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平面交叉口交通運行秩序評價與模擬

平面交叉口交通運行秩序評價與模擬

出版社：科學出版社出版時間：2023-03-01
開本： B5 頁數(shù)： 124
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平面交叉口交通運行秩序評價與模擬 版權(quán)信息

平面交叉口交通運行秩序評價與模擬 本書特色

開展擬人化交通流建模的探索，構(gòu)建交叉口沖突交通流軌跡分布模擬方法。從而實現(xiàn)信號控制交叉口交通秩序可評價和可再現(xiàn)。

平面交叉口交通運行秩序評價與模擬 內(nèi)容簡介

交通秩序是交通安全和效率的基礎(chǔ)，是精準化管理與控制的保障。無論是理論計算還是智能技術(shù)，交叉口交通秩序是其優(yōu)化效果發(fā)揮的基本保障，并且，管理控制方案越精妙，對交通秩序可控性的要求也越高。但由于以往檢測手段的局限性和交叉口運行的復雜性，目前信號控制交叉口交通秩序仍是一個主觀且模糊的概念，無法客觀評價，更缺乏改善方法。信息技術(shù)的發(fā)展為交叉口復雜交通行為的研究提供了更高精度的數(shù)據(jù)和更豐富的分析方法。為了提高信號控制交叉口運行可控性，本書稿將基于交通評價理論，利用軌跡數(shù)據(jù)，建立信號控制交叉口交通秩序評價方法，將交叉口交通秩序的概念清晰化。在此基礎(chǔ)上，基于微觀交通流理論，開展擬人化交通流建模的探索，構(gòu)建交叉口沖突交通流軌跡分布模擬方法。從而實現(xiàn)信號控制交叉口交通秩序可評價和可再現(xiàn)。

平面交叉口交通運行秩序評價與模擬 目錄

目錄
第1章 緒論 1
1.1 本書研究背景及意義 1
1.2 本書研究內(nèi)容 2
1.3 交叉口交通評價概述 3
1.4 微觀交通流模型概述 5
1.5 本章小結(jié) 7
第2章 數(shù)據(jù)采集與預處理 8
2.1 交叉口軌跡數(shù)據(jù)采集 8
2.2 交叉口軌跡數(shù)據(jù)預處理 11
2.3 本章小結(jié) 14
第3章 交叉口交通秩序主觀評價方法 15
3.1 主觀評價量表開發(fā) 15
3.2 預調(diào)研與量表改進 18
3.3 正式調(diào)研與資料分析 21
3.4 本章小結(jié) 25
第4章 交叉口交通秩序客觀評價方法 26
4.1 交叉口交通秩序潛在客觀評價指標 26
4.2 交通秩序客觀評價模型選擇 31
4.3 交通秩序客觀評價模型優(yōu)化 34
4.4 模型優(yōu)化過程和結(jié)果 41
4.5 模型結(jié)果分析 45
4.6 交通秩序影響因素分析 49
4.7 本章小結(jié) 54
第5章 交叉口車輛二維運動軌跡建模 55
5.1 模型構(gòu)建 55
5.2 參數(shù)擬合方法 60
5.3 模型驗證 67
5.4 本章小結(jié) 82
第6章 交叉口沖突交通流軌跡分布模擬 83
6.1 軌跡離散性分析 83
6.2 模型建立 86
6.3 模型檢驗 92
6.4 軌跡離散性影響因素分析 95
6.5 改善信號控制交叉口交通秩序措施與建議 99
6.6 本章小結(jié) 100
第7章 結(jié)論 101
參考文獻 103
附錄 A 交叉口軌跡數(shù)據(jù)采集地點 108
附錄 B 交通秩序主觀評價調(diào)查量表 116
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平面交叉口交通運行秩序評價與模擬 節(jié)選

第1章 緒論 想象建構(gòu)的秩序深深與真實世界結(jié)合；想象建構(gòu)的秩序塑造了我們的欲望；想 象建構(gòu)的秩序存在于人與人之間思想的連接。身為人類，我們不可能脫離想象所 建構(gòu)出的秩序！度祟惡喪贰 1.1 本書研究背景及意義 城市交通作為城市發(fā)展的著眼點之一，巨量存在的交叉口是城市道路網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點，長期以來受到城市管理部門的關(guān)注。近年來，交叉口精細設計和管理的相關(guān)研究廣受學者的關(guān)注與討論。與此同時，基于大數(shù)據(jù)與人工智能的現(xiàn)代化智能技術(shù)為解決城市交通與交叉口問題帶來了新的技術(shù)與契機。無論基于傳統(tǒng)模型優(yōu)化還是基于現(xiàn)代智慧科技，以交叉口交通秩序作為評價指標是發(fā)揮交通管控優(yōu)化效果的基本保障。同時，交叉口管理與控制的不斷優(yōu)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復雜程度高，交通秩序問題普遍存在，導致優(yōu)化效益降低甚至失效，繼而使交叉口功能無法正常穩(wěn)定地發(fā)揮。準確量化與評價交叉口秩序程度是提高交叉口設計與管理水平中必要的步驟之一。 在交叉口評價和優(yōu)化理論體系中，現(xiàn)階段主要針對運行安全與效率提出一系列的評價與優(yōu)化方法。然而，交通秩序是優(yōu)化交通安全和效率的基礎(chǔ)與保障。雖然在理論層面，保障交叉口秩序的重要性得到了普遍的認可。但交叉口秩序水平仍然是一個較為主觀的概念，目前尚未明確應采用何種可測的客觀指標才能與人對有序和無序的主觀感知相契合，從而無法提出有針對性的交通秩序優(yōu)化方法。目前一系列提高交叉口運行效率和安全的優(yōu)化方法均是在交通流可控的前提下進行的，一旦交叉口交通秩序無法保障，現(xiàn)有方法都存在優(yōu)化效益難以發(fā)揮甚至失效的隱患。因此，保障交叉口交通秩序是各項交通管理與控制措施效益穩(wěn)定發(fā)揮的基礎(chǔ)，對信號控制交叉口交通秩序評價和優(yōu)化進行研究將進一步推進交通評價和優(yōu)化理論的發(fā)展。 本書是在提升城市道路交通運行秩序的背景下撰寫的。量化信號控制交叉口交通秩序評價，并構(gòu)建交叉口沖突交通流軌跡分布模擬方法，從而完善信號控制交叉口評價體系。具體研究意義包括以下幾點。 1. 開發(fā)信號控制交叉口交通秩序測量方法 現(xiàn)階段研究還未有明確的測量信號控制交通秩序的方法。本書從人的主觀感知入手，參考交通主觀評價與感知研究相關(guān)文獻，根據(jù)交通秩序的特征選取合適的主觀評價量表，并開展預調(diào)研，對量表進行優(yōu)化。確定了測量和量化信號控制交叉口交通秩序主觀評價的方法，為后續(xù)測量交通秩序的研究提供方法思路。 2. 構(gòu)建信號控制交叉口交通秩序評價模型 目前現(xiàn)有的交通秩序評價模型僅對交叉口交通秩序進行定性分析，并未進一步展開定量分析。導致難以實現(xiàn)對交叉口交通秩序的細致評價，進而無法對影響交叉口交通秩序的主要因素進行分析與討論。本書通過對主觀交通秩序的定量測量，構(gòu)建了交通秩序預測模型，分析了影響交叉口交通秩序的主要因素，為后續(xù)開展交通秩序研究提供基礎(chǔ)。 3. 建立交叉口沖突交通流軌跡分布模擬方法 本書針對信號控制交叉口，在考慮駕駛員行為特性的基礎(chǔ)上，建立能夠真實描述駕駛員在交叉口通行軌跡的模型，并提出了參數(shù)擬合方法，為描述交叉口通行軌跡離散性提供有效方法。更進一步地建立了無左轉(zhuǎn)相位保護交叉口的沖突交通流模型，以描述交叉口中復雜交通流的軌跡離散性，完善了交叉口交通流模型體系。 1.2 本書研究內(nèi)容 本書以實現(xiàn)交叉口交通秩序可評價和可再現(xiàn)為目標，將研究內(nèi)容分為五部分，分別是數(shù)據(jù)采集與預處理（第 2 章）、交叉口交通秩序主觀評價方法（第 3 章）、交叉口交通秩序客觀評價方法（第 4 章）、交叉口車輛二維運動軌跡建模（第 5章）和交叉口沖突交通流軌跡分布模擬（第 6 章）。 1. 數(shù)據(jù)采集與預處理 為了精確反映交叉口內(nèi)部車輛運行狀況，本章選擇無人機航拍和車輛識別的方法，對共計 24 個信號控制交叉口進行軌跡數(shù)據(jù)的采集。然后，通過清除異常冗余數(shù)據(jù)、篩選交叉口內(nèi)部數(shù)據(jù)和清除樣本量不足數(shù)據(jù)的方法對軌跡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，從而得到更為精確的軌跡數(shù)據(jù)。 2. 交叉口交通秩序主觀評價方法 以視覺模擬量表為基礎(chǔ)，開發(fā)交通秩序主觀評價量表，并搭建測試平臺。為確保測量方法的有效與可行，開展預調(diào)研。根據(jù)預調(diào)研的結(jié)果對開發(fā)的量表進一步優(yōu)化與改進。*后開展正式調(diào)研，并對結(jié)果進行信度和效度分析。 3. 交叉口交通秩序客觀評價方法 以多層感知機神經(jīng)網(wǎng)絡模型為基礎(chǔ)，從數(shù)據(jù)增強和超參數(shù)優(yōu)化兩個層面對基礎(chǔ)模型進行優(yōu)化，構(gòu)建交叉口交通秩序客觀評價模型，實現(xiàn)交叉口交通秩序可評價。然后對模型結(jié)果進行討論，對六個影響因素進行敏感性分析，探究影響交通秩序的主要因素。 4. 交叉口車輛二維運動軌跡建模 基于*優(yōu)控制理論，考慮駕駛員行為（包括方向盤和制動踏板/加速踏板控制），建立二維平面交叉口通行軌跡模型，以起始狀態(tài)和終端狀態(tài)作為模型輸入，建立動態(tài)系統(tǒng)，以成本函數(shù)為優(yōu)化目標，根據(jù)實際情況設置合理的模型約束。通過情景設置、參數(shù)分析和實際數(shù)據(jù)仿真對比來驗證模型的描述力、合理性和準確性。 5. 交叉口沖突交通流軌跡分布模擬 在通行軌跡模型和參數(shù)擬合方法的基礎(chǔ)上，考慮更為復雜的車輛間相互影響，構(gòu)建交叉口沖突交通流軌跡分布模擬方法，實現(xiàn)交叉口交通秩序可再現(xiàn)。通過實際數(shù)據(jù)仿真對比驗證模型的準確性，并對軌跡離散性的影響因素進行分析。 1.3 交叉口交通評價概述 本節(jié)從交叉口運行效率、安全和秩序三個方面概述現(xiàn)有研究進展，然后對三方面研究進行總體評述。 1.3.1 交叉口運行效率評價 通行能力分析是交叉口運行效率評價的主要方法，受交通流構(gòu)成、車輛性能、行駛環(huán)境、駕駛行為以及道路交通管理水平等多方面的影響，許多國家都根據(jù)本國交通運行特征，編制了規(guī)程或手冊指導實踐應用 [1，2]。信號控制交叉口運行效率主要評價指標包括通行能力、延誤和排隊長度 [2]。其觀測方法主要包括人工、線圈、浮動車、視頻等 [3，4]，通過對固定斷面進行數(shù)據(jù)采集，并基于數(shù)理統(tǒng)計、交通波理論和仿真模擬等方法 [4，5]，得到評價參數(shù)。近年來，隨著觀測手段的提高，可利用手機全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）、車載 GPS、卡口、視頻等數(shù)據(jù)實現(xiàn)飽和流率、延誤和排隊長度的動態(tài)檢測或估算 [6，7]，為更高效的實時控制、方案制定和實施效果評價提供了數(shù)據(jù)支撐。 目前的研究重點在于，解析交通特性、幾何設計和管理控制等因素對通行能力、延誤和排隊長度的影響。除了交通需求、車型、上游信號控制、轉(zhuǎn)向交通流、車道利用率、行人、非機動車、路邊停車、公交停靠、車道寬度、坡度、進出口車道數(shù)匹配、信號控制類型等傳統(tǒng)影響因素外，近年來關(guān)于地域特征 [8]、車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境 [9]、行人過街 [10]、左轉(zhuǎn)待行區(qū) [11]、短車道 [12]、公交優(yōu)先控制 [13]、限速 [14]、非常規(guī)交叉口[15，16] 等特殊外部影響因素的研究日益豐富，管理控制措施對通行行為的影響正越來越受到研究人員的關(guān)注。 1.3.2 交叉口運行安全評價 交叉口運行安全評價方法主要有基于交通事故資料統(tǒng)計分析的直接評價方法和基于交通沖突的間接評價方法。其中，直接評價方法依賴于歷史事故統(tǒng)計資料，在交通事故分類的基礎(chǔ)上，通過對交通、道路、管理控制、行為和駕駛環(huán)境等交叉口交通安全性影響因素與事故特征的相關(guān)性分析，總結(jié)事故發(fā)生規(guī)律，預測事故數(shù)和發(fā)生概率 [17]。間接評價方法以交通沖突數(shù)與交通事故數(shù)之間存在顯著相關(guān)關(guān)系為基礎(chǔ) [18，19]，通過對沖突點的觀測，利用距離碰撞時間、后侵入時間、距離事故時間、減速度、停車距離比等指標，從交通事故發(fā)生的可能性和嚴重性兩個層面來評價和分析交叉口交通安全水平 [20，21]。 目前的研究重點在于，利用人工、仿真模擬、駕駛模擬實驗和視頻識別等方法獲取數(shù)據(jù)[22.24]，解析影響信號控制交叉口安全的顯著因素。近年來關(guān)于限速 [25]、信號控制 [26]、交通設施 [27]、車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境 [28]、非常規(guī)交叉口[29] 等交通設計、管理、控制措施對交叉口安全影響的研究日益豐富，反映出交叉口通行行為在個體間的差異性正越來越受到研究人員的關(guān)注。 1.3.3 交叉口運行秩序評價 相比交通效率和安全豐碩的研究成果，交通秩序評價研究進展緩慢。我國曾頒布《道路交通秩序評價》（GA/T 175—1998）的行業(yè)標準 [30]，將交通秩序定義為道路上車輛、行人有序或無序的交通狀況。但該標準中具體的交通秩序評價指標只是將交通量、行程車速、行車延誤、違章率等關(guān)于交通設施、需求、效率、安全的指標進行加權(quán)計算，無法對交叉口交通秩序進行細致描述。也有研究基于交叉口與路段的速度比、事故率、違章率、延誤、管理水平、飽和度等指標對交叉口交通秩序進行了綜合評價 [31]，但評價指標仍較為宏觀。為此，劉金廣等從交通流微觀運行角度，綜合考慮了交叉口行人自行車聚集群與機動車流的沖突區(qū)域數(shù)量和沖突時長，建立了信號交叉口混合交通秩序模型 [32]。李文勇等增加了對交叉口幾何條件的考慮，基于交叉口合流、分流、交叉點數(shù)量定義了交叉口復雜度，并結(jié)合車道配置、信號相位、交通流等參數(shù)建立了交叉口秩序模型 [33]。于泉和周予婷考慮了右轉(zhuǎn)半徑、行人與機動車通過沖突區(qū)域的時間以及行人、非機動車通行路徑，對信號控制交叉口人行橫道交通秩序進行了評價 [34]。 1.3.4 相關(guān)評述 雖然城市交通管理的核心目標是有序、安全、通暢 [35]，但目前的研究主要關(guān)注效率和安全，忽視了交通秩序，F(xiàn)有交叉口交通秩序的評價方法多為交通效率和安全評價指標的組合，未能針對交通秩序給出特定的評價指標，因而無法反映秩序評價定義中有序或無序的交通狀況。近年來，在優(yōu)化設計中也有越來越多的研究描述其優(yōu)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評價指標，現(xiàn)有研究均未對這一效益進行量化？梢姡壳靶盘柨刂平徊婵诮煌ㄖ刃蛉允且粋主觀且模糊的概念，關(guān)鍵是缺少能定量反映有序或無序交通狀況的客觀指標。本書在第 3 章進行交叉口交通秩序主觀評價的基礎(chǔ)上，在第 4 章給出交叉口交通秩序客觀評價方法，實現(xiàn)交叉口交通秩序可評價。 1.4 微觀交通流模型概述 自 20 世紀 50 年代以來，研究人員建立了許多交通流模型來分析各種復雜的交通現(xiàn)象，主要分為兩類：宏觀交通流模型和微觀交通流模型。宏觀交通流模型是將連續(xù)跟馳的車輛看成一個連續(xù)的流體，并用與流體力學相近的模型進行建模。微觀交通流模型是交通動力學中*早提出的一種模型，其基本假設為駕駛員的駕駛行為受前車影響，即會根據(jù)前車的行為調(diào)整自己的駕駛行為。微觀交通流模型主要描述的是單個車輛的縱向和橫向行為，即跟車和換道行為。交叉口微觀交通流模型是研究微觀交通運行影響機理的重要方法，而車輛間的相互作用及由此引起的交通流變化都是在考慮交通運行內(nèi)部和外部影響因素的情況下進行深入分析的。常用的交叉口微觀交通流的建模方法主要有三種：跟馳換道模型、元胞自動機模型、社會力模型。 1.4.1 跟馳換道模型 跟馳換道模型描述了在限制超車的單行道上行駛車隊中相鄰兩車之間的相互作用，主要可分為刺激-反應模型、安全距離模型、心理-生理模型和基于人工智能的模型。刺激-反應模型的基本思想是在車輛跟馳過程中，駕駛員的刺激反應來源于當前車輛與其前車之間的速度差，經(jīng)過反應延遲后，駕駛員以改變加速度作為對該刺激的回饋，回饋對刺激的敏感性程度用敏感系數(shù)來表示。安全距離模型的主要思想是駕駛員期望與前車保持安全車頭時距，當前車突然制動時，駕駛員能夠有時間做出反應并減速停車，以免發(fā)生碰撞。心理-生理模型的基本思想是一旦跟馳車輛駕駛員認為其與前車之間的距離小于心理安全距離，跟馳車輛駕駛員就會開始減速。由于跟馳車輛駕駛員無法準確判

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