一种基于精细网格的混合自行车流微观建模方法和系统

摘要

本发明提供了一种基于精细网格的混合自行车流微观建模方法和系统，属于交通技术领域。本发明的微观建模系统包括参数定义模块和车辆位置更新模块：参数定义模块用于建立精细网格坐标系和定义精细网格划分后的元胞尺寸、时间步长度、车辆n在精细网格坐标系中占用的位置、行驶速度及加速度，车辆位置更新模块用于更新车辆位置，包括横向换道更新和纵向运动更新。本发明能真实反映混合自行车流横向错位及纵向速度差异化，为混合自行车流的交通管理提供参考。

说明书

技术领域

本发明属于交通技术领域，具体涉及一种基于精细网格的混合自行车流微观建模方法和系统。

背景技术

随着我国城市交通的快速发展，部分城市非机动车的出行分担率高达80％，而电动自行车与自行车的总量已达混合非机动车总量的90％以上，二者混行已成为城市非机动车流的主要表现形式，故针对混合自行车流的微观仿真具有十分重要的意义。

微观仿真系统通过构建道路网络模型对交通运行状态进行仿真，探究仿真过程中的交通运行规律及车辆的行为特征，为城市道路交通管理规划等相关研究提供实验平台。

现有的研究混合自行车流的微观模型主要有社会力模型、跟驰模型和元胞自动机模型。由于电动自行车和自行车具有速度随机、换道高频及运动灵活等特点，使得跟驰模型和现有的元胞自动机模型不能准确的反应这些复杂的行为特征，而社会力模型参数过多、标定难度大、计算复杂，也增加了混合自行车流研究的难度。

现有的元胞自动机模型分为两类，一类是基于传统的NaSch模型，该类模型将非机动车道划分成一个个离散的格子，一个格子至多被一辆自行车或电动自行车占用，这样划分虽然计算简便，却不能反映复杂的混合自行车流运行状况。另外一类是多值元胞自动机模型，该模型中每个元胞容量为M，即每个元胞内的车辆数取0-M之间的整数值；该模型虽然相比NaSch模型更加符合实际情况，却完全忽略了侧向规则，无法进行具体的横向特性分析。并且现有元胞自动机的更新时间步多为1s，模拟车辆运行实时动态较为粗略。综上所述，现有的元胞自动机模型不能综合反应混合自行车流横向错位以及纵向车辆速度差异化带来的影响，且在模拟车辆运行状况的实时性方面存在一定的局限性。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于精细网格的混合自行车流微观建模方法和系统，更加微观的模拟车辆运行实施情况，综合反应混合自行车流横向错位以及纵向车辆速度差异化。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于精细网格的混合自行车流微观建模方法，包括步骤：

S1，建立精细网格坐标系，X轴为车辆行驶方向，Y轴为车辆换道方向；

S2，定义精细网格划分后的元胞尺寸、时间步长度、车辆n在精细网格坐标系中占用的位置、行驶速度及加速度；

S3，更新车辆位置，包括横向换道更新和纵向运动更新

(1)若原横向位置的前向距离

若车辆n原横向位置满足运行需求条件时，则车辆n在原横向位置行驶；若车辆n原横向位置不满足运行需求条件，则根据其他横向位置是否满足换道安全条件和换道距离条件以及运行需求条件，确定骑行者的目标位置，并执行换道操作；

(2)纵向运动更新具体为：

加速时，若车辆n不换道，且当前位置的前向距离不小于下一时间步的期望速度，则下一个时间步车辆n加速，若车辆n换道，且换道位置的前向距离不小于下一时间步的期望速度，则下一个时间步车辆n加速；

减速时，若车辆n不换道，且该当前位置的前向距离小于下一时间步的期望速度，则下一个时间步车辆n减速，若车辆n换道，且换道位置的前向距离小于下一时间步的期望速度，则下一个时间步车辆n减速。

上述技术方案中，所述根据其他横向位置是否满足换道安全条件、换道距离条件以及运行需求条件，确定骑行者的目标位置，具体为：

若车辆n下一时间步的目标期望速度大于等于当前位置的前向距离，则在当前位置行驶；若车辆n下一时间步的目标期望速度小于当前位置的前向距离，需要寻找满足换道安全条件、换道距离条件和运行需求条件的潜在目标位置，选择最近的潜在目标位置作为目标位置；若左右两侧同样近，且上一时间步没有目标换道位置，则以50％的概率选择左侧或右侧的潜在目标位置作为目标位置；若左右两侧同样近但上一时间步有目标换道位置，则选择上一时间步目标换道位置方向的潜在目标位置作为目标位置。

上述技术方案中，所述换道操作具体为：

当目标位置在车辆左侧：a、若车辆n最大速度Vmax

当目标位置在车辆右侧时：a、若Vmax

其中：y

上述技术方案中，所述其他横向位置是否满足换道安全条件，具体为t时刻其他横向位置车辆前向距离、后向距离是否满足换道安全需求：

若车辆n在t时刻预向左侧换道，y

若车辆n在t时刻预向右侧换道，y

在

其中：dfront表示前向距离，dback表示后向距离，dsafef表示前向安全换道距离，dsafeb表示后向安全换道距离。

上述技术方案中，所述前向安全换道距离为：当车辆n换道至y

上述技术方案中，所述后向安全换道距离为：当车辆n换道至y

上述技术方案中，所述其他横向位置是否满足换道距离条件，具体为：根据车辆横向速度判断其所能换至的极限位置，在左右极限位置范围内的横向位置满足换道距离需求。

上述技术方案中，所述各横向位置是否满足运行需求条件，具体为：当且仅当y

上述技术方案中，所述纵向运动更新还包括随机慢化，在车辆遇到一些突发状况导致车辆随机减速时，车辆以一定概率p

当V

一种基于精细网格的混合自行车流微观建模系统，包括：

参数定义模块，用于建立精细网格坐标系和定义精细网格划分后的元胞尺寸、时间步长度、车辆n在精细网格坐标系中占用的位置、行驶速度及加速度；

车辆位置更新模块，用于更新车辆位置。

本发明的有益效果为：

(1)本发明将非机动车道精细网格化，保持了离散模型计算速度快的优势，摒弃了传统元胞自动机模型粗略划分非机动车道的弊端，使车辆分布更加符合实际混合自行车流的运行状况，提高了仿真的精度；精细网格划分后，大大提高了在不同非机动车道边界条件下的仿真适用性。

(2)本发明将更新的时间步离散化，同时定义每个时间步的目标期望速度及目标位置，能够更加微观的模拟车辆运行实时动态。本发明更新车辆位置包括横向换道更新和纵向运动更新，横向换道为：若车辆n原横向位置满足运行需求条件时，则车辆n在原横向位置行驶；若车辆n原横向位置不满足运行需求条件，则根据其他横向位置是否满足换道安全条件和换道距离条件以及运行需求条件，确定骑行者的目标位置，并执行换道操作。本发明能真实反应混合自行车流横向错位及纵向速度差异化，为混合自行车流的交通管理提供参考。

附图说明

图1为本发明所述车辆精细网格划分示意图；

图2为本发明所述车辆中心坐标位置示意图；

图3为本发明所述各横向位置前向距离、后向距离示意图；

图4为本发明所述车辆错位运行示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施例中，自行车和电动自行车均为理想状态，非机动车道为没有障碍物且水平的理想道路。机动车道与非机动车道隔离，相互之间没有影响。非机动车道为单行道，并且只要满足换道要求即可换道。

在上述提出的理想条件下，一种基于精细网格的混合自行车流微观建模方法，具体包括如下步骤：

步骤一，建立精细网格坐标系，X轴为车辆(纵向)行驶方向，Y轴为车辆(横向)换道方向。

步骤二，定义精细网格划分后的元胞尺寸、时间步长度、自行车或电动自行车在精细网格坐标系中占用的位置、行驶速度及加速度。

本发明方法定义一量自行车或电动自行车的车身长度为Lveh、车身宽度为Wveh，其中Lveh取1.8米、Wveh取0.8米。如图1所示，一个车辆占用gridx×gridy个元胞，即元胞的长度为1.8/gridx米，宽度为0.8/gridy米；每个元胞右上角的坐标点代表该元胞。道路长度为L'米、宽度为W'米，其中道路长度划分的格子数L、宽度划分的格子数W的计算公式如下：

本发明定义gridy为奇数，如图2所示，车辆n中心坐标为(x

时间步长度stept根据仿真人员欲达到的时间离散度定义，时间步长度数值越小，仿真车辆每次前进的仿真时间间隔越小，所能模拟的车辆运行实时性越高。

根据文献调研，自行车的最大速度取VmaxRB'＝4m/s、加速度取aRB'＝1m/s

VmaxRB＝((VmaxRB'×gridx)/Lveh)×stept

VmaxEB＝((VmaxEB'×gridx)/Lveh)×stept

aRB＝((aRB'/Lveh)×gridx)×stept

aEB＝((aEB'/Lveh)×gridx)×stept

步骤三，更新车辆位置，车辆更新分为纵向运动更新和横向换道更新。

(1)横向换道更新具体为：

假设车辆n的中心坐标为(x

S1，判断车辆n是否执行横向换道更新

1)计算车辆n的目标期望速度

其中V

2)计算t时刻车辆n对应各横向位置的前向距离

当车辆n欲换至y

如图3所示，以一辆车占用2*5个元胞为例，实线框的车辆为目标车辆n，车辆n在y

3)若车辆n原横向位置的前向距离

S2，横向换道规则

1)判断其他横向位置是否满足换道安全条件：计算t时刻其他横向位置车辆前向距离、后向距离是否满足换道安全需求。

若车辆n在t时刻预向左侧换道，则首先判断以y

若车辆n在t时刻预向右侧换道，则首先判断以y

称在

t时刻车辆n对应各横向位置的前向安全换道距离

t时刻车辆n对应各横向位置的后向安全换道距离

2)判断其他横向位置是否满足换道距离条件：根据车辆横向速度判断其所能换至的极限位置，在左右极限位置范围内的横向位置满足换道距离需求。

车辆自身的速度也是限制车辆换道的因素之一，根据车辆横向速度判断其下一个时间步所能换至的左右横向距离极限位置，分别记为

称在

3)判断各横向位置是否满足运行需求条件：根据前向距离与下一时刻的目标期望速度的关系，判断各横向位置是否满足目标时间内的运行需求。

当且仅当

若车辆原横向位置满足运行需求条件，则车辆n在原横向位置行驶；若车辆原横向位置不满足运行需求条件，则根据上述三个条件，确定骑行者的目标位置，并执行换道操作。

①确定目标位置y

需要寻找满足换道安全条件、换道距离条件和运行需求条件的潜在目标位置，选择最近的潜在目标位置作为目标位置；若左右两侧同样近，且上一时间步没有目标换道位置，则以50％的概率选择左侧或右侧的潜在目标位置作为目标位置；若左右两侧同样近但上一时间步有目标换道位置，则选择上一时间步目标换道位置方向的潜在目标位置作为目标位置。

②换道操作

确定目标位置后，车辆n向目标位置方向换道。

当目标位置在车辆左侧：a、若Vmax

当目标位置在车辆右侧时：a、若Vmax

特殊说明：在计算换道安全条件时需要说明的是，由于本发明存在错位车辆，如图4所示，假定1号车为目标车辆n，它与2号车和3号车均存在错位影响。此处记1号车的中心位置坐标为(x

(2)纵向运动更新具体为：

1)加速：车辆n有两种加速情况

①若车辆n不换道，且当前位置的前向距离不小于下一时间步的期望速度，则下一个时间步车辆n加速，且车辆下一时间步的速度为；

V

②若车辆n换道至y

V

2)减速：车辆n有两种减速情况

①若车辆n不换道，且该当前位置的前向距离小于下一时间步的期望速度，则下一个时间步车辆n减速，且车辆下一时间步的速度为：

②若车辆n换道至y

3)随机慢化：

在实际交通状况中，车辆可能会遇到一些突发状况导致车辆随机减速，因此定义车辆以一定概率p

当V

当V

一种基于精细网格的混合自行车流微观建模系统，包括参数定义模块和车辆位置更新模块，

参数定义模块，用于建立精细网格坐标系和定义精细网格划分后的元胞尺寸、时间步长度、车辆n在精细网格坐标系中占用的位置、行驶速度及加速度；

车辆位置更新模块，用于更新车辆位置，包括横向换道更新和纵向运动更新。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。