1时，在无绿化带分隔情况下Sxn （t）=-1换道在车道2;在有绿化带分隔情况下Sxn （t）=0，1换道在车道2。

（4）Sn （t）和Sfn （t）在车道1时，Sn （t）换道到车道2时再超车;Sn （t）和Sfn （t）在车道2时，Sn （t）换道到车道3时再超车;Sn （t）和Sfn （t）在车道3时，Sn （t）换道到车道2时再超偏移概率和基于不同非机动车类型的占有率情况。

3 结语

综上，元胞自动机模型在微观交通流模型研究中得到了广泛的应用，本文根据逆行车辆在不同道路横断面上行驶特征，建立其元胞自动机模型，并分析逆行车辆的比例与车道占有率、非机动车道通行能力、速度的差异。

参考文献：

[1]邝先验，曹韦华，吴赟.考虑混入逆行车辆的非机动车流元胞自动机模型[J].系统仿真学报，2016，28（2）：268-274.

[2]王永明，周磊山，吕永波.基于弹性安全换道间距的元胞自动机模型[J].系统仿真学报，2008，20（5）：1159-1162.

[3]敬明，邓卫，王昊，等.基于跟车行为的双车道交通流元胞自动机模型[J].物理学报，2012，61（24）：323-331.

[4]李娟，曲大义，刘聪，等.基于元胞自动机的车辆换道行为研究[J].公路交通科技，2016，33（11）：140-145.