考慮鳴笛效應的混合非機動車建模及仿真

楊曉芳 尹蔓遲 付強

摘 要：為研究混合非機動車道上快速行駛的電動自行車想要超越前方低速行駛車輛而進行鳴笛換道的現象，在分析經典Nasch模型的基礎上，運用元胞自動機理論提出一種混合非機動車換道模型。首先，將混合非機動車換道過程分為兩部分，即換道需求分析與換道操作過程;其次，在換道過程中引入鳴笛效應的概念，通過對基本換道模型的改進，建立混合非機動車的一般換道與鳴笛換道模型，并給出相應換道規則;最后，在改變交通流密度的情況下，對兩種不同換道模型進行仿真對比分析。結果表明，當交通密度較低或較高時，鳴笛換道模型與一般換道模型得到的車輛平均速度及交通量幾乎沒有差別，但在中等密度范圍內，鳴笛換道模型得到的車輛平均速度及交通量明顯高于一般換道模型。說明在中等密度范圍內，鳴笛換道行為有利于提高道路通行效率，但當密度較低或較高時，鳴笛換道行為對提高道路通行效率幾乎不起作用。

關鍵詞：交通工程;鳴笛換道規則;元胞自動機;混合非機動車;換道模型;交通流

0 引言

交通系統中的鳴笛是指快速行駛車輛受到前方低速車輛阻擋，難以達到駕駛員期望速度而通過按喇叭的方式催促前方車輛加速行駛或讓道的行為方式[1]。目前，國內外對于鳴笛行為主要通過建立元胞自動機模型研究鳴笛作用下的車輛換道行為，且集中于研究機動車內部交通流、機動車與非機動車沖突交通流等。對混合非機動車內部車輛鳴笛換道現象的研究，有助于更好地研究混合非機動車交通流特性，對于提高混合非機動車道通行效率具有重要意義，同時能夠為道路交通設施優化研究提供參考。

元胞自動機模型簡稱CA模型，是指在一個由離散、有限狀態的元胞所組成的空間中，元胞按照一定規則，在離散的時間維度上進行演化的動力學系統[2]。Nagel&Schrecenberg首先提出交通流CA模型—經典Nasch模型，該模型能夠在一定程度上模擬交通流實際運行狀況[3]。在Nasch模型基礎上，國內外許多學者提出改進的非機動車CA模型，用于描述非機動車交通流實際運行狀況[4-5]。如張晉等[6]建立單向自行車二維CA模型，利用模型針對車道數變化對非機動車道通行能力的影響進行仿真分析;Zheng等[7]采用CA模型研究考慮鳴笛效應的單車道機動車流穩定性，發現鳴笛效應能夠提高交通流穩定性;馮雪等[8]采用多車道CA模型，針對城市道路非混合交通流建立考慮鳴笛效應的CA模型并進行仿真分析，發現在中等密度機動車條件下，鳴笛效應能夠減少自行車的越線行駛行為，但在低密度和高密度條件下效果不明顯;Jia等[9]采用CA模型研究鳴笛效應對機動車交通系統的影響，發現鳴笛效應能夠提高非均勻機動車交通系統流量，但對于均勻性交通系統幾乎無影響;Zhao等[10]建立混合自行車元胞自動機交通模型，用于描述混合自行車運行過程中的超車現象;Tang等[11]針對交叉口內部電動自行車行駛過程中的逆行和換道行為，建立元胞自動機（CA）模型并進行仿真分析，結果表明應嚴格控制換道和逆行行為，以保證交叉口內部運行效率和交通安全;Meng等[12]建立摩托車混合交通流CA模型，通過仿真分析得出，除在特定密度范圍外，還需要設置障礙物或車道將摩托車流與機動車流分離開。

上述道路交通鳴笛效應研究中，對于混合非機動車交通中考慮鳴笛效應的換道模型研究還存在不足，缺少對混合非機動車內部車輛換道行為的研究。因此，本文在經典元胞自動機模型基礎上，借鑒已有的鳴笛換道行為相關研究，將混合非機動車換道分為一般換道和鳴笛換道，建立非機動車換道模型，制定相應換道規則，并運用MATLAB軟件進行模擬仿真，對比分析兩種不同情況下換道模型對交通流的影響。

4 結語

本文利用元胞自動機理論對混合非機動車的兩種換道方式——一般換道和鳴笛換道進行建模與分析，結合電動自行車與自行車騎行人具有不同期望速度的特點，給出混合非機動車兩種換道方式的模型更新規則。在傳統NS模型基礎上，建立考慮鳴笛效應的混合非機動車交通流CA模型，并對不同交通密度下的兩種換道模型進行仿真對比分析。結果表明，當交通密度在0.2～0.6之間時，鳴笛換道行為對提高道路通行效率可起到一定作用，但在低密度和高密度狀態下，鳴笛換道行為無法提高非機動車道通行效率。

目前針對混合非機動車鳴笛換道的研究仍存在不足，本文在建立鳴笛換道模型時，主要考慮電動自行車速度相對自行車更快，更趨向于達到期望速度，并基于此加入鳴笛效應，但是未考慮自行車鳴笛的情況，今后需進一步研究自行車的鳴笛換道行為，對換道模型進行優化。

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（責任編輯：黃 健）