车道变换行为对交通流运行速度影响的研究.doc.doc

1、754 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 第5卷 第10期2010 年 10 月车道变换行为对交通流运行速度影响的研究徐慧智 1,2，程国柱 3，裴玉龙 3（1. 哈尔滨工业大学管理学院，哈尔滨 150000； 2. 哈尔滨地铁集团有限公司，哈尔滨 150080；3. 哈尔滨工业大学交通学院，哈尔滨 150000）摘 要：为解决车道变换行为对交通流运行速度影响的定量分析难题，从观测数据的整理分析结果出发，揭示了车道变换行为与交通流运行速度的关系，提出速度判断因子的概念，给出基于典型城市的观测数据的速度判断因子推荐值。基于车道变换行为发生率和速度之间的关系，联立交通流理论

2、中关于速度和交通量的关系模型，构建了车道变换行为对交通流运行速度的影响模型，并进行参数标定。最后给出车道变换行为对运行速度的影响量值。关键词：车道变换；行为特性；速度判断因子；运行速度；影响模型中图分类号：U491.3 文献标志码：A 文章编号：16737180(2010)1007549 Study on effect of lane-changing behavioral characteristic to velocity Xu Huizhi1,2，Cheng Guozhu3，Pei Yulong3(1. School of Management, Harbin Institution o

3、f Technology, Harbin 150000, China；2. Harbin Metro, Harbin 150080, China；3. School of Traffic Science and Engineering, Harbin Institution of Technology, Harbin 150000, China)Abstract: To solve the problems of quantitative analysis the impact of lane-changing to traffic flow speed, based on the analy

4、sis of observation data, revealed the relationship between lane-changing behavior and traffic flow speed, a factor to determine the speed of the concept was given based on typical of the city of observational data to determine the speed factor values. Based on the relationship between lane-changing

5、behavior and speed, even legislated the model on the theory of traffic flow and the relationship between speed and lane-changing behavior to propose a impact model, and calibrated the parameters, At last, given the value of the effected. Key words: lane-changing；behavioral characteristic ；judge fact

6、or；velocity；effective model 车道变换过程中将产生冲突点，影响交通运行的效率，降低道路交通系统的道路通行能力、道路服务水平和运行安全，容易引发道路交通阻塞和事故，造成经济损失。特别是我国存在部分驾驶员无视交通法规，安全意识淡薄，在驾驶车辆的过程中发生任意车道变换行为，甚至违章车道变换行为，因此同国外相比我国车道变换行为特性尤为复杂1-5。车道变换行为造成自身车辆的运行情况发生变化，影响周边车辆的运行状态，反之，应对于车道变换行为，收稿日期：2010-07-24 周边车辆作出如何反应则取决于驾驶员的性格，两者的协同作用造成了速度和车头时距等交通流参数的改变。发现和揭示车

7、道变换行为和速度之间的关系，构建两者的理论关系模型，进而建立微观的车道变换行为和宏观的交通流之间的关系具有一定的实际应用价值6-8。1 观测数据分析交通流理论中关于交通量和速度的关系如图 1 所示。在虚线的左侧，车道变换行为发生率随（定义为单基金项目：国家高技术研究发展计划（ 863计划）资助项目(2007AA11Z231)；国家自然科学基金资助项目(50578056) 作者简介：徐慧智(1977 )，男，工程师，主要研究方向：轨道交通规划、驾驶员行为特性研究，第5卷 第10期 2010 年 10 月 车道变换行为对交通流运行速度影响的研究 755位时间内，固定横断面上游一定距离内发生车道变换

8、行为的车辆占通过该横断面单车道车辆的比例，笔者取 50 m）交通量的增加而增加，速度随交通量的增加而减少，在虚线的右侧，车道变换行为发生率随交通量的增加而减少，速度随交通量的增加而减少，据此推断一定交通状态下（虚线的左侧）车道变换行为与速度之间存在一定的关系。图 1 速度和车道变换行为发生率的变化规律Fig. 1 Change law between velocity and lane-changing rate corresponding to traffic volume 分析车道变换行为与速度的对应关系，根据实测数据，分别选取平均速度、25%位速度、50%位速度和 75%位速度作为变量，

9、车道变换行为发生率作为因变量，做出速度统计特征值与车道变换行为发生率的关系如图 2所示。分析图 2 可知，随着速度的增加，车道变换行为发生率的改变没有表现出一定的规律性，在观测到的速度区间内，车道变换行为发生率均在0.05，0.30区间内波动。图 3 为车道变换行为发生率的标准差图，图中的方框区域表示离散程度。针对以上现象的解释如下：车道变换行为是速度发生改变的原因之一，但是不能忽视交通量改变带来的影响。开展车道变换行为对速度的影响研究，需要剔出交通量改变带来的影响。根据交通流理论可知，相同的速度可对应不同交通量，而交通量对车道变换行为发生率亦产生影响。由于车道变换行为调查不能保证获取相同交通

10、量下的速度，因此，速度统计特征值与车道变换行为发生率的关系图没有呈现出规律性，需要通过理论分析揭示两者的关系。(a) 平均速度(b) 15%位速度(c) 50%位速度(d) 85%位速度图 2 速度统计特征值与车道变换行为发生率的关系Fig. 2 Relationship between statistics eigenvalue of velocity and lane-changing 图 3 速度标准差与车道变换行为发生率的关系Fig. 3 Relationship between standard deviation of velocity and lane-changing 根据图

11、1 的曲线规律得到启发，根据数据点分布的集中程度，将实测数据划分为 10 个对应的数据集聚点（见图 4）。从图 4 中发现，车道变换行为发生率较低的时候，速度较大，车道变换行为发生率较高的时候，速756 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 第5卷 第10期2010 年 10 月度较小，在一定的限制条件下，两者的乘积出现一定的规律性，为了便于表述，将之称为评判因子。(a) (b) 图 4 车道变换行为发生率与速度的对应关系Fig. 4 Relation between lane-changing rate and velocity 评判因子定义为一定交通条件下速度和车道变换

12、行为发生率的乘积。例如：根据实测数据，在 540pcu/(hln)Q640 pcu/(hln)区间内，评判因子具有一定的常量性质，推荐评判因子取值为 4，其他交通量区间评判因子的具体数值见表 1。由于来源于调查数据，评判因子存在精度不高的缺点。图 59 是来源于不同实测数据的评判因子和最优中心（定义为车道变换行为发生率和速度的乘积值的几何中心），最优中心是不同交通量区间推荐评判因子的依据。表 1 不同交通量区间的评判因子 Fig. 5 Judge factor and optimal center (Q360 pcu/(hln) Q/( pcuh-1ln-1) qi V/(kmh-1) qiV

13、0, 360 0, 360 0, 360 0.084, 0.125 0.084, 0.125 0.084, 0.125 20, 30 20, 30 30 43 3 360, 480 0.103, 0.136 360, 480 0.103, 0.136 600, 720 0.091, 0.152 600, 720 0.091, 0.152 600, 720 0.091, 0.152 720 0.061, 0.125 20, 30 20, 30 20, 30 30, 40 40 520, 30 4 5 3 34 2 图 6 评判因子和最优中心(360 pcu/(hln)Q480 pcu/(hln)

14、 Fig. 6 Judge factor and optimal center (360 pcu/(hln)Q480 pcu/(hln) 第5卷 第10期 2010 年 10 月 车道变换行为对交通流运行速度影响的研究 757图 7 评判因子和最优中心(480 pcu/(hln)Q600 pcu/(hln) Fig. 7 Judge factor and optimal center (480 pcu/(hln)Q600 pcu/(hln) 图8 评判因子和最优中心(600 pcu/(hln) Q720 pcu/(hln) Fig. 8 Judge factor and optimal cen

15、ter(600 pcu/(hln)Q720 pcu/(hln) Fig. 9 Judge factor and optimal center (Q720 pcu/(hln) 评判因子的优缺点分析：判断因子来源于实测数据，其客观存在一定的规律性。例如，速度越高，评判因子的观测值越大，离散程度越大，尤其在低速的情况下，评判因子具有常量性。受样本数量的限制，表 1 中只给出了部分区间的评时，Q360 pcu/(hln)条件下，评判因子为 3；当 360 pcu/(hln)Q480 pcu/(hln)时，评判因子为 4；当 480 pcu/(hln)Q600 pcu/(hln)时，评判因子为 5；当

16、600 pcu/(hln)Q720 pcu/(hln)时，评判因子为 3；当 Q720 pcu/(hln)时，评判因子为 2。速度一定时，交通处于通畅状态和拥挤状态时，车道变换行为的发生频率均很小。评判因子作为来源于实测数据的数值，存在固有的缺点，根据表 1 可知，相对于每个推荐的评判因子的交通量区间，车道变换行为发生率的离散程度均很大，例如 Q360 pcu/(hln)时，车道变换行为发生率在区间0.084，0.125 内波动，根据评判因子不能获取车道变换行为发生率区间的端点值。虽然精确度不高，但是评判因子能够反映区间中值的情况，由此可知，实测数据量越大，交通环境越丰富，评判因子将越具有统计

17、学规律。加之评判因子直观易操作的特点，推广难度小，可为是否设置管理车道变换行758 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE 第5卷 第10期2010 年 10 月为的交通标志标线提供决策依据。2 速度影响模型的理论推导及参数标定2.1 速度影响模型的理论推导车道变换行为对速度的影响模型的构建存在2种方法：第一种，从微观角度出发，计算每一车辆由于车道qia k 2 b k c ， (2)2 Q Q ，qia -1091b -1091 c变换行为造成速度的改变，通过叠加得到对交通流速度的影响；第二种，从宏观角度出发，研究车道变换行为发生率对速度的影响。第一种方法适用于特定的车道变

18、 1200 1200 (a 0, b0, c0) 。根据交通流理论，关于速度和交通量的关系模型为(3)换行为，而第二种方法的适用范围更广。 2 这里选用第二种方法构建影响模型：为建立车道变 V s ， (4) Q2kjVs V换行为发生率和速度之间的关系，需要借助交通量作为 f 联系纽带。具体过程为：首先根据实际实测数据获取车道变换行为发生率和交通量之间的关系，该部分主要依靠大量的实测数据进行参数标定；其次，通过自由流速度和阻塞密度标定交通量与速度之间的传统模型；最后，将交通量作为中间关系参数有Q1Q2。联立公式(2)和公式(4) ，并移项可得2 2(5)借助交通量作为纽带（中间变量），建立速

19、度与车道变换 ak 2 V s bkj V s2 。(6) q jV s V s c2 1200 -27行为发生率之间的关系。为提高曲线拟合效果，令 -68i 1200 -95Vf -95Vfk Q1。 (1) 将配方移项，即可得到车道变换行为发生率与速度的关1200V V2 1200b V系为V b2 f f f 1200 f 1 q c, 2 4 2a k k a 4a -54iV Vf21200b Vj jV b2 f 1200 f 1 q c -68, (7)V s -544 -542a-54k-40j -54k-40j -54a-544a -191iV V21200b V V b2

20、f f f 1200 f 1 q c,2 422a kj kj a 4a2 -54iV V 1200b V V b f f 1200 f 1 q c , 4 2a kj kj a 4a -136i根据公式(7)，作不同车道变换行为发生率情况下的 差值即可得到车道变换行为对速度的影响模型。关于上述构建的模型，有 4 种表达形式，以下做出解释：相同的车道变换行为发生率对应 2 种交通量（自由态和拥挤态），每种交通量下车道变换行为产生速度提升和降低 2种情形。例如，当车辆超车（U 形车道变换行为）时，执行车道变换行为车辆的速度提升，如果不干扰其他车辆的正常运行，交通流的速度为增大。如果车辆驶离主线，

21、驶出匝道，执行车道变换行为车辆的速度降低，如果不干扰其他车辆的正常运行，交通流的速度为减少。实际交通运行情况下，周边车辆的速度均会发生变化，增加和降低的随机性很大，因此交通流速度的改变要综合考虑涉及车辆的速度改变。因此，通过理论推导获得模型的 4 种表达式，此模型的推导没有局限于车道变换行为的微观影响程度，而是从交通流运行角度出发，对速度的改变做出了理论分析，符合理论分析结论和实际交通流状况，具有一定的实际应用价值。2.2 速度影响模型的理论推导针对以上问题，需要对典型路段的数据进行深层次处理，揭示出交通量与车道变换行为发生率的统计学规律。车道变换行为对速度的影响模型需要标定参数 a、b、c。

22、第5卷 第10期 2010 年 10 月 车道变换行为对交通流运行速度影响的研究 759表 3 城市典型路段车道变换行为发生率与交通量的关系方程Table 3 Relationship between lane-changing and traffic volume in different city 城市 路段 a b c北京 建国门南大街 1.175 0.428 0.119上海 长春路 0.039 0.054 0.193上海 天目西路 0.089 0.025 0.19南京 太平北街 0.532 0.266 0.141南京 洪武路 0.094 0.034 0.204(d) 南京太平北路广州广

23、州苏州东风路西头路东环路0.179 0.211 0.0590.495 0.531 0.0310.253 0.365 0.078(e) 南京洪武路(a) 北京建国门南大街(b) 上海长春路(c) 上海天目西路(f) 苏州东环路(g) 广州东风路760 (h) 广州西头路中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE(l) 济南经十路第5卷 第10期2010 年 10 月(i) 深圳滨河路(j) 青岛山东路(k) 济南师大南路(m) 沈阳辽师大路(n) 哈尔滨中山路图 10 典型路段车道变换行为发生率与交通量的关系Fig. 10 Relationship between lane-cha

24、nging rate and traffic volume in the canonical roda of different city 观测对象的交通状态各不相同，观测时段内，北京建国门南大街、南京太平北路、南京洪武路、苏州东环路、青岛山东路、济南师大南路、济南经十路、沈阳辽师大路和哈尔滨中山路的交通状态波动较小，上海长春路、上海天目街、广州东风路、广州西头路和深圳滨河路的交通状态波动较大。采用典型路段交通流数据进行数据标定存在以下问题：1) 数据的不完整性。由于交通状态的差异，典型路段可能在观测时段内都处于交通量过大或者过小的情况，以北京建国门南大街交通数据为例进行分析：交通量多处于 1

25、20 pcu/(hln)和 480pcu/(hln)左右，而 320 pcu/(hln)点（1 个观测样本）车道变换行为发生第5卷 第10期 2010 年 10 月 车道变换行为对交通流运行速度影响的研究 761率的大小决定了曲线的形状，非常不合理，并且交通量处于 120 pcu/(hln)状态下车道变换行为发生率的离散度较大。2) 数据的差异性。相同的交通流量状态下，车道变换行为发生率存在差异性。以上海长春路和南京太平北路为例进行分析：2 条典型路段的交通状态波动均较大，但是拟合出曲线的形状存在差异性。上海长春路车滨、北京和大连等 12 个城市（相同交通量的数据合并取中值），采取二次曲线方程

26、进行拟合，得到车道变换行为发生率和交通量之间的关系如下（最佳应用区间为实测数据较为集中的区间，偏离该区间则拟合变差）。得 到 ： a=3.375 ， b=3.402 ， c=0.649 (kj 111.1pcu/(hln) ，即2q Q3.402 Q 0.649 。 (8)i 3.375-1091 -1091道变换行为发生率的改变较小，车道变换车辆数占总数的比例近乎为常值，而南京太平北路车道变换行为发生率的改变较大。3) 数据的离散性。几乎每一个观测路段的数据均存在离散性，广西西头路尤为严重，交通量在 600 pcu/(hln)的条件下，车道变换行为发生率离散在 0.120.48 的范围之内。

27、针对以上问题，需要对典型路段的数据进行深层次处理，揭示出交通量与车道变换行为发生率的统计1200 1200学规律。由于典型路段交通流数据存在以上问题，因此模型参数(a 、 b、c) 采取处理后的数据进行标定，来源于哈尔图 11 车道变换行为发生率与交通量的关系Fig. 11 Relationship between lane-changing rate and traffic volume 图 12 对速度的影响(V f =60 km/ h) Fig. 12 Effect of velocity caused by lane-changing rate (Vf =60 km/ h) Fig.

28、13 Effect of velocity caused by lane-changing rate (Vf =80 km/ h) 762 中国科技论文在线 SCIENCEPAPER ONLINE图 14 对速度的影响(V f =100 km/ h) Fig. 14 Efect of velocity caused by lane-changing rate (Vf =100 km/ h) 第5卷 第10期2010 年 10 月表 4 由于车道变换行为引起的速度变化区间 Table 4 Change of velocity caused by lane-changing Vf / (km h-

29、1) V/( km h-1) 100 1.60, 1.50 80 1.68, 1.50 60 1.85, 1.52 笔者理论推导出了车道变换行为对速度的影响，除此之外，还可以采用多因素分析法，从数理统计角度出发得到车道变换行为对速度的影响，该种方法需要大量的观测数据进行标定，并且应用具有一定的局限性，但是如果针对于一条具体的道路，该方法具有一定的应用价值。3 结 论通过分析大量的观测数据，揭示了车道变换行为与运行速度的相关性，构建车道变换行为对速度的影响模型，进行量化分析，结果表明，在运行速度为 60、80、100 km/h 时，由于车道变换行为引起的速度改变量分别为1.60 km/h，1.5

30、0 km/h，1.68 km/h ，1.50 km/h和1.85 km/h，1.52 km/h。参考文献(References) 1 Erik C B, Suzzanne E L,Walter W W. Analysis of distribution, frequency, and duration of naturalistic lane-changings C/Proceeding of theHuman Factors and Ergonomice Society 46th Annual Meeting. Santa Monica: IEEE, 2002: 740-741. of di

31、stribution, frequency, and duration of naturalistic lane changes C/Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting Proceedings. Surface Transportation, 1789-1793. 3 Mehmood A. Inter simulation model for driver behavior using system dynamics D. University of Waterloo. Ontario, Canada. 2003: 86- 1

32、06 simulation J. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2002, 10(5/6): 351-371. 5 Salvucci D D, Liu A. The time course of lane-changing: Driver control and eye-movement behavior J. Transportation Research part F: Traffic Psychology and Behavior, 2002, 5(2): 123-132. 6 Suzuki K, Janss

33、on H. An analysis of driver steering behavior during auditory or haptic warning for the designing of lane departure warning system J. JSAR Review, 2003, 24(1): 65-60. 7 冯雨芹，裴玉龙，张亚平. 基于近景摄影测量的选择性车道变换行为模型标定J. 哈尔滨工业大学学报， 2007, 39(8): 1292-1296. Feng Yuqin, Pei Yulong, Zhang Yaping .Calibration of discr

34、etionary lane changing model based on close-range photogrammetry J. Journal of harbin Institute of Technology, 2007, 39(8): 1292-1296. (in Chinese) 8 刘博航，裴玉龙，徐慧智. 基于视频处理的车道变换行为轨迹获取技术J. 哈尔滨理工大学学报，2007, 12(3): 7-11. Liu Bohang, Pei Yulong, Xu Huizhi. Lane - changing track access technology based on video J. Journal Harb In Un Iv Sci & Tech, 2007, 12(3): 7-11. (in Chinese)