基于元胞自动机的城市主干路多车交互换道模型

发布时间：2020-04-01 19:02

【摘要】：随着经济的发展,车辆保有率增加,道路上的车辆之间的干扰增大,由此带来的交通拥堵、事故频发等问题日益严重。跟驰和换道是车辆的两种基本行为,其中车道变换的影响因素众多、产生过程复杂,执行过程中容易造成拥堵和交通流的局部紊流,进而降低交通系统的运行效率。因此,有必要研究车道变换及换道过程中多车之间的交互特点,从理论上掌握换道过程中多车之间的交互作用,为驾驶员决策和交通管控提供依据,从而降低多车之间的相互干扰,提高交通系统运行效率。本文首先介绍了车道变换的分类及换道影响因素,分别描述了自由换道和强制换道的换道意图产生过程。通过视频数据获取交通量、交通流密度,从宏观因素的角度,分析了车道密度差、交通流平均速度对换道次数的影响;利用P3-DT北斗高精度定位测向机设计实车换道实验,获取实验车瞬时车速、位置坐标数据,从微观因素的角度,分析了车头时距、速度差对换道时间的影响。然后分析了车辆在道路上行驶时,多车之间的相互影响、博弈作用,类比势能场原理,提出了多车交互区域的概念,将车道变换的决策、换道车与周围车交互时的车速变化归结为多车交互区域重叠面积的函数。结合元胞自动机的更新规则,建立多车交互换道模型,将车辆的交互行为与交互区域重叠面积相关联,定量描述了交互车辆的速度变化。最后,在MATLAB R2014a环境下编写程序,在不同初始车速、不同初始车辆数下,模拟了换道次数与仿真时长的关系,并将仿真程序输出的结果与实测数据进行对比,验证了模型的有效性。通过本文的研究,得出了换道过程中,换道车与周围交互车辆的速度变化情况,并给出了目标车道后车减速或变道避让概率。模型中的部分参数,依据城市主干路视频数据进行了标定,对于相同等级的其他城市道路亦有参考意义。本文研究成果可为交通管理部门制定相关措施提供理论依据,也可以为车辆辅助驾驶、自动驾驶系统、多车驾驶模拟器的开发提供技术支持。
【图文】：

示意图,变换过程,车道,换道

第 2 章换道车辆行为分析与实验车辆在运行过程中，，在满足一定条件时会发生换道行为。换道车辆对周围车辆产生影响，造成交通流的局部扰动，不恰当的换道行为可能会造成交通拥堵。因此，进行换道行为的影响，需先分析车辆的换道特征及其在多车交互下的演变规律。本章结合实验调查数据分析换道的过程、分类及影响因素，是建立多车交互换道模型的基础。2.1 换道类型及影响因素2.1.1 换道过程图 2-1 所示为常见的换道超车情形，记i 车为有换道意图的车辆（下文称其为目标车辆）， i 1车为目标车所在车道（下文称其为当前车道）的前车， i 1车为当前车道后车， j 1车为目标车完成换道后所在车道（下文称其为目标车道）上的前车，j 车为目标车道上的后车。目标车 i 换道过程为三个阶段：换道意图产生、换道决策、换道执行。

概率分布,换道,交叉口,车道

3）目标车行驶在超车道，为摆脱后车加速带来的压力而进行换道。判断自由换道意图的产生，通常有速度判别法、效用函数判别法、概率判别法[38]。速度判别法是考虑当前车道前车的约束，前车速度低至一定阈值之下时，目标车产生换道意图；效益函数判别法则是以车辆加速度作为输入量，计算目标车道在当前车道和超车道上的行驶加速度，加速度越高表示行驶效益越高，当目标车道的行驶效益与当前车道的行驶效益差值超过一定的阈值时，产生换道意图。概率判别法[40]通过设定若干指标来评价驾驶员在当前车道行驶的满意程度，满意程度较低时，通过概率分布来确定车辆的换道意图。产生换道意图后，判断车辆是否可以安全进行换道，一般有可接受间隙法和安全系数法。可接受间隙法根据目标车道前后车的间距（或车头时距）是否安全来判断换道的可行性。安全系数法则是根据换道临界安全间距、车辆速度、间距等计算安全系数，当该系数满足要求时，可以进行换道。（2）强制换道强制换道行为是在目标车辆遇到干扰时为了保持正常的行驶状态而不得不采取的换道行为，或接近出入口或目标车道时，按照交通规则或线路必须进行的换道行为[41]。一般发生在交叉口转向前、前方车道变窄或遇到障碍物等情形中。图 2-2 和图 2-3 为两种常见的强制换道的场景。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U491

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