面向港区平面交叉口安全性评价的微观交通仿真模型

Microscopic Traffic Simulation Model for Port Intersection Safety Evaluation

Han Xiaotao；Zhong Shiquan； Ma Shoufeng

（Institute of System Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

摘要： 本文基于交通冲突技术（TCT），通过建立港区交叉通流微观仿真模型，对影响港区交叉口安全性的主要冲突类型进行分析评价。结合港区道路交通特性，仿真模型引入车型参数控制因素，以车辆间冲突制动距离为评价指标，并对大型车辆弯道行驶轨迹及其产生的冲突进行了分析，通过采用改进的二维元胞自动机模型，对车辆在元胞中的加速、减速以及位移规则进行了改进。通过仿真得出，在实验条件下，跟驰冲突是影响平面交叉口安全性的主要冲突类型，侧面冲突是影响交叉口通行能力的主要冲突类型，仿真结果及分析表明了本文交通仿真模型的有效性。

Abstract: In this paper, by analyzing the port traffic characteristics, a port intersection traffic flow simulation model is established based on traffic conflict technique（TCT）.Based on vehicle parameters, braking distance between vehicles is used for the conflict identification and definition. The paper first analyzes the conflict types of intersection, emphasizing on traits of traveling curve of large vehicles and the resulting conflicts. By using improved two-dimensional cellular automaton model, vehicle's acceleration, deceleration and displacement rules are improved, and simulation results present the main conflict types that affect the safety and capacity of port intersection, at last, the validity of the model is verified.

关键词： 交通冲突 港区 交叉口 二维元胞自动机 仿真 安全评价

Key words: traffic conflict；port；intersection；two-dimensional cellular automaton；simulation；safety evaluation

中图分类号：U121文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）29-0001-02

0引言

现实表明，交叉口是道路交通的瓶颈，也是交通事故的多发地带，道路交叉口安全设计对整个路网的通行能力和安全性有重要影响，因此在交叉口设计中，对其安全性进行研究意义重大。国内外对城市道路交叉口安全性评价的研究已经取得了一些成果[1]-[9]，主要采用调查统计和仿真的方法对交通安全性及影响因素进行研究。已有研究成果的研究对象主要是城市路网，绝大部分机动车为小汽车。在港区路网中车辆构成相对复杂，大型车辆比例较大。由于大型车辆和小汽车的运动力学特性如加减速、跟车等交通特性差异很大，而这些性能直接影响交叉口安全性，因此对港区交叉口安全性进行评价时，不能完全按照城市道路交叉口安全性评价方法进行。本文主要采用仿真方法建立港区平面交叉口微观仿真模型，提取评价指标，对模型有效性及港区交叉口安全性进行评价。

1面向港区平面交叉口安全性评价的微观交通仿真模型

本文采用二维元胞自动机模型来描述港区交叉口微观仿真模型。

1.1 交通冲突制动距离交通冲突制动距离是交叉口安全性评价的一个重要参数，仿真中的车辆潜在交通冲突区域及严重程度是根据制动距离来进行划分的，不同类型、不同初始速度和驾驶行为的车辆，其交通冲突的制动距离有很大的差别。考虑驾驶员反应时间、制动力产生时间及制动力增长时间等参数，交叉通冲突中的制动距离s可简化为[9]：s=v■（t■+■t■）+■（1）

上式中，vo表示汽车初速度，可以通过相似路口调查统计得到；t2表示开始踏下踏板到汽车上出现制动力所经过的时间，t3表示制动力增长时间，jmax表示汽车最大制动减速度，t2、t3、jmax可以通过不同类型车辆的动力学特性实验得到。

1.2 大型车辆交通冲突轨迹列车-半挂车结构车辆在交叉口转弯时，牵引车头与半挂车不在同一直线上，车头和半挂车正常转弯轨迹为圆弧形，而刹车制动时，车头会沿车轮位置沿直线前进，半挂车绕铰接点以圆弧轨迹逐渐顺直，直行流与右口左转流情况下的大型车辆交通冲突轨迹如下图1a所示。

如下图1a所示，左转车辆以半径为r的弧度转向目标车道，当直行车辆C2突然制动时，右口左转车辆C1为避免与C2碰撞而进行刹车制动，C1车头沿着行车方向继续前进，当车头左侧位置分别在A1和A2时，制动后行进到与车辆C2碰撞的最长距离分别为s1和s2，在已知车型、初始车速等条件下，制动距离s可由公式（1）得到，因此比较s与s1、s2的大小可判断车辆是否存在潜在冲突。上述冲突情况是直行车辆与右口左转车辆的冲突轨迹，大型车辆不同冲突角度的轨迹是不同的，上图1b为右转车辆与右口左转车辆发生冲突的轨迹示意图。图1b中，两辆车D1，D2在正常情况下均按圆弧轨迹行进，当D2突然制动时，车头仍按轨迹继续直线前进，半挂车随铰接处绕一定的弧度前进。为避免碰撞，车辆D1也进行刹车制动，其车头向前运行，D1车头在不同角度下与D2的潜在冲突点分别为A2，B2，C2，为避免发生碰撞，车头位置在A1，B1，C1点时，对应制动距离s需要小于s1、s2、s3。其他角度下的冲突与上述两种情况类似，不再赘述。

1.3 交通冲突区域的仿真描述及冲突严重程度判别本文采用二维元胞对交叉口仿真区域进行描述，每个元胞的长宽均为1.25米，由于大型车辆宽度一般不超过2.5米，所以车辆宽度占有的元胞数最多不超过3个。交叉口区域被二维元胞离散后，仿真中需要采用元胞数量及元胞位置来描述车辆的运行轨迹，下图为大型直行车与右口左转车辆冲突中车辆位置及元胞表示图。

交叉口安全性评价中，需要根据交通冲突次数和严重程度进行评价。本文根据当前车辆和相邻车辆占用元胞的重叠程度对交通冲突及严重程度进行判别。将冲突严重程度分为三级：一般冲突，中等冲突，严重冲突，其对应重叠的元胞数分别为1，2，3及以上。值得注意的是，重叠只是在车辆没有采取紧急措施情况下才会发生，是一种存在的可能性，并不表示一定碰撞了，另外，二维元胞上是一种位置的近似表达（车辆边角处并没有充满整个元胞），也并不意味着两个元胞重叠实际车辆就发生了接触。

1.4 仿真行驶规则车辆在通过交叉口的，必然也受到前方车辆的影响，其仿真驾驶行为在本文微观模型中采用以下几个方面进行概括：

1.4.1 加速规则：如果v（t）?燮v■■，?坌?姿∈[0，1]，如果?姿＜ηk，则a∈[1，A■■]，v（t+1）=min（v■■，v（t）+a），其中v（t）表示t时刻的速度，v■■表示k型车辆在交叉口行驶的最大速度，ηk表示k型车辆的加速概率，A■■表示k型车辆在交叉口行驶的最大加速度。

1.4.2 减速规则：在普通元胞模型中，车辆之间的最小距离为零，相邻车辆占有的元胞不会出现重叠现象，因此不能判定冲突的严重程度。本文模型不设置最小距离，根据驾驶行为和车辆动力学特性确定仿真中车辆之间出现的元胞重叠情况，用来进行冲突严重程度判别。如果s（t，k，v（t））?燮si（t），则v（t+1）=max（0，v（t）-D■■），其中s（t，k，v（t））表示k型车在时刻t、初始速度v（t）下的最小制动距离，si（t）为当前车辆在方位i制动后的运行距离，D■■表示k型车辆在交叉口行驶的最大减速度。

1.4.3 位移规则：x（t+1）=x（t）+vx（t），y（t+1）=y（t）+vy（t）。其中vx（t）表示在t时刻x轴方向的以元胞数表示的速度，其中vy（t）表示在t时刻y轴方向的以元胞数表示的速度。

2数值仿真

2.1 仿真环境采用十字标准交叉口进行仿真。交叉口入口车道均为3车道,车道宽度为3.75米，采用二维元胞对交叉口进行网状分割，元胞长宽均为1.25米，仿真车型分为三种，分别为大型车（长度10米的列车-拖挂车），中型车（长度6米的列车-拖挂车）和小型车（长度5米的小汽车），控制信号采用二相位固定配时，周期为90秒。不同车型在交叉口自由流速度为30km/h-40km/h。交叉口四个入口处上游的发车频率区间为[0.2，0.6]，呈周期性变化来模拟各时段交通流量。交叉口采用固定配时信号，周期为120秒。

2.2 仿真结果及分析

2.2.1 交通冲突次数的时段分布本次实验的仿真时间为早上6点到晚上22点，共计57600秒。下图3为不同时段冲突数据。可以看出，从冲突次数来看，一般冲突的数量远远大于中等冲突和严重冲突，全天统计总数达到951次。中等冲突和严重冲突之和的总数为355次，仅为一般冲突的三分之一。严重冲突次数较少，全天统计仅为72次，且部分时段的冲突数为0次。但从图3可知，虽然不同类型冲突的统计次数不同，但其峰值都出现在7-9点、12-14点、下午18-20点之间，而这些时段为仿真交叉口早、中、晚三个高峰交通流量区间，这说明冲突次数与交叉口流量的大小是正相关的。要减少交通冲突次数，需要特别加强流量较大时段的交通管理和组织措施。

2.2.2 交通冲突比例的时段分布下图4为各时段的交通冲突类型比例。由图4可以看出，交通冲突类型比例没有按呈现出高峰和非高峰特征，这说明交通冲突类型的比例与通过交叉口的交通流量大小关系不大。由上图可知，跟驰冲突的比例远大于正面冲突和侧面冲突比例，侧面冲突比例最小，一方面是由于交叉口参与跟驰的车辆比例较大，导致跟驰冲突次数增加，另一方面是与司机的驾驶行为相关，一般来说，跟驰冲突造成的事故远小于正面和侧面冲突，司机的警惕性相对较小，而在其他的冲突形式特别是侧面冲突中，很容易造成人员伤亡事故的发生，司机驾驶也更加小心，这也是符合现实驾驶规律的，从另一个侧面也证明了本文仿真模型的有效性。

2.2.3 交通冲突对交叉口通行能力的影响将交叉口四个入口处上游的发车频率区间设为[0.4，0.5]，通过交叉口区域车辆的平均速度来考查不同类型交通冲突对交叉口通行能力的影响。由于这10次仿真试验的交通流发生强度基本一致，因此可以采用不同类型和数量交通冲突条件下的平均速度来反映交叉口通行能力。下图5为120分钟内，交通冲突次数、类型与交叉口平均车速关系图。

通过对表中数据进行相关性分析，得到跟驰冲突、正面冲突、侧面冲突与车辆平均车速的线性相关性分别为-0.17、-0.15、-0.76，这说明侧面冲突对交叉口的通行能力影响最大，而跟驰冲突和正面冲突与平均的关系相对不明显。同时我们也能通过上图各曲线之间的关系定性分析各冲突与车速数据之间的关系，而在存在侧面冲突的统计周期，通过交叉口的车辆的平均车速降低明显，证明了上述相关性分析的正确性。通过分析可知，在交叉通冲突的控制措施方面，应该特别注重减少侧面冲突的发生次数。

3结束语

本文对港区平面交叉口上比例较大的大型货运车辆转弯行驶轨迹进行了分析，通过建立二维元胞模型，对元胞加速、加速、位移规则进行了改进，通过港区平面交叉口微观交通仿真，得出跟驰冲突是影响平面交叉口安全性的主要冲突类型，同时侧面冲突是影响交叉口通行能力的首要冲突类型。

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