平面交叉口交通运行秩序评价与模拟

第1章 绪论 想象建构的秩序深深与真实世界结合；想象建构的秩序塑造了我们的欲望；想 象建构的秩序存在于人与人之间思想的连接。身为人类，我们不可能脱离想象所 建构出的秩序。——《人类简史》 1.1 本书研究背景及意义 城市交通作为城市发展的着眼点之一，巨量存在的交叉口是城市道路网的关键节点，长期以来受到城市管理部门的关注。近年来，交叉口精细设计和管理的相关研究广受学者的关注与讨论。与此同时，基于大数据与人工智能的现代化智能技术为解决城市交通与交叉口问题带来了新的技术与契机。无论基于传统模型优化还是基于现代智慧科技，以交叉口交通秩序作为评价指标是发挥交通管控优化效果的基本保障。同时，交叉口管理与控制的不断优化也建立在良好的交通秩序水平上。然而，城市道路中的交叉口的复杂程度高，交通秩序问题普遍存在，导致优化效益降低甚至失效，继而使交叉口功能无法正常稳定地发挥。准确量化与评价交叉口秩序程度是提高交叉口设计与管理水平中必要的步骤之一。 在交叉口评价和优化理论体系中，现阶段主要针对运行安全与效率提出一系列的评价与优化方法。然而，交通秩序是优化交通安全和效率的基础与保障。虽然在理论层面，保障交叉口秩序的重要性得到了普遍的认可。但交叉口秩序水平仍然是一个较为主观的概念，目前尚未明确应采用何种可测的客观指标才能与人对有序和无序的主观感知相契合，从而无法提出有针对性的交通秩序优化方法。目前一系列提高交叉口运行效率和安全的优化方法均是在交通流可控的前提下进行的，一旦交叉口交通秩序无法保障，现有方法都存在优化效益难以发挥甚至失效的隐患。因此，保障交叉口交通秩序是各项交通管理与控制措施效益稳定发挥的基础，对信号控制交叉口交通秩序评价和优化进行研究将进一步推进交通评价和优化理论的发展。 本书是在提升城市道路交通运行秩序的背景下撰写的。量化信号控制交叉口交通秩序评价，并构建交叉口冲突交通流轨迹分布模拟方法，从而完善信号控制交叉口评价体系。具体研究意义包括以下几点。 1. 开发信号控制交叉口交通秩序测量方法 现阶段研究还未有明确的测量信号控制交通秩序的方法。本书从人的主观感知入手，参考交通主观评价与感知研究相关文献，根据交通秩序的特征选取合适的主观评价量表，并开展预调研，对量表进行优化。确定了测量和量化信号控制交叉口交通秩序主观评价的方法，为后续测量交通秩序的研究提供方法思路。 2. 构建信号控制交叉口交通秩序评价模型 目前现有的交通秩序评价模型仅对交叉口交通秩序进行定性分析，并未进一步展开定量分析。导致难以实现对交叉口交通秩序的细致评价，进而无法对影响交叉口交通秩序的主要因素进行分析与讨论。本书通过对主观交通秩序的定量测量，构建了交通秩序预测模型，分析了影响交叉口交通秩序的主要因素，为后续开展交通秩序研究提供基础。 3. 建立交叉口冲突交通流轨迹分布模拟方法 本书针对信号控制交叉口，在考虑驾驶员行为特性的基础上，建立能够真实描述驾驶员在交叉口通行轨迹的模型，并提出了参数拟合方法，为描述交叉口通行轨迹离散性提供有效方法。更进一步地建立了无左转相位保护交叉口的冲突交通流模型，以描述交叉口中复杂交通流的轨迹离散性，完善了交叉口交通流模型体系。 1.2 本书研究内容 本书以实现交叉口交通秩序可评价和可再现为目标，将研究内容分为五部分，分别是数据采集与预处理（第 2 章）、交叉口交通秩序主观评价方法（第 3 章）、交叉口交通秩序客观评价方法（第 4 章）、交叉口车辆二维运动轨迹建模（第 5章）和交叉口冲突交通流轨迹分布模拟（第 6 章）。 1. 数据采集与预处理 为了精确反映交叉口内部车辆运行状况，本章选择无人机航拍和车辆识别的方法，对共计 24 个信号控制交叉口进行轨迹数据的采集。然后，通过清除异常冗余数据、筛选交叉口内部数据和清除样本量不足数据的方法对轨迹数据进行数据预处理，从而得到更为精确的轨迹数据。 2. 交叉口交通秩序主观评价方法 以视觉模拟量表为基础，开发交通秩序主观评价量表，并搭建测试平台。为确保测量方法的有效与可行，开展预调研。根据预调研的结果对开发的量表进一步优化与改进。*后开展正式调研，并对结果进行信度和效度分析。 3. 交叉口交通秩序客观评价方法 以多层感知机神经网络模型为基础，从数据增强和超参数优化两个层面对基础模型进行优化，构建交叉口交通秩序客观评价模型，实现交叉口交通秩序可评价。然后对模型结果进行讨论，对六个影响因素进行敏感性分析，探究影响交通秩序的主要因素。 4. 交叉口车辆二维运动轨迹建模 基于*优控制理论，考虑驾驶员行为（包括方向盘和制动踏板/加速踏板控制），建立二维平面交叉口通行轨迹模型，以起始状态和终端状态作为模型输入，建立动态系统，以成本函数为优化目标，根据实际情况设置合理的模型约束。通过情景设置、参数分析和实际数据仿真对比来验证模型的描述力、合理性和准确性。 5. 交叉口冲突交通流轨迹分布模拟 在通行轨迹模型和参数拟合方法的基础上，考虑更为复杂的车辆间相互影响，构建交叉口冲突交通流轨迹分布模拟方法，实现交叉口交通秩序可再现。通过实际数据仿真对比验证模型的准确性，并对轨迹离散性的影响因素进行分析。 1.3 交叉口交通评价概述 本节从交叉口运行效率、安全和秩序三个方面概述现有研究进展，然后对三方面研究进行总体评述。 1.3.1 交叉口运行效率评价 通行能力分析是交叉口运行效率评价的主要方法，受交通流构成、车辆性能、行驶环境、驾驶行为以及道路交通管理水平等多方面的影响，许多国家都根据本国交通运行特征，编制了规程或手册指导实践应用 [1，2]。信号控制交叉口运行效率主要评价指标包括通行能力、延误和排队长度 [2]。其观测方法主要包括人工、线圈、浮动车、视频等 [3，4]，通过对固定断面进行数据采集，并基于数理统计、交通波理论和仿真模拟等方法 [4，5]，得到评价参数。近年来，随着观测手段的提高，可利用手机全球定位系统（global positioning system，GPS）、车载 GPS、卡口、视频等数据实现饱和流率、延误和排队长度的动态检测或估算 [6，7]，为更高效的实时控制、方案制定和实施效果评价提供了数据支撑。 目前的研究重点在于，解析交通特性、几何设计和管理控制等因素对通行能力、延误和排队长度的影响。除了交通需求、车型、上游信号控制、转向交通流、车道利用率、行人、非机动车、路边停车、公交停靠、车道宽度、坡度、进出口车道数匹配、信号控制类型等传统影响因素外，近年来关于地域特征 [8]、车联网环境 [9]、行人过街 [10]、左转待行区 [11]、短车道 [12]、公交优先控制 [13]、限速 [14]、非常规交叉口[15，16] 等特殊外部影响因素的研究日益丰富，管理控制措施对通行行为的影响正越来越受到研究人员的关注。 1.3.2 交叉口运行安全评价 交叉口运行安全评价方法主要有基于交通事故资料统计分析的直接评价方法和基于交通冲突的间接评价方法。其中，直接评价方法依赖于历史事故统计资料，在交通事故分类的基础上，通过对交通、道路、管理控制、行为和驾驶环境等交叉口交通安全性影响因素与事故特征的相关性分析，总结事故发生规律，预测事故数和发生概率 [17]。间接评价方法以交通冲突数与交通事故数之间存在显著相关关系为基础 [18，19]，通过对冲突点的观测，利用距离碰撞时间、后侵入时间、距离事故时间、减速度、停车距离比等指标，从交通事故发生的可能性和严重性两个层面来评价和分析交叉口交通安全水平 [20，21]。 目前的研究重点在于，利用人工、仿真模拟、驾驶模拟实验和视频识别等方法获取数据[22.24]，解析影响信号控制交叉口安全的显著因素。近年来关于限速 [25]、信号控制 [26]、交通设施 [27]、车联网环境 [28]、非常规交叉口[29] 等交通设计、管理、控制措施对交叉口安全影响的研究日益丰富，反映出交叉口通行行为在个体间的差异性正越来越受到研究人员的关注。 1.3.3 交叉口运行秩序评价 相比交通效率和安全丰硕的研究成果，交通秩序评价研究进展缓慢。我国曾颁布《道路交通秩序评价》（GA/T 175—1998）的行业标准 [30]，将交通秩序定义为道路上车辆、行人有序或无序的交通状况。但该标准中具体的交通秩序评价指标只是将交通量、行程车速、行车延误、违章率等关于交通设施、需求、效率、安全的指标进行加权计算，无法对交叉口交通秩序进行细致描述。也有研究基于交叉口与路段的速度比、事故率、违章率、延误、管理水平、饱和度等指标对交叉口交通秩序进行了综合评价 [31]，但评价指标仍较为宏观。为此，刘金广等从交通流微观运行角度，综合考虑了交叉口行人自行车聚集群与机动车流的冲突区域数量和冲突时长，建立了信号交叉口混合交通秩序模型 [32]。李文勇等增加了对交叉口几何条件的考虑，基于交叉口合流、分流、交叉点数量定义了交叉口复杂度，并结合车道配置、信号相位、交通流等参数建立了交叉口秩序模型 [33]。于泉和周予婷考虑了右转半径、行人与机动车通过冲突区域的时间以及行人、非机动车通行路径，对信号控制交叉口人行横道交通秩序进行了评价 [34]。 1.3.4 相关评述 虽然城市交通管理的核心目标是有序、安全、通畅 [35]，但目前的研究主要关注效率和安全，忽视了交通秩序。现有交叉口交通秩序的评价方法多为交通效率和安全评价指标的组合，未能针对交通秩序给出特定的评价指标，因而无法反映秩序评价定义中有序或无序的交通状况。近年来，在优化设计中也有越来越多的研究描述其优化方法有助于保障交通秩序，但由于缺乏有效的交通秩序定量评价指标，现有研究均未对这一效益进行量化。可见，目前信号控制交叉口交通秩序仍是一个主观且模糊的概念，关键是缺少能定量反映有序或无序交通状况的客观指标。本书在第 3 章进行交叉口交通秩序主观评价的基础上，在第 4 章给出交叉口交通秩序客观评价方法，实现交叉口交通秩序可评价。 1.4 微观交通流模型概述 自 20 世纪 50 年代以来，研究人员建立了许多交通流模型来分析各种复杂的交通现象，主要分为两类：宏观交通流模型和微观交通流模型。宏观交通流模型是将连续跟驰的车辆看成一个连续的流体，并用与流体力学相近的模型进行建模。微观交通流模型是交通动力学中*早提出的一种模型，其基本假设为驾驶员的驾驶行为受前车影响，即会根据前车的行为调整自己的驾驶行为。微观交通流模型主要描述的是单个车辆的纵向和横向行为，即跟车和换道行为。交叉口微观交通流模型是研究微观交通运行影响机理的重要方法，而车辆间的相互作用及由此引起的交通流变化都是在考虑交通运行内部和外部影响因素的情况下进行深入分析的。常用的交叉口微观交通流的建模方法主要有三种：跟驰换道模型、元胞自动机模型、社会力模型。 1.4.1 跟驰换道模型 跟驰换道模型描述了在限制超车的单行道上行驶车队中相邻两车之间的相互作用，主要可分为刺激-反应模型、安全距离模型、心理-生理模型和基于人工智能的模型。刺激-反应模型的基本思想是在车辆跟驰过程中，驾驶员的刺激反应来源于当前车辆与其前车之间的速度差，经过反应延迟后，驾驶员以改变加速度作为对该刺激的回馈，回馈对刺激的敏感性程度用敏感系数来表示。安全距离模型的主要思想是驾驶员期望与前车保持安全车头时距，当前车突然制动时，驾驶员能够有时间做出反应并减速停车，以免发生碰撞。心理-生理模型的基本思想是一旦跟驰车辆驾驶员认为其与前车之间的距离小于心理安全距离，跟驰车辆驾驶员就会开始减速。由于跟驰车辆驾驶员无法准确判