行人过街行为特性的双层动力学建模与仿真研究

摘要

在人类的历史中，步行一直扮演着交通出行方式中开端和终端的重要角色。在“以人为本”思想的指引下，步行交通愈来愈受到交通管理者、研究者和出行者的关注。作为全部交通参与者中最易受伤害的行人群体，如何保障其在出行过程中安全是所有步行交通研究的中心点和重点。在常规情况下，行人在交通环境中最为危险的情境发生于过街时，尽管有信号灯、人行横道线和其他保护性交通设施的存在，但是，行人始终面临着与其他交通方式的竞争。若可以提高行人过街的效率，不但可以优化交通设施权属分配，提高城市交通系统运行效率，同时，也可以相应增强行人过街安全性和舒适性，从根本上解决“中国式过马路”这一管理难题。基于此，论文以大量的、富有针对性的调查数据为基础，系统分析和研究行人过街行为和特性，分别对中观行人过街决策行为和微观行人过街运动行为建模，将两个模型有机结合，从而建立可靠的行人过街行为双层动力学模型，通过计算机仿真的手段，提出行人过街设施的设计方法和步骤，在理论和实践两个角度对提高行人过街交通的效率、舒适性和安全性都具有一定的指导意义。
　　本文从行人过街行为的现象入手，选用人工调查法与视频调查法相结合的调查方法，通过对南京市4处平面交叉口的过街行人进行调查，从宏观与微观两个角度分析了行人过街行为的时空变化特性。重点分析过街行人流的速度、密度和流量等宏观特性，深入探究过街行人在速度变化、方向变化、起始位置选择等方面的微观特性，最后总结和归纳行人过街过程中出现的自组织现象规则。研究结果显示，过街行人到达分布服从负二项分布，南京市行人的理想过街速度为1.34m/s。行人在过街时更倾向于保持常速状态，少有选择加速或减速状态。行人进入过街设施时更喜欢选择中间区域的位置，而终点位置选择与起点位置的直线偏差不会太大，同时，行人过街走行方向主要集中在80°至100°区间内，呈现出行人倾向于按直线行走的特点。并从群体的角度归纳了行人过街行为的六项规则。
　　在行人过街行为特性分析的基础上，根据过街情境下行人过街行为的理论框架，将行人过街行为划分为战略层、战术层和操作层三个层级。以OWA算子为基础建立了行人过街短时路径决策模型。将成对比较法与OWA算子相结合，用以解决行人过街短时路径规划这一多目标决策问题。定义行人过街路径的最小成本，确保用户在计算每条路径成本的过程中能够使用多种决策策略，并且在选择过程中允许替换路线。提出最小鲁棒性路径成本的路径规划算法用以解决不同决策方案下的最佳路径选择问题。同时，利用Matlab GUI平台进行了原型系统开发，可实现基本特性输入、相对权重设置以及决策策略选择，并生成相应的决策路径。
　　在行人过街行为特性分析和行人过街决策模型的基础上，进一步建立了行人过街运动模型。以离散选择模型为基础，对行人过街的微观运动行为进行了建模。重点针对行人个体过街行为结构中操作层的行为进行了建模，包括约束和无约束两种行为模式。约束行为模式是由于与其他个体的交互作用而产生的，用跟随模式和冲突模式表示。这些模型捕获了人群行为特征的自组织效应。设计了比较完整的模型验证程序，并通过计算机仿真和数理统计进行测试，用第二章数据分析结果进行验证和校准保证了模型在类似的情景下表现良好，并且在用于预测时发现模型特性具有鲁棒性。
　　以行人过街行为基本理论中战术层和操作层的交互为切入点，通过计算机仿真的手段，将对向行人流运行状态区域分为起步区、波动区以及交织区，并对状态判别区域范围进行量化。引入行走负效应概念，建立人行横道状态评价指标与分级体系，提出行人交织区的三级运行状态，并与HCM2010手册中人行设施分级部分进行对比。同时，结合仿真数据，研究不同人行横道宽度与其通行能力的关系，进而提出人行横道宽度设计方法;对不同过街延误影响因素进行分析，综合过街时间，延误占比和局部密度水平等指标，研究负效应与延误的相关性，并以此指导行人过街最小绿灯时长设计。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 行人过街行为基础理论研究

1．2．2 行人过街交通流特性研究

1．2．3 行人过街行为特性与心理特性研究

1．2．4 行人过街冲突特性研究

1．2．5 行人动力学模型研究

1．2．6 行人过街设施设计研究

1．3 国内外研究现状分析

1．3．1 现有研究总结

1．3．2 现有研究不足

1．4 主要研究内容

1．5 研究技术路线

第二章 行人过街行为特性分析

2．1 行人过街行为调查方法

2．1．1 调查方法

2．1．2 调查地点

2．2 过街行人交通流的宏观特性分析

2．2．1 过街行人流量特性分析

2．2．2 过街行人流密度分析

2．2．3 过街行人速度特性分析

2．3 行人过街行为的微观特性分析

2．3．1 过街行人起终点位置选择特性分析

2．3．2 过街行人速度变化特性分析

2．3．3 过街行人行走方向变化特性分析

2．4 行人过街基本运动规则

2．5 本章小结

第三章 行人过街短时路径决策模型

3．1 双层模型架构

3．1．1 行人过街行为的层次结构

3．1．2 双层模型架构

3．2 决策过程

3．3 决策方法

3．3．1 路段评价指标体系

3．3．2 评价标准相对重要性计算

3．4 决策策略建模

3．4．1 有序加权平均(OWA)算子

3．4．2 OWA算子量化分析

3．5 行人个体路径规划

3．6 算例分析

3．7 模型实现

3．8 模型讨论

3．9 本章小结

第四章 行人过街行为运动仿真建模

4．1 模型概述

4．2 基本架构

4．3 模型构建

4．3．1 前行模式

4．3．2 向目的地行进模式

4．3．3 速度变化模式

4．3．4 跟随模式

4．3．5 冲突模式

4．3．6 误差项

4．4 模型仿真

4．4．1 模型数据

4．4．2 参数估计

4．4．3 仿真结构

4．5 双层模型的验证

4．5．1 双层模型的有效性验证

4．5．2 行人过街运动行为特性验证

4．5．3 效用对比性验证

4．6 本章小结

第五章 基于双层行人过街模型的应用研究

5．1 对向行人流运行状态识别

5．1．1 区域划分

5．1．2 状态评价指标

5．1．3 状态分级方法

5．1．4 运行状态分级

5．2 人行横道宽度设计

1．1．1 基于通道数量的等待区宽度分析

5．2．2 负效应与人行横道宽度相关性分析

5．2．3 人行横道宽度设计方法

5．3 行人过街信号配时设计

5．3．1 负效应与延误相关性分析

5．3．2 行人过街最小绿灯时长设计

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 研究工作总结

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

致谢

参考文献

作者简介、攻读博士学位期间发表论文及参与科研情况