1、 第第8 8章章 非機(jī)動(dòng)車交通模型非機(jī)動(dòng)車交通模型教學(xué)目的教學(xué)目的：掌握非機(jī)動(dòng)車的線性跟馳模型和矢量場(chǎng)模掌握非機(jī)動(dòng)車的線性跟馳模型和矢量場(chǎng)模型，了解二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型。型，了解二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型和元胞自動(dòng)機(jī)模型。掌握在掌握在VISSIMVISSIM中設(shè)置自行車仿真的基本方法，能夠標(biāo)中設(shè)置自行車仿真的基本方法，能夠標(biāo)定自行車仿真中的基本參數(shù)定自行車仿真中的基本參數(shù)。教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)： （1 1）線性跟馳模型。）線性跟馳模型。 （2 2）矢量場(chǎng)模型矢量場(chǎng)模型。 （3 3）VISSIMVISSIM仿真仿真教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)： （1 1）線性跟馳模型線性跟馳模型。 （2 2）矢量

2、場(chǎng)模型矢量場(chǎng)模型。 第第8 8章章 非機(jī)動(dòng)車交通模型非機(jī)動(dòng)車交通模型 第第8 8章章 非機(jī)動(dòng)車交通模型非機(jī)動(dòng)車交通模型8.18.1 自行車線性跟馳模型自行車線性跟馳模型8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型8.3 8.3 自行車自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型8.4 8.4 基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中自行車模型軟件中自行車模型 一、引言一、引言 通過(guò)借鑒機(jī)動(dòng)車跟馳模型，可建立自行車運(yùn)動(dòng)的基本模型，即線性跟馳模型。8.18.1 自行車線性跟馳模型自行車線性跟馳模型自行車微觀

3、仿真二、模型建立二、模型建立8.18.1 自行車線性跟馳模型自行車線性跟馳模型車道的假車道的假定定 研究過(guò)程中將自行車通過(guò)的區(qū)域劃分成若干個(gè)虛擬自行車車道，假設(shè)每個(gè)自行車車道寬度為1m跟馳的判跟馳的判斷標(biāo)準(zhǔn)斷標(biāo)準(zhǔn) 前后自行車之間的最大臨界跟馳間隔為4m反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間 自行車駕駛員的反應(yīng)時(shí)間取為0s三條假設(shè)8.18.1 自行車線性跟馳模型自行車線性跟馳模型自行車線性跟馳模型自行車線性跟馳模型8.18.1 自行車線性跟馳模型自行車線性跟馳模型 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)自行車的跟馳數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到如下公式： 第第8 8章章 非機(jī)動(dòng)車交通模型非機(jī)動(dòng)車交通模型8.18.1 自行車線性跟馳模型自行車線性跟馳模型

4、8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型8.3 8.3 自行車自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型8.4 8.4 基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中自行車模型軟件中自行車模型 8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型矢量場(chǎng)模型矢量場(chǎng)模型基本原理：基本原理： 假設(shè)在所考察的建模對(duì)象周圍存在一個(gè)由其周圍運(yùn)動(dòng)物體與之相互作用形成的矢量場(chǎng)，建模對(duì)象的速度變化是它在矢量場(chǎng)中受到其它運(yùn)動(dòng)物體以及道路狀況相互作用的結(jié)果。車輛的運(yùn)動(dòng)特性人們的心理特性相互作用基于矢量

5、場(chǎng)的非機(jī)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)示意圖8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車向量場(chǎng)模型機(jī)動(dòng)車向量場(chǎng)模型改進(jìn)改進(jìn)（8-3）非機(jī)動(dòng)車向量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車向量場(chǎng)模型8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型敏感系數(shù) 不是常數(shù)，與相互作用的車輛之間的距離成反比加速影響 與車輛自身的當(dāng)前速度與理想速度的比值有關(guān)減速影響 與被阻礙車輛的理想速度和阻礙車輛的當(dāng)前速度的比值成正相關(guān)關(guān)系)1 ()(pnpXVar8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)

6、車矢量場(chǎng)模型8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型一、在考慮S區(qū)域內(nèi)的所有運(yùn)動(dòng)物體對(duì)建模對(duì)象的影響，借鑒萬(wàn)有引力原理進(jìn)一步修正模型：修正模型為：兩次修正兩次修正2x8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型二、在“一”的基礎(chǔ)上，再考慮道路邊界對(duì)建模對(duì)象運(yùn)動(dòng)的阻礙影響，修正模型為：道路邊界建模對(duì)象橫向運(yùn)動(dòng)施加影響矢量場(chǎng)模型最終修正模型：矢量場(chǎng)模型最終修正模型：8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型 第第8 8章章 非機(jī)動(dòng)車交通模型非機(jī)動(dòng)車交通模型8.18.1 自行車線性跟馳模型自行車線性

7、跟馳模型8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型8.3 8.3 自行車自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型8.4 8.4 基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中自行車模型軟件中自行車模型 8.8.3 3 自行車自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型速度模型偏轉(zhuǎn)角度模型 二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型認(rèn)為自行車的運(yùn)動(dòng)總體上可以分為兩個(gè)部分：第一部分是自行車的速度模型，第二部分是自行車的偏轉(zhuǎn)角度模型。二二維維微觀行為模型微觀行為模型8.8.3 3 自行車自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)

8、模型二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型一、自行車速度模型一、自行車速度模型圖8-3 自行車二維行為示意圖橫向移動(dòng)方向縱向前進(jìn)方向B0B9分別表示某一時(shí)刻10輛自行車的位置；l和r分別自行車B0最大左轉(zhuǎn)角度和最大右轉(zhuǎn)角度；8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型以B0為分析建模對(duì)象 B0正前方的B1則對(duì)B0的行駛速度有負(fù)面限制。結(jié)合跟馳理論的思想和以上分析建立自行車的速度模型如下式所示：8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型 由于自行車速度慣性小，駕駛比較靈活，并且在交叉口附近的行駛速度相對(duì)比較慢，可以不用考慮前后車的安全車頭間距和速度差對(duì)后車速度的影

9、響，所以式（8-9）主要考慮路段上的非機(jī)動(dòng)車建模，而非交叉口上的自行車建模。 根據(jù)實(shí)際觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為0l45和0r45范圍內(nèi)的自行車對(duì)B0的行駛行為才有影響。當(dāng)l 45和r 45時(shí)，即在B2和B3后邊的自行車產(chǎn)生的影響可以不用考慮。由于B4和B5分別在B3和B2的前方，它們對(duì)B0的影響是通過(guò)B3和B2的影響來(lái)傳遞的，是間接的，因此可以不用考慮。8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型經(jīng)過(guò)以上分析可知，可以只考慮三種情形中自行車位置對(duì)B0的影響：1、正前方的車輛B1；2、右前方45范圍內(nèi)的自行車B3；3、左前方45范圍內(nèi)的自行車B2。假設(shè)：1、自行車的平均車長(zhǎng)為1.9

10、m，平均車寬為0.6m；2、行駛時(shí)左右搖擺的安全間距各為0.2m。8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，以左前方自行車B2為例，其對(duì)后輛自行車的縱向影響系數(shù)可表示為下式：8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型 由于B0與B2、B3是縱向錯(cuò)開(kāi)的不在同一車道上，所以在計(jì)算縱向影響系數(shù)時(shí)只考慮橫向Y軸的坐標(biāo)，不用考慮縱向X軸的坐標(biāo)。自行車縱向行駛時(shí)的速度模型：8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型二、自行車二、自行車偏轉(zhuǎn)角度偏轉(zhuǎn)角度模型模型 如圖8-2所示，影響自行車B0橫向移動(dòng)的有左側(cè)自行

11、車B3和B7、右側(cè)自行車B2和B6。一般來(lái)講騎車者會(huì)根據(jù)周圍自行車的情況，選擇處在左右兩側(cè)自行車的中間地帶，這樣距左、右兩側(cè)自行車的距離是一樣的。所以可以根據(jù)實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，提出以縱向距離為自變量的橫向影響系數(shù)h來(lái)分析自行車B2、B3、B6、B7對(duì)自行車B0橫向移動(dòng)行為的影響。8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型 以自行車B0右前方的自行車B2為例，其對(duì)自行車B0的橫向影響系數(shù)h如下式所示：那么左右兩側(cè)對(duì)自行車B0橫向坐標(biāo)的影響記為：8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型則自行車B0在t+1時(shí)刻橫向坐標(biāo)的基值為：修正修正 考慮自行車的

12、橫向偏轉(zhuǎn)角度，通過(guò)對(duì)式8-14橫向坐標(biāo)基值的進(jìn)一步修正，可以求得自行車下一步橫向坐標(biāo)的大小。最大左右偏轉(zhuǎn)角y正常情況下：y=30特殊情況下：y為7080左右8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型 影響自行車轉(zhuǎn)彎偏轉(zhuǎn)角度的因素：自行車密度、騎車人的性別、年齡、道路情況等。從圖8-2中可知自行車左右轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角的大小可用如下兩式表示：8.3 8.3 自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型 第第8 8章章 非機(jī)動(dòng)車交通模型非機(jī)動(dòng)車交通模型8.18.1 自行車線性跟馳模型自行車線性跟馳模型8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模

13、型8.3 8.3 自行車自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型8.4 8.4 基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中自行車模型軟件中自行車模型 8.4 8.4 基于基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型型單向二維單向二維CA自行車模型自行車模型 參照機(jī)動(dòng)車輛CA交通模型的建立方法，可建立單向二維CA自行車模型定義如下：1、元胞尺寸 由于停車時(shí)自行車最大停車密度為0.63輛/m2，則平均一輛自行車占據(jù)1.59m2/輛。再根據(jù)自行車的物理尺寸：車身長(zhǎng)1.9m,寬0.6m，定義自行車元胞的大小為：長(zhǎng)2.0m，寬0.8m的矩形

14、，則每個(gè)元胞面積為1.6m2，符合最小停車密度值。8.4 8.4 基于基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型型2、速度3、元胞的狀態(tài)空間 網(wǎng)格的維數(shù)按照自行車道的長(zhǎng)度和寬度設(shè)定，如車道寬度為x(m),按每條自行車道1m計(jì)算，即有x(x為取整后數(shù)值)條車道。則元胞網(wǎng)格的寬設(shè)為x個(gè)元胞寬度；若車道長(zhǎng)度為y(m)，則元胞網(wǎng)格的長(zhǎng)設(shè)為y/2個(gè)元胞長(zhǎng)度。網(wǎng)格的邊界條件定義為周期性的，易于分析同一密度下的自行車運(yùn)行狀態(tài)。8.4 8.4 基于基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型型4、元胞的狀態(tài)屬性圖8-4 自行車CA模型運(yùn)動(dòng)方向及其鄰域范圍示意圖8.4 8.4 基于基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模

15、元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型型5、元胞的鄰域 圖8-4中深色的元胞代表當(dāng)前元胞，定義其鄰域?yàn)橹車鷾\灰色的部分，對(duì)應(yīng)著縱向最大速度4個(gè)元胞長(zhǎng)度和橫向最大速度2個(gè)元胞寬度。6、模型的局部規(guī)則8.4 8.4 基于基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型型有關(guān)當(dāng)前元胞的假設(shè)：8.4 8.4 基于基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型型當(dāng)前自行車元胞演變規(guī)則如下：縱向加減速規(guī)則判斷：8.4 8.4 基于基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型型縱向加速：縱向減速：8.4 8.4 基于基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型型橫向速度：位置移動(dòng)：8.18.1 自行車線性跟馳模型自行車線

16、性跟馳模型8.2 8.2 非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型非機(jī)動(dòng)車流中非機(jī)動(dòng)車矢量場(chǎng)模型8.3 8.3 自行車自行車二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型二維微觀行為運(yùn)動(dòng)模型8.4 8.4 基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型基于元胞自動(dòng)機(jī)的自行車模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中自行車模型軟件中自行車模型 第第8 8章章 非機(jī)動(dòng)車交通模型非機(jī)動(dòng)車交通模型8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中自行車模軟件中自行車模型型一、一、創(chuàng)建自行車車輛創(chuàng)建自行車車輛構(gòu)成構(gòu)成 在菜單欄中依次選擇“交通”“車輛構(gòu)成”，此時(shí)會(huì)彈出如圖8-5所示的“車輛構(gòu)成”對(duì)話框。從圖8-5中可以看到只有系統(tǒng)默認(rèn)的一種車輛構(gòu)成，本步

17、驟將新建一種新的車輛構(gòu)成。圖8-5 車輛構(gòu)成默認(rèn)車輛構(gòu)成新建8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中自行車模軟件中自行車模型型 單擊“新建”，彈出如圖8-6所示的“車輛構(gòu)成”設(shè)置對(duì)話框，將“名稱”改為Bicycle，點(diǎn)擊“新建”，在彈出的對(duì)話框中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，如圖8-7所示。設(shè)置完成后點(diǎn)擊確定，完成車輛類型的編輯。圖8-6 車輛構(gòu)成設(shè)置對(duì)話框新建8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中自行車模軟件中自行車模型型圖8-7 車輛類型對(duì)話框8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中自行車模軟件中自行車模型型二、二、創(chuàng)建自行車創(chuàng)建自行車仿真仿真 創(chuàng)建基本路段。單擊左側(cè)工具欄“路段&連接器”按鈕切換到路段編輯狀態(tài)。任意畫(huà)一條基本路段，在彈出的“路段屬性”對(duì)話框中“名稱”設(shè)為非機(jī)動(dòng)車道，“行為類型”一欄中選擇“5：自行車道（隨意超車）”，其他不做任何改動(dòng)，如圖8-8所示。點(diǎn)擊“確定”，完成路段屬性設(shè)置。圖8-8 路段屬性設(shè)置8.5 8.5 VISSIMVISSIM軟件中