考慮鳴笛效應(yīng)的混合非機(jī)動(dòng)車建模及仿真

楊曉芳 尹蔓遲 付強(qiáng)

摘 要：為研究混合非機(jī)動(dòng)車道上快速行駛的電動(dòng)自行車想要超越前方低速行駛車輛而進(jìn)行鳴笛換道的現(xiàn)象，在分析經(jīng)典Nasch模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)理論提出一種混合非機(jī)動(dòng)車換道模型。首先，將混合非機(jī)動(dòng)車換道過程分為兩部分，即換道需求分析與換道操作過程;其次，在換道過程中引入鳴笛效應(yīng)的概念，通過對(duì)基本換道模型的改進(jìn)，建立混合非機(jī)動(dòng)車的一般換道與鳴笛換道模型，并給出相應(yīng)換道規(guī)則;最后，在改變交通流密度的情況下，對(duì)兩種不同換道模型進(jìn)行仿真對(duì)比分析。結(jié)果表明，當(dāng)交通密度較低或較高時(shí)，鳴笛換道模型與一般換道模型得到的車輛平均速度及交通量幾乎沒有差別，但在中等密度范圍內(nèi)，鳴笛換道模型得到的車輛平均速度及交通量明顯高于一般換道模型。說明在中等密度范圍內(nèi)，鳴笛換道行為有利于提高道路通行效率，但當(dāng)密度較低或較高時(shí)，鳴笛換道行為對(duì)提高道路通行效率幾乎不起作用。

關(guān)鍵詞：交通工程;鳴笛換道規(guī)則;元胞自動(dòng)機(jī);混合非機(jī)動(dòng)車;換道模型;交通流

0 引言

交通系統(tǒng)中的鳴笛是指快速行駛車輛受到前方低速車輛阻擋，難以達(dá)到駕駛員期望速度而通過按喇叭的方式催促前方車輛加速行駛或讓道的行為方式[1]。目前，國內(nèi)外對(duì)于鳴笛行為主要通過建立元胞自動(dòng)機(jī)模型研究鳴笛作用下的車輛換道行為，且集中于研究機(jī)動(dòng)車內(nèi)部交通流、機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車沖突交通流等。對(duì)混合非機(jī)動(dòng)車內(nèi)部車輛鳴笛換道現(xiàn)象的研究，有助于更好地研究混合非機(jī)動(dòng)車交通流特性，對(duì)于提高混合非機(jī)動(dòng)車道通行效率具有重要意義，同時(shí)能夠?yàn)榈缆方煌ㄔO(shè)施優(yōu)化研究提供參考。

元胞自動(dòng)機(jī)模型簡稱CA模型，是指在一個(gè)由離散、有限狀態(tài)的元胞所組成的空間中，元胞按照一定規(guī)則，在離散的時(shí)間維度上進(jìn)行演化的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)[2]。Nagel&Schrecenberg首先提出交通流CA模型—經(jīng)典Nasch模型，該模型能夠在一定程度上模擬交通流實(shí)際運(yùn)行狀況[3]。在Nasch模型基礎(chǔ)上，國內(nèi)外許多學(xué)者提出改進(jìn)的非機(jī)動(dòng)車CA模型，用于描述非機(jī)動(dòng)車交通流實(shí)際運(yùn)行狀況[4-5]。如張晉等[6]建立單向自行車二維CA模型，利用模型針對(duì)車道數(shù)變化對(duì)非機(jī)動(dòng)車道通行能力的影響進(jìn)行仿真分析;Zheng等[7]采用CA模型研究考慮鳴笛效應(yīng)的單車道機(jī)動(dòng)車流穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)鳴笛效應(yīng)能夠提高交通流穩(wěn)定性;馮雪等[8]采用多車道CA模型，針對(duì)城市道路非混合交通流建立考慮鳴笛效應(yīng)的CA模型并進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)在中等密度機(jī)動(dòng)車條件下，鳴笛效應(yīng)能夠減少自行車的越線行駛行為，但在低密度和高密度條件下效果不明顯;Jia等[9]采用CA模型研究鳴笛效應(yīng)對(duì)機(jī)動(dòng)車交通系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)鳴笛效應(yīng)能夠提高非均勻機(jī)動(dòng)車交通系統(tǒng)流量，但對(duì)于均勻性交通系統(tǒng)幾乎無影響;Zhao等[10]建立混合自行車元胞自動(dòng)機(jī)交通模型，用于描述混合自行車運(yùn)行過程中的超車現(xiàn)象;Tang等[11]針對(duì)交叉口內(nèi)部電動(dòng)自行車行駛過程中的逆行和換道行為，建立元胞自動(dòng)機(jī)（CA）模型并進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明應(yīng)嚴(yán)格控制換道和逆行行為，以保證交叉口內(nèi)部運(yùn)行效率和交通安全;Meng等[12]建立摩托車混合交通流CA模型，通過仿真分析得出，除在特定密度范圍外，還需要設(shè)置障礙物或車道將摩托車流與機(jī)動(dòng)車流分離開。

上述道路交通鳴笛效應(yīng)研究中，對(duì)于混合非機(jī)動(dòng)車交通中考慮鳴笛效應(yīng)的換道模型研究還存在不足，缺少對(duì)混合非機(jī)動(dòng)車內(nèi)部車輛換道行為的研究。因此，本文在經(jīng)典元胞自動(dòng)機(jī)模型基礎(chǔ)上，借鑒已有的鳴笛換道行為相關(guān)研究，將混合非機(jī)動(dòng)車換道分為一般換道和鳴笛換道，建立非機(jī)動(dòng)車換道模型，制定相應(yīng)換道規(guī)則，并運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行模擬仿真，對(duì)比分析兩種不同情況下?lián)Q道模型對(duì)交通流的影響。

4 結(jié)語

本文利用元胞自動(dòng)機(jī)理論對(duì)混合非機(jī)動(dòng)車的兩種換道方式——一般換道和鳴笛換道進(jìn)行建模與分析，結(jié)合電動(dòng)自行車與自行車騎行人具有不同期望速度的特點(diǎn)，給出混合非機(jī)動(dòng)車兩種換道方式的模型更新規(guī)則。在傳統(tǒng)NS模型基礎(chǔ)上，建立考慮鳴笛效應(yīng)的混合非機(jī)動(dòng)車交通流CA模型，并對(duì)不同交通密度下的兩種換道模型進(jìn)行仿真對(duì)比分析。結(jié)果表明，當(dāng)交通密度在0.2～0.6之間時(shí)，鳴笛換道行為對(duì)提高道路通行效率可起到一定作用，但在低密度和高密度狀態(tài)下，鳴笛換道行為無法提高非機(jī)動(dòng)車道通行效率。

目前針對(duì)混合非機(jī)動(dòng)車鳴笛換道的研究仍存在不足，本文在建立鳴笛換道模型時(shí)，主要考慮電動(dòng)自行車速度相對(duì)自行車更快，更趨向于達(dá)到期望速度，并基于此加入鳴笛效應(yīng)，但是未考慮自行車鳴笛的情況，今后需進(jìn)一步研究自行車的鳴笛換道行為，對(duì)換道模型進(jìn)行優(yōu)化。

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