陳利霖 鄒智軍▲ 李珣輝
(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海201804;2.新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 烏魯木齊831401)
交織車輛是交織區(qū)交通流的重要組成部分,也是造成一些交織區(qū)成為交通瓶頸的誘因。交織車輛的出行OD決定了其強(qiáng)制換道的要求,使得其跟車換道行為有別于直行車輛,有必要單獨(dú)對(duì)交織車輛的跟車換道行為進(jìn)行研究。
國(guó)內(nèi)外有關(guān)交織區(qū)車輛的跟車換道行為研究較多:Peter Hidas[1]研究了在交織區(qū)擁擠交通條件下車輛的換道行為,同時(shí)將“協(xié)作”機(jī)制引入強(qiáng)制換道模型;Wen Longjin[2]將交織區(qū)的車輛分為交織車輛與非交織車輛,根據(jù)其各自的換道行為分別建立了基于 Lighthill-Whitham-Richards(LWR)的換道模型;Florian Marczak等[3]通過(guò)調(diào)查在不同的交通條件下交織車輛的換道位置,得知在擁擠交通條件下,車輛更傾向于在交織區(qū)前半段換道,在自由流條件下,車輛則更傾向于在交織區(qū)后半部分換道;史峰等[4]通過(guò)分析車輛期望換道臨界位置和極限位置,描述了雙車道環(huán)島交織區(qū)上車輛的換道決策,建立了相應(yīng)的元胞自動(dòng)機(jī)換道模型;劉小明等[5]根據(jù)車輛換道行為過(guò)程中的不同情形,考慮待換道車輛換道意圖產(chǎn)生與換道行為實(shí)施的時(shí)間關(guān)系,建立了基于信息交互的元胞自動(dòng)機(jī)換道行為模型;Dr.Hamid Athab Al-Jameel[6]根據(jù)在擁擠交通狀態(tài)下,后隨車輛在前車減速的條件下不選擇加速的情況,建立了針對(duì)擁擠交織區(qū)的跟車模型;劉有軍等[7]考慮了實(shí)際交通情況的多樣性,基于模糊控制原理,提出了更為細(xì)致的基于元胞自動(dòng)機(jī)的強(qiáng)制換道模型。其中,文獻(xiàn)[2]是基于已有的LWR模型進(jìn)行的改進(jìn),對(duì)相關(guān)的換道規(guī)則進(jìn)行了細(xì)化;文獻(xiàn)[3]是通過(guò)大量的數(shù)據(jù)調(diào)查分析來(lái)研究交織區(qū)車輛的換道行為;文獻(xiàn)[1~4]和[6]針對(duì)特定類型的交織區(qū)(文獻(xiàn)[1]與[6]為擁堵交織區(qū),文獻(xiàn)[4]為雙車道環(huán)形交叉口上的交織區(qū))進(jìn)行了相應(yīng)的跟車換道模型的研究;文獻(xiàn)[5]及[7]從不同的角度對(duì)交織區(qū)的換道規(guī)則進(jìn)行了深入探討(其中,文獻(xiàn)[5]考慮了車輛換道過(guò)程中,相關(guān)車輛的信息交互對(duì)交通流產(chǎn)生的影響,文獻(xiàn)[7]引入了“換道壓力”),建立了基于元胞自動(dòng)機(jī)的跟車換道模型。但是以上的相關(guān)研究只能表征車輛跟車換道的1種判斷行為(滿足某種條件,進(jìn)行相應(yīng)的操作),而實(shí)際上,交織車輛是否換道受駕駛員特性的影響,表現(xiàn)出來(lái)的是1種選擇行為,特別是對(duì)于長(zhǎng)度較短、流量較大的交織區(qū),車輛需承受在較短距離下完成換道的壓力,同時(shí)換道空當(dāng)又難以滿足要求時(shí),此選擇行為愈發(fā)明顯,即選擇跟車還是換道。這是目前相關(guān)的研究無(wú)法解釋的,表現(xiàn)出來(lái)的弊端。
針對(duì)目前研究存在的問(wèn)題,筆者將在分析交織車輛跟車換道行為的基礎(chǔ)上,從駕駛員的角度出發(fā),構(gòu)建跟車換道的效用函數(shù),建立交織車輛跟車換道的二元選擇Logit概率模型,通過(guò)車輛軌跡獲取技術(shù)篩選模型標(biāo)定所需的數(shù)據(jù),對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定,最后采用實(shí)例對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。
交織區(qū)的車輛分為交織車輛和直行車輛,兩者的跟車行為存在較大的差異,主要表現(xiàn)為:在不滿足換道條件下,直行車輛為了追求較大的速度會(huì)緊跟前車;而交織車輛因換道的強(qiáng)制要求,其跟車行為受車輛所處的位置、交通條件等因素的影響,會(huì)有選擇地放棄跟車,轉(zhuǎn)向擠車換道。要模擬交織車輛這種選擇行為,需在分析交織車輛的換道行為的基礎(chǔ)上,從駕駛員的角度出發(fā)建立跟車與換道的效用函數(shù)及概率模型。
交織車輛的換道行為可分為強(qiáng)制換道和擠車換道。如圖1所示,若車輛n與車輛n+1之間的空當(dāng)τn,n+1(即車輛n與車輛n+1之間的車頭時(shí)距)大于等于交織車輛m+1的可接受空當(dāng)τm+1,交織車輛m+1的換道行為是強(qiáng)制換道;否則,交織車輛m+1的換道行為是擠車換道[8],即車輛m+1擠迫車輛n+1讓行(包括:減速讓行、停車讓行、換道讓行)而實(shí)施換道。
圖1 交織車輛換道示意圖Fig.1 Sketch map of lane-changing of weaving vehicles
1.1.1 擠車換道需滿足的交通條件
交織車輛能否成功實(shí)施擠車換道操作需要滿足一定的交通條件,即交織車輛m+1需擠迫車輛n+1讓行,使得τ′n,n+1≥τm+1,否則交織車輛m+1擠車換道失敗。其中,τ′n,n+1為車輛n+1讓行后,車輛n與后車之間的空當(dāng)。車輛n+1的讓行方式不同,τ′n,n+1的計(jì)算公式也不同。
1)車輛n+1減速讓行。假設(shè)在車輛m+1擠車換道期間,車輛n的車速Vn不變,車輛n+1勻減速行駛,完成減速讓行后以勻速繼續(xù)行駛,減速度為d。則,τ′n,n+1的算式為
式中:t為車輛m+1從原車道換到目標(biāo)車道所需的時(shí)間。
2)車輛n+1停車讓行。假設(shè)車輛m+1與車輛n+1的車頭間距為ln+1,m+1,車輛n+1減速停車所需的距離為ln+1,ln+1的計(jì)算公式為
假設(shè)車輛m+1在車輛n+1減速停車期間勻速行駛,則其所行駛的距離為
則
3)車輛n+1換道讓行。車輛n+2為車輛n+1的后車(與車輛n+1同車道),若車輛n+1成功換道,則
車輛n+1的讓行方式有以上3種,但在交織區(qū)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,換道讓行幾率較低,可忽略。原因在于車輛n+1會(huì)選擇換道讓行需滿足以下條件。
①車輛n+1為直行車輛或者已完成交織的車輛;
②車輛n+1右側(cè)車道存在可接受空當(dāng)(由于車輛m+1需向右側(cè)換道,若車輛n+1為直行車輛,只能向右側(cè)換道;若車輛n+1為已完成交織車輛,即已從車道4換道至車道3,那么其也只能向右側(cè)換道。假如車輛m+1位于第3車道,需向左側(cè)換道,情況正好相反,即需滿足的條件為車輛n+1左側(cè)存在可接受空當(dāng))。
同時(shí)滿足條件①與②較為困難,特別是在右側(cè)車道流量較大時(shí),故認(rèn)為車輛n+1讓行方式以減速讓行和停車讓行為主。則,式(1)或式(4)為成功擠車換道需滿足的交通條件。
1.1.2 選擇擠車換道的影響因素
由式(1)與式(4)可知,影響車輛m+1成功擠車換道的因素有多個(gè)(τn,n+1、Vn+1等)。但擠車換道的危險(xiǎn)性在于車輛m+1可能與車輛n+1發(fā)生碰撞,駕駛員在擠車換道時(shí)更多地關(guān)注車輛n+1的行駛狀態(tài),可見τn,n+1與Vn+1是交織車輛m+1是否選擇擠車換道操作的主要影響因素。
1.2.1 交織車輛換道的效用函數(shù)
當(dāng)τn,n+1≥τm+1時(shí),交織車輛m+1可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制換道,肯定會(huì)選擇放棄跟車(即其換道的概率為1),這時(shí)交織車輛的強(qiáng)制換道效用函數(shù)為
當(dāng)τn,n+1<τm+1時(shí),交織車輛m+1的換道為擠車 換 道 ,由 于τn,n+1與Vn+1是 決 定 交 織 車 輛m+1是否進(jìn)行擠車換道的主要影響因素,故可建立交織車輛的擠車換道效用函數(shù)
綜上,交織車輛m+1的換道效用函數(shù)為
1.2.2 交織車輛跟車的效用函數(shù)
若交織車輛m+1選擇繼續(xù)跟車,其面臨的壓力主要來(lái)自于換道的強(qiáng)制要求,交織車輛距離交織區(qū)終點(diǎn)的長(zhǎng)度Dm+1越小,換道壓力越大,可建立交織車輛的跟車效用函數(shù)
假設(shè)變量τn,n+1,τm+1,Vn+1,Dm+1相互獨(dú)立,根據(jù)上式(9)和(10),可建立二項(xiàng)選擇 Logit模型[9],其中交織車輛m+1選擇繼續(xù)跟車的概率為
可化簡(jiǎn)成
式中,a′=a2-a1。
交織車輛m+1選擇換道的概率為
要標(biāo)定模型(11)的參數(shù),需要對(duì)相關(guān)的變量進(jìn)行調(diào)查。需要調(diào)查的變量有τn,n+1,Vn+1,Dm+1,c(j)m+1及τm+1與τn,n+1的大小關(guān)系。
其中:c(j)m+1為車輛m+1在觀測(cè)斷面K 處的實(shí)際選擇行為,j∈{LC(換道操作)、CF(跟車行駛)}。c(){1, 車輛m+1進(jìn)行了j操作 (13)
jm+1= 0, 車輛m+1未進(jìn)行j 操作 顯
其中調(diào)查的流程可按以下步驟來(lái)進(jìn)行。
步驟1。采取攝像的方式來(lái)獲取交織區(qū)的視頻數(shù)據(jù)。
步驟2。用播放器將視頻數(shù)據(jù)按幀批量轉(zhuǎn)換成圖片序列。
步驟3。選取圖片中的特征車輛進(jìn)行標(biāo)記(所謂的特征車輛是指與調(diào)查變量有關(guān)的車輛,即從圖1中可看出有車輛m+1、車輛n以及車輛n+1),采用視頻處理軟件Scanlt提取車輛在圖片中的屏幕坐標(biāo),再將屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成實(shí)際道路平面上的坐標(biāo)(坐標(biāo)的提取及轉(zhuǎn)換方法與文獻(xiàn)[10]及[11]類似)。
步驟4。繪制特征車輛的三維運(yùn)行軌跡圖(三維:X軸、Y 軸、T 軸,見圖2),確定觀測(cè)斷面(可選多個(gè)觀測(cè)斷面進(jìn)行觀測(cè)),在此基礎(chǔ)上篩選出滿足要求的數(shù)據(jù)。
圖2 特征車輛運(yùn)行軌跡示意圖Fig.2 Sketch map of specific vehicle trajectory
1)當(dāng)選定觀測(cè)斷面后,Dm+1=y(tǒng)-ym+1。式中,y為交織區(qū)終點(diǎn)縱坐標(biāo);ym+1為車輛m+1在當(dāng)前觀測(cè)斷面下的縱坐標(biāo)。
2)由于△t=0.2s(案例中視頻的采樣頻率為30幀/s,每隔6幀,即0.2s,取樣車輛位置坐標(biāo)),時(shí)間極其短暫,假設(shè)車輛在該時(shí)間段內(nèi)勻速行駛,則
3)τn,n+1=。式中:Ln,n+1為車輛n與車輛n+1的車頭間距。
4)c(j)m+1的取值可以直接從圖2中看出。
5)確定τn,n+1≥τm+1(即車輛m+1進(jìn)行了強(qiáng)制換道)或τn,n+1<τm+1(即車輛m+1未換道或進(jìn)行了擠車換道)。由于τm+1的取值受駕駛員特性的影響,是駕駛員的期望值,無(wú)法從視頻數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)出其準(zhǔn)確的值來(lái)確定τm+1與τn,n+1的大小關(guān)系,而車輛m+1擠車換道會(huì)引起車輛n+1讓行,根據(jù)該現(xiàn)象,以車輛n+1是否讓行為依據(jù)來(lái)判定車輛m+1的換道類型,并結(jié)合車輛m+1是否換道來(lái)間接推斷τn,n+1≥τm+1或τn,n+1<τm+1。其大小關(guān)系確定流程見圖3。
圖3 τm+1 與τn,n+1 的大小關(guān)系確定流程Fig.3 The judgment process of the relationship betweenτm+1andτn,n+1
對(duì)模型進(jìn)行標(biāo)定前,需對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證。由于c(j)m+1這個(gè)變量是整數(shù)(0或1),同時(shí)判斷也很直觀,沒(méi)有什么誤差;τm+1與τn,n+1的大小關(guān)系這個(gè)變量根據(jù)換道特征來(lái)判斷,問(wèn)題也不大。由于采用車輛軌跡獲取技術(shù)提取的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)存在偏差(偏差控制在5cm之內(nèi)[11]),而τn,n+1,Vn+1,Dm+13個(gè)變量的求解都涉及到縱坐標(biāo),會(huì)引起誤差,需進(jìn)行精度驗(yàn)證。
1)Dm+1的誤差 △Dm+1。由于y為已知的定值,所以 △Dm+1的值主要由ym+1的誤差決定,即△Dm+1≤0.05m。
2)Vn+1的誤差 △Vn+1?!鱏的誤差在2×0.05 m=0.1m之內(nèi),故
3)τn,n+1的誤差 △τn,n+1。由于Ln,n+1=y(tǒng)nyn+1,故 其 誤 差 在 0.1m 之 內(nèi),則 △τn,n+1≤,本文案例中Vn+1的最小值為3.0m/s,故
由上可知,基于車輛軌跡獲取技術(shù)對(duì)模型的相關(guān)變量進(jìn)行調(diào)查所篩選的數(shù)據(jù),其精度是比較可靠的。
模型參數(shù)的標(biāo)定可采用最大似然估計(jì)法對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。
式中:N為樣本容量,即模型變量觀測(cè)數(shù)據(jù)的組數(shù),為各個(gè)觀測(cè)斷面觀測(cè)數(shù)據(jù)組數(shù)的總和。
將式(15)兩邊取對(duì)數(shù),并對(duì)a′,b1,c1,b2求導(dǎo),令導(dǎo)數(shù)為0,可得
對(duì)于式(16)這個(gè)非線性方程組,很難求得其精確解。在指定的精度要求下,可借助數(shù)學(xué)軟件Matlab,采用牛頓迭代法求解參數(shù)a′,b1,c1,b2的近似值[12]。
可采用命中率法[14]對(duì)交織車輛跟車換道的二項(xiàng)選擇Logit模型進(jìn)行精度檢驗(yàn),檢驗(yàn)流程為:
1)將原樣本τn,n+1,Vn+1,Dm+1,τm+1與τn,n+1的大小關(guān)系及估計(jì)參數(shù)a′,b1,c1,b2代回式(11),計(jì)算跟車的估計(jì)概率(j)m+1,j∈ {LC、CF}。
2)車輛m+1的估計(jì)選擇行為為
3)則估計(jì)選擇j操作命中的總量為
4)與原觀測(cè)樣本中選擇j操作總量Nj進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算命中率:一般命中率都達(dá)到80%以上時(shí)就可以認(rèn)為精度達(dá)到了要求。
烏魯木齊市廣匯立交東向西外環(huán)高架集散車道交織區(qū)共4車道,為A型交織區(qū),長(zhǎng)度為98m,高 峰 流 量 很 大 (調(diào) 查 獲 知 高 峰 流 量 為4 1 8 7輛/h),飽和度較高。交織車輛需在如此短的距離內(nèi)完成換道,換道空當(dāng)又較難滿足要求,不得不對(duì)跟車換道操作進(jìn)行權(quán)衡,表現(xiàn)出明顯的選擇行為。2014年10月15日對(duì)該交織區(qū)的早高峰(09:30~10:30時(shí))交通流進(jìn)行了視頻攝像,選取其中3min的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用車輛軌跡獲取技術(shù),從中篩選出了模型的相關(guān)變量數(shù)據(jù)150組(其中NCF=100,NLC=50)作為模型的標(biāo)定樣本。部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。
將該150組數(shù)據(jù)代入式(16),采用牛頓迭代法來(lái)求非線性方程組的近似解,其迭代初始值選為[20,20,1,1],迭代精度設(shè)為0.001,迭代次數(shù)為100次,最終的求解結(jié)果為:a′=17.754,b1=16.062,b2=0.127,c1=-0.877。選擇置信水平α=0.025,則(4)=11.143,計(jì)算得 -2[L)-L(17.754, 16.062, 0.127, -0.877)]=11.316>χ20.025(4),故認(rèn)為模型參數(shù)整體有效性能滿足要求。則交織車輛m+1選擇繼續(xù)跟車的概率為
換道的概率為
表1 模型變量數(shù)據(jù)Tab.1 The variables of the model
以命中率作為模型精度的檢驗(yàn)指標(biāo),統(tǒng)計(jì)出
N′LC=50,N′CF=99,則可得φCF=99.0%,φLC=100.0%,可見模型能很好地模擬交織車輛的跟車換道行為,其精度高達(dá)99.0%。
筆者從跟車換道行為的實(shí)施者——駕駛員的角度出發(fā),在研究車輛換道行為的基礎(chǔ)上,選擇駕駛員跟車換道行為的影響因素,構(gòu)建效用函數(shù),建立二元選擇Logit模型模擬駕駛員的這種選擇行為。由于Logit模型是非集計(jì)模型,能充分利用各類型駕駛行為的數(shù)據(jù),包含各種跟車換道行為;較目前有關(guān)研究交織車輛的跟車換道模型更具有代表性。選擇命中率作為指標(biāo),采用實(shí)例對(duì)模型的有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明,該模型的精度非常高,達(dá)到了99.0%。交織車輛跟車換道選擇概率模型的建立可為了解交織區(qū)的運(yùn)行規(guī)律和交通仿真提供支撐。
雖然筆者對(duì)Logit模型的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定,但是特征車輛的軌跡數(shù)據(jù)的采集靠人工完成,工作量較大;如何采用實(shí)現(xiàn)特征車輛軌跡數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集有待進(jìn)一步研究。
[1] HIDAS P.Modeling Vehicle Interactions in microscopic simulation of merging and weaving [J].Transportation Research,Part C(S0968-090X),2005,13(1):37-62.
[2] WEN L.A multi-commodity Lighthill-Whitham-Richards model of lane-changing traffic flow[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences ,2013,80(3):658-677.
[3] MARCZAK F,DAAMEN W,BUISSON C.Empirical analysis of lane changing behavior at a freeway weaving section[C].Transport Research Arena Conference,Paris,F(xiàn)rance:European Road Transport Research Advisory Council,2014.
[4] 史峰,周文梁,劉芬芳,等.基于元胞自動(dòng)機(jī)的雙車道環(huán)島交通流特性研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,41(4):1616-1622.SHI Feng,ZHOU Wenliang,LIU Fenfang,et al.Two-lane roundabout traffic flow characteristics based on cellular automation[J].Journal of Central South University:Science and Technology Edition,2010,41(4):1616-1622.(in Chinese)
[5] 劉小明,王秀英.基于信息交互的元胞自動(dòng)機(jī)換道行為模型研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2010,27(10):3826-3828.LIU Xiaoming,WANG Xiuying.Study of vehicle lane-changing behavior model of cellular automata based on information interaction[J].Application Research of Computers,2010,27(10):3826-3828.(in Chinese)
[6] AL-JAMEEL H A.Developing a new hybrid safety car-following model[J].Kufa Journal of Engineering,2014,5(2):47-60.
[7] 李有軍,曹珊.基于元胞自動(dòng)機(jī)的強(qiáng)制換道模型研究[J].交通信息與安全,2009,27(3):78-80.LIU Youjun,CAO Shan.Compulsory lane-changing traffic model based on cellular automaton[J].Journal of Transport and Safety,2009,27(3):78-90.(in Chinese)
[8] 鄒智軍,楊東援.微觀交通仿真中的車道變換模型[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2002,15(2):106-108.ZOU Zhijun,YANG Dongyuan.Lane changing model for micro traffic simulation[J].China Journal of Highway and Transport,2002,15(2):106-108.(in Chinese)
[9] 陳玉寶,郭振昌,曾剛,等.基于Logit模型的航班延誤后乘客行為選擇研究[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào),2013,31(6):60-64.CHEN Yubao,GUO Zhenchang,ZENG Gang,et al.Research on passenger′s behavior choice after flight delay based on logit model[J].Journal of Civil Aviation University of China,2013,31(6):60-64.(in Chinese)
[10] 呂劍,史其信,楊新苗.基于運(yùn)動(dòng)軌跡采集的混合交通特征研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2009,33(1):1-4.LYU Jian,SHI Qixin,YANG Xinmiao.Research of mixed traffic based on trajectories capture[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science & Engineering Edition,2009,33(1):1-4.(in Chinese)
[11] 劉博航,裴玉龍,徐慧智.基于視頻處理的車道變換軌跡獲取技術(shù)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,12(3):7-11.LIU Bohang,PEI Yulong,XU Huizhi.Lanechanging track access technology based on video[J].Journal of Harbin University of Science and Techenology,2007,12(3):7-11.(in Chinese)
[12] 王燕,吳文峰,范展,等.一種新的穩(wěn)健波束形成算法及其一維搜索策略[J].物理學(xué)報(bào),2014,63(15):25-32.WANG Yan,WU Wenfeng,F(xiàn)AN Zhan,et al.A new robust adaptive beamforming and the one-dimensional search strategy[J].Acta Physica sinica 2014,63(15):25-32.(in Chinese)
[13] 王樹盛.都市圈軌道交通客流預(yù)測(cè)理論及方法研究[D].南京:東南大學(xué),2004.WANG Shusheng.The theory and method study of metropolitan rail transit passenger forecast[D].Nanjing:Southeast University,2004.
[14] 吳志周,范宇杰,陶佳,等.城市軌道交通公共自行車換乘需求預(yù)測(cè)方法研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2013,37(5):919-923.WU Zhizhou,F(xiàn)AN Yujie,TAO Jia,et al.Bikeand-ride demand forecasting in urban rail transit station[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science & Engineering Edition,2013,37(5):919-923.(in Chinese)