交叉口混合交通流跟驰行为研究

陈诺　许超然　郭季

摘 要：为了研究机动车流和非机动车流在交叉口交通信号灯影响下的过街跟驰情况，文章对西安市南稍门十字以及小寨十字进行了观测与记录，采用录制视频的方式，观测了在一个交通信号灯周期内车流的过街跟驰情况，采集并分析数据后，针对机动车流的跟驰行为构建了基于安全距离的跟驰模型，通过分析可以看出，在交叉口处机动车和非机动车过街行为受行人和机动车流影响较大，转向车流与直行的车流也会互相影响。

关键词：交叉口;机动车;非机动车;跟驰行为

中图分类号：U4691.2+33  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）03-234-03

前言

随着国民经济的迅速发展，我国车辆保有量逐年攀升，近年来各地政府出台多项政策鼓励绿色出行，其中非机动车出行作为一种绿色低碳的出行方式，有效缓解了交通污染问题。但随着各类非机动车的推广，城市道路上存在着大量的自行车、电动自行车、三轮车、架子车等非机动车，在无机非硬隔离或无交警执勤的路口，非机动车骑行者常常存在占用机动车道或越线排队的不规范行为[1]。

在这样的交通背景下，非机动车与机动车之间的交通冲突，加剧了交通拥堵，导致了交通事故频发，严重威胁了居民的财产安全和人身安全。本文对城市道路中的交叉口混合交通流跟驰行为特性进行研究和分析，以此来减少跟驰行为引发的交通事故，提高道路的通行能力和服务水平，从而进一步完善城市道路交叉口的交通安全。

1 跟驰模型

1.1 跟驰模型的介绍

车辆跟驰模型对研究微观交通流非线性特性，解决拥堵、安全等问题具有重要意义。Reuschel和Pipes[2]首创以解析方法研究车辆跟驰问题[3]。Bando等提出了基于当前车间距的优化速度模型[4]，该模型能够模拟实际交通流中各种非线性现象。Helbing等通过实测数据并进行仿真分析，发现跟驰车在靠近前方车辆时会产生不切实际的加速度，进而提出了广义力模型，后来不断涌现优化速度差模型和考虑前后车效应及记忆效应的等从各种角度进行优化的模型。目前尚未发现较为成熟的关于车辆跟驰模型在信号交叉口混合交通流的适应性验证方面的研究。

1.2 跟驰模型的分析

1.2.1 非机动车跟驰模型及思路

不同灯色的信号灯对非机动车的跟驰行为有着不同程度的影响。当信号灯的灯色为红色和黄色时，车辆将采取一定的制动措施，此时跟驰车辆受到被跟驰车辆的信号灯的共同刺激作用。此次主要考虑当交叉口的信号灯为红灯和黄灯时的情况。在信号灯为红灯或者黄灯时，采用刺激-反应模型。

式中：t为被跟驰车辆采取加减速行为时的时刻;T为反应时间;a（t+T）为跟驰车辆在t + T 时刻的加速度;vn（t）为被跟驰车辆在t 时刻的速度;vn+1（t）为跟驰车辆在t 时刻的速度;μ为跟驰车辆驾驶员的反应灵敏度。

1.2.2 机动车跟驰模型及思路

本文主要研究地点为城市道路交叉口，道路交叉口是事故的高发地，而事故的常见原因是前后车的安全距离过小，所以本文重点研究跟驰模型中的安全距离模型。采用的安全距离模型是Kometani提出的，其表达式如下：

上述模型都是基于简单的牛顿运动学公式所推导得到的车辆速度与车头间距及车身长度之间的关系，具有明确的物理意义。

2 机动车流跟驰模型及数据采集

2.1 数据采集

通过秒表和米尺及摄像机、雷达测速器等试验仪器测得50组数据，包括前车速度，后车速度以及两车距离。

2.2 模型的建立

运用SPSS软件对模型进行参数的标定，处理数据如下：

3 非机动车交通流分析及数据采集

3.1 非機动车交通流特性

对非机动车交通流的速度、密度等参数进行观测[5]。有如下一些特点：

（1）流动性：非机动车流的流动行驶，常用流量、密度和速度等描述非机动车流。

（2）行为性：单辆非机动车都是由人驱动控制的，所以就不可避免地渗透了人的某种行为现象在其中。

（3）连续性：对于非机动车车流来讲也可以相对地把它看作连续介质，常用非机动车流的连续性假设解决实际问题。

（4）压缩性：非机动车流的密度是可以变化的，就形成了事实上的可压缩性。

3.2 非機动车交通流的时间特性

根据调查资料分析，在早晨上班高峰小时非机动车出行人次约占其全日出行总人次的20%～25%，而22：30～5：30八小时流量超不出全天流量的5%。上、下午均出现高峰，显然这两个高峰均是由上下班（工作出行）形成的，由于非机动车行驶速度较机动车慢，形成了高峰在早晨往往比机动车高峰超前15～30min，城市规模越大，超前就越多，而晚高峰则比机动车的晚高峰要晚。

3.3 数据的收集与分析

本次研究所采用的数据采集方法是人工观测法，选取的交叉口为南稍门十字交叉口以及小寨十字交叉口。通过录像记录了该两个交叉口某时刻该路口非机动车的跟驰行为。下表为交叉口非机动车交通量汇总表。

通过对非机动车在交叉口的运行状况分析，造成交叉口内冲突加剧的主要原因非机动和机动车混合行驶且相互干扰，以及行人的干扰。机动车在交叉口对非机动车流也产生了一定的影响[6]，这些影响主要是：非机动车行驶速度较低，需要更长的行程时间;非机动车起动较快，往往抢行与直行车形成冲突点;绿灯初亮时，成团的非机动车驶出和绿中期路口内停留的左转非机动车造成对机动车的侧向挤压。

因此，解决冲突是非机动车交通交叉口优化设计的主要方法，其次，在交叉口处，由于交通信号灯的影响，非机动车也是要经历制动与再启动的过程。但是在启动时，行人会对其跟驰行为有一定的影响。

例如小寨十字交叉口情况，交通信号灯和行人的影响较大。非机动车的车头间距大约为两米左右，同时在交叉口处非机动车的转向十分频繁，也对跟驰行为有一定的影响。对小寨十字交叉路口进一步分析，观测非机动车在一个信号周期内的排队现象，得到如下数据：

由上表可以看出，信号交叉口的延误程度和排队长度主要取决于车辆的到达率和交叉口的通行能力。在一般情况下，交叉口的到达率和交叉口通行能力都随时间而变化的。

5 结论

对于不同的交通影响参数，得到的模型参数会有所不同，本文机动车交通流跟驰模型基于城市道路信号交叉口混合交通流的交通条件进行模型的标定。对于其他的交通状况条件，有待进一步的研究分析。

非机动车和机动车在交叉口内共同行驶以致相互干扰，绿灯亮时，由于非机动车启动速度快，行动灵活，因此非机动车抢先驶出停车线进入交叉口，因受到行人过街的影响，非机动车行驶速度又较慢，直行车平均车头间距较大，此时易形成冲突区;黄灯启亮时，假设在黄灯亮的瞬间恰有最后一排非机动车和最后一辆机动车驶过停车线，并继续行驶，由于机动车的速度较快，将先通过与侧向交通的冲突区，非机动车后通过。如果这时侧向已经放行，就可能再次发生冲突[7]。

此次的研究还有很多不足，由于设备限制，车速与车数测量均存在一定误差;机动车流与非机动车流的相互影响的定量关系有待进一步研究。

参考文献

[1] 邝先验，陈自如.设置非机动车等候区的信号交叉口交通流模型[J].交通运输系统工程与信息，2019，19（04）：179-186.

[2] Pipes L A.An Operational analysis of traffic dynamics[J].Journal of AppliedPhysics，1953，24（ 3） ： 274-281.

[3] Brackstone M， Mcdonald M. Car-follow： a historical review[J]. Transportation Research Part F： traffic Psychology and Behavior， 1999，2（4）：181-196.

[4] Bando M， Hasebe K， Nakayama A.et al. Dynamical model of traffic congestion and numerical simulation[J].Physical Review E，1995，51 （2）：1035-1042.

[5] 张生瑞.交通流理论与方法[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[6] 赵建有，杨雪峰.城市道路平面交叉口安全评价指标的研究[J].长安大学学报，2003 ，20（3）：59-62.

[7] 徐良杰，王炜，俞斌.信号交叉口非机动车及行人交通控制研究[J]. 交通运输工程与信息学报， 2004 ，（1）：102-108.