城市公交站点自行车对公交车的干扰行为研究（可编辑）

城市公交站点自行车对公交车的干扰行为研究（可编辑） 城市公交站点自行车对公交车的干扰行为研究 北京交通大学 硕士学位论文 城市公交站点自行车对公交车的干扰行为研究 姓名:杜少娜 申请学位级别:硕士 专业:交通运输规划与管理 指导教师:彭宏勤 20090601中文摘要 摘要:发展公共交通是解决城市交通问题的首选途径,公交站点作为城市公 共交通运营系统不可或缺的一个环节,是影响整个公交系统效率的关键因素之一。 在公交站点自行车对公交车辆的干扰,不仅严重降低了公交车辆的进出站效率, 还造成了很大的安全隐患。微观行为模型是研究混合交通流机非干扰的有效工具, 但是目前对于公交站点处自行车对公交车干扰行为的研究还比较缺乏,尚未形成 成熟的微观模型和完善的理论体系。 在此背景下,以北京市两个不同的典型公交站点为例,研究公交站点处自行 车对公交车的干扰行为,侧重考虑公交车进站过程中自行车对公交车的干扰,建 立自行车对公交车的干扰行为模型。具体研究流程如下:首先利用视频采集设备 进行数据采集,然后从视频资料中提取数据,以这些数据作为研究的基础。通过 对数据的整理、归纳和统计,得出不同因素对公交车进站减速度的影响,以及公 交车减速度的分布规律。在此基础上,建立不同因素影响下自行车对公交车的干 扰行为模型,并分别对其进行验证。最后,论文提出了几点减少公交站点处自行 车对公交车干扰的几点改善措施。 关键词:混合交通;公交站点;公交车;自行车;微观行为;干扰模型 分类号:: , . . ,. ,.,.,.’ : ,. . , ,.’ . .,.: ; ; ; ;;。:独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果,也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签字日期: 年月‖日 学位论文作者签名:杠夕奸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名: 导师签名.季乡丢蛎 杠乡卿 //日 签字日期:。哆年月,彳日 签字日期:歹鬈少年致谢 本论文的工作是在我的导师彭宏勤副教授的悉心指导下完成的,彭宏勤副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响,对于我的科研工 作和论文都提出了许多宝贵意见。在此衷心感谢两年来彭宏勤副教授对我的关心 和指导。 彭宏勤副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作,在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助,在此向彭宏勤副教授表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间,贾顺平副教授、陈绍宽老师、高利平博士对 我的论文提出了指导和建议,高铁军师兄、韩慧敏师姐、玉俊杰同学对我论文中 的数据调查工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。绪论 . 研究背景和意义 随着国民经济的发展和城市化进程的加快,我国机动车拥有量及道路交通量 急剧增加。交通拥堵、交通能耗、环境污染的加剧以及交通事故的频发等问题严 重影响了人们正常的社会生活秩序,也成为城市可持续发展的瓶颈问题。尤其在 大城市,交通拥堵引起的直接和间接经济损失巨大。以北京市为例,每年因交通 拥堵造成的经济损失高达四五十亿元人民币【。交通拥堵阻碍了我国城市社会、经 济与环境的健康发展,已成为社会和公众关注的热点问题。 当前,我国城市交通的一个重要特点是由机动车和非机动车构成的混合交通 流。这是因为我国的道路和交通条件与发达国家存在着显著的差别。道路条件方 面,我国许多城市内干路很少,特别是机非分道行驶的三块板道路更少。据统计, 我国大城市中宽度不足的支路占城市道路的一半以上【,导致机非车辆长期处 于混合行驶的状况。交通条件方面,我国最突出的特点是存在数量庞大的非机动 车。非机动车交通量占交通总量的%一%,且非机动车中以自行车为主【】本文 若没有特别说明,非机动车一般指自行车。随着机动化进程的不断加快,城市 机 动车拥有量快速增加。与此同时,非机动车的保有量仍很大。以北京市为例, 年底北京市的自行车拥有量约为 万辆。而相关部门预测,年北京市自 行车出行比例仍然将占%。因此,从我国非机动车交通的存在和发展以及城市 社会经济发展的趋势来看,由机动车和非机动车构成的混合交通在我国城市交通中将长期存在。 大力发展公共交通、公交优先已成为国内外城市交通发展的.目标和方向。公 交系统具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等优 点。因此,发展公共交通是解决交通问题的首选途径。公交站点作为城市公共交 通运营系统不可或缺的一个环节,分布在每一条有公交车辆运行的道路上。但是 在目前混合交通条件下,公交车与其说是通过停靠站断面,不如说是通过一个包 括停靠站断面在内的干扰区如无特别说明,本文所指停靠站均为无机非隔离设 施的公交站点。虽然公交站点只是公交路线上的一个点,但公交车在公交站点耗 费的时间占其总运行时间的%~%。在公交站点自行车对公交车的干扰,不 仅严重降低了公交车的进出站效率,还造成了很大的安全隐患。因此,研究公 交 站点处自行车对公交车的干扰行为是极其必要。在分析、评价机非混行的理论和工具并未完备的情况下,开展公交站点处自行车对公交车干扰行为的研究,具有 理论和实践两方面的意义。 研究公交站点自行车对公交车的干扰行为可以为城市道路交通流模拟提供 理论基础。已有的对机非混行微观行为的研究主要集中在城市交叉口和无公交站 点路段上,而对于公交站点处机非混行微观行为的研究却很少。在公交站点,自 行车对公交车的干扰是影响公交车通行效率的关键因素之一。由于缺乏对这些微 观行为的理论研究,使得在对城市交通流进行模拟时,其结果与实际交通情况有 一定的差距。因此,为了逼真地模拟城市交通流,有必要研究公交站点处自行车 。 对公交车干扰行为。 研究公交站点自行车对公交车的干扰行为可以为城市交通规划提供实践支 持。为了提高公交车的通行效率,往往要对存在机非干扰的站点进行改造和交通 管理,如建立自行车专用道、自行车和机动车之间设置隔离设施等。和所有 工程 项目一样,在实施道路改造和管理措施之前,需要定量掌握其实施效果如延误 时间的减少等。因此,研究公交站点处自行车对公交车干扰行为,能为城市交通 规划提供实践支持。 . 研究现状 .. 国内研究现状 目前关于混合交通流的研究,主要集中在交叉口和路段上,且多集中在宏观 模型方面,对于非机动车的行为及其同机动车流干扰行为的微观研究还很少。 对交叉口内混合交通流的研究,国内主要有: 杨晓光等对混合交通信号相位切换进行了评价,将最佳的交通效率和交通安 全作为相位变换准则,给出了相位变化及参数确定方法与数学模型【。 在优化信号交叉口研究中,陆化普、吴海燕等人通过比较,对影响交叉口运 行效率的因素加以分析,提出分离机动车与非机动车、设置非机动车专用信号、 合理配置信号周期等措施【。 马建明、任福田等人利用微观仿真模型,讨论了交通组织优化方法与评 价方法等关键问趔引。 北京工业大学交通工程教研室对自行车通过交叉口的状况做了详细研究,把 自行车通过交叉口的过程抽象为一个可压缩的流体模型,推导出了自行车在交叉 口的通行能力计算【】。 北京交通大学的钱大琳在平面信号交叉口对右转机动车穿越直行自行车的决 策行为进行研列。 吴建平等使用视频采集技术和数据分析技术来分析自行车在交叉口的行为, 得到了信号交叉口自行车的各种基础行为和微观行为特征【?】。 公安大学的韩风春对交叉口自行车交通流的排队密度、行驶速度以及自行车 与机动车的冲突进行了定性分析【】。 曲昭伟等利用数理统计方法分析了城市信号交叉口自行车及行人到达与释放 规律,提出城市信号交叉口自行车及行人的到达分布模型,标定了信号交叉口白 行车流的释放饱和流率、释放速度和行人步速,并分析了信号交叉口自行车流及 行人的交通特性形成原因【】。 毛保华等研究了中国混合交通的基本特点,建立了考虑非机动车影响的交叉 口机动车通行能力计算模型,分析了中国混合交通条件下自行车的发展策略【。 任福田等人通过对自行车成集团流的形式状态与自行车道通行能力的定量 描 述得到计算通行能力所需基本参数的参考值,如停车密度为.辆/,路口内平 均车速为/等数据【】。 对路段混合交通流的研究,国内主要有: 臧晓冬、汤远红等从驾驶员及车辆特征的角度提出了侧向干扰最小侧向安全距 离模型【】。 龙小强等根据车流性质,引入流体力学中的动力粘度和牛顿内摩擦定律,建 立了非机动车流对机动车道影响特性的模型【】。 关宏志等人以基本路段的非机动车对机动车流的干扰现象为研究对象,运用 交通流理论以及交通动力学理论提出了一个可以对基本路段混合交通流进行解析 的混合交通流模型【’【。 罗霞根据实际数据得到了不经换算的混合车流条件下不同交通总量和不同车 型比例速度、密度、流量之间的关系【】【,同时对混合车流情况下的公路服务水 平做出了理论解释【。 景天然对机非交通隔离设施进行了研究,选取典型路段进行对比,得到没有 设立隔离带的道路比设立隔离带的道路的冲突率提高了%~%,同时车速下降 了%~%。 段里仁、刘小明研究了中国混合交通条件下城市交通事故的生成规律,建立 了城市道路交通事故生成系统动力学模型【】【】。 贾顺平、彭宏勤等对机非混行路段上自行车对机动车行驶的摩擦干扰影响进 行了定量分析,分析了不同机动车类型在有无摩擦干扰情况下的速度分布规律, 计算了摩擦干扰系数【。 .. 国外研究现状 微观交通仿真的研究始于世纪年代,迄今已有多种微观交通仿真模型。如英国的 、 伍 , 日本的 、 ,和德国的等。这些仿真软件多采用 语言编写,从路网、车辆、信号、路径选择等方面较好地模拟了城市道路交通。 但国外的研究大都只考虑了机动车交通,关于非机动车和行人对交通的影响则考 虑较少【。 国外对于混合交通特性的研究开展较早, 年做了非机动车对交通流 影响的研究。研究表明,当机动车经过非机动车时,机动车的平均速度会降低, 车辆在机动车道的位置会发生横向偏移【】。 .和..提出了一种较为简单合理的评价自行车交通影响的研究方 法,并构建了一个能应用于各种道路和交通条件下的机动车速度预测模型【。 关于非机动车对交通流影响的定量化研究,印度尼西亚采用的研究方法【】是 按一定比例减少机动车道的宽度供非机动车使用来考虑非机动车交通流的影响。 印度尼西亚公路通行能力】中采用侧向摩擦方法,把非机动车交 通流和其它因素例如行人和公共交通站点看作是侧向摩擦因素。这些侧向摩擦因 素被认为对机动车速度的降低有不同的影响。从而,利用实验数据建立了用于预 测这些因素影响的经验公式,并提出了侧向摩擦因素的分类。 认为交通规则的优先权不同设置,在引发冲突的因素中对机动车与自行 车的行为起决定作用【】【】。 和讨论了自行车如何决策才能在与机动车发生碰撞时受到的 伤害最低【。 和从事故统计数据出发,寻找事故与车速的关系,提出在事故 多发点设置限速的必要条件【。 总的来说,发达国家自行车交通量很少,交通状况与我国差异较大,很多研 究结论并不能直接用于我国的交通管理与实践。因此,必须根据我国的道路交通 状况,开展更深入、更微观的研究。 . 论文主要内容 本论文主要进行了以下方面的研究内容: .研究了混合交通流中自行车、公交车的行驶特性,定性地分析了公交站点处 自行车对公交车的干扰行为。 .应用视频采集设备在典型公交站点进行数据采集,通过视频分析软件进行数 据提取和筛选,获得了大量源自实际交通流的数据,为论文的研究奠定了基础。 .采用概率论和数理统计方法分析数据,得出自行车对公交车造成干扰的影响 因素及公交车所受影响的程度和规律,定量说明干扰的程度。 .在数据分析基础上建立不同因素影响下自行车对公交车干扰的微观模型,并 对其进行验证。 自行车对公交车的干扰特性分析 . 干扰的相关概念 .. 干扰的定义 混合交通中,非机动车与机动车的相互影响主要分为冲突影响和干扰影响两 类。北京工业大学刘小明、任福田对交通冲突的定义是:在平面交叉口的安 全评 价中,交通冲突是在可观测条件下,两个或两个以上道路使用者在同一时间、空 间上相互靠近,如果其中一方采取非正常交通行为,如转换方向、改变车速、突 然停车、交通违章等,除非另一方也相应采取避险行为,否则,会处于碰撞的境 地,这一现象就是交通冲突【】。 “干扰一词,在现代汉语词典被解释为“扰乱”。在实际情况中,公交站点 处自行车与公交车大部分是处于相互影响状态,而非发生碰撞产生交通事故。所 以对公交站点处自行车与公交车之间的相互影响,运用“干扰”一词加以描述更 加确切一些。因此本文运用“干扰描述公交站点处自行车与公交车之间的相互 影响。 混合交通流的干扰性表现为各种流体间对通行速度、流量及通行能力的消减 或阻滞,从而影响城市交通的总体状况。城市混合交通流干扰具有以下几个方面 的特性【】: 干扰的传递性。当流体间产生干扰时,这种干扰会迅速传向周围及其后面 的流体。 干扰的延迟性。干扰及其被传递的干扰将改变流体的运行状态,但这种状 态的改变是异步的,有一个反应过程。 干扰的制约性。混合交通流的干扰制约性由速度制约和时空制约两部分组 成。速度制约是指在混合交通流运行状态下,当各种流体发生干扰时,各流体为 防止事故发生,其运行速度必须相应降低,防止碰撞,这就是速度制约;时空制 约是指在混合交通流运行状态下,为应付不同流体间的干扰碰撞,保证每个流体 与周围流体间有一个安稳的空间,进行自我调节、自我保护。 ..干扰程度 为了定量描述自行车对公交车干扰程度的大小,定义交通流干扰程度为在公 交站点区段由于自行车的干扰而造成的时间损失占正常通行所需时间的比率。下 常通行时间是指在没有干扰情况下一定样本量的车辆通过干扰区的平均时间,计 算公式如下: ,一, ?. 厂等 式中:‘??无干扰情况下通过干扰区的时间: 乞??有干扰情况下通过干扰区的时间。 ..干扰类型 在公交站点,自行车对公交车的干扰依据各自行驶位置的不同分为阻滞干扰 和摩擦干扰。 自行车在公交车前侧行驶时的阻滞干扰 阻滞干扰是影响公交车进站减速度的重要因素。公交车进站时自行车在非机 动车道上行驶,而公交车需要占用非机动车道进行停靠,所以只能跟随自行车缓 慢进站,造成公交车的延误。如图.所示: 皿虱皿国 回 国 口口莉莉一 公交站点 .....................................一 图自行车对公交车的阻滞干扰示意图 .自行车从公交车左侧通过时的摩擦干扰 公交车在进出站过程中占用非机动车道,其后面的自行车只能从公交车左侧 通过。当道路宽度不够时,自行车就会驶入机动车车道。这时,骑行者在心理上 受到右侧公交车和左侧机动车流的横向压力,从而造成自行车的速度和行驶轨迹 发生变化。同时,由于自行车具有摇摆的特性,公交车驾驶员会感到侧向的安全 压力,下意识的降低车速。如图.所示: 皿国皿团 圆匠四 图自行车对公交车的摩擦干扰示意图 .. 自行车特性分析 自行车在公交站点区段的运动是一个复杂多变的行为,其行为的变化受到很 多方面因素的影响。为了能够更好的研究自行车与公交车在公交站点区段的 微观 行为,必须对自行车在公交站点区段的运动行为进行详细的分析。 .. 自行车交通特征 自行车出行作为我国居民出行的主要方式之一,有许多显著的特征,下面将 从时间、空间和安全等方面介绍自行车出行的主要特征。 出行比重特征。国内除不适宜使用自行车的城市外,城市中自行车的拥有 量基本已达饱和状态,其用途极其广泛。在人口大于万的城市,自行车出行 量的平均值约为城市总出行量的%,与公交车出行量的平均值之比约为:: 在人口为万到万的中等城市,自行车出行量约为%,与公交车出行量 的比值为:;在人口小于万的小城市,自行车出行量约占%左右,公交 车出行量平均只占.%,两者的比值为:,居民出行主要采取步行与自行车的 形式【。总体来说城市中自行车的出行量,一般占居民出行量的%~%】。自 行车的优点和用途在近距离出行方面是公共交通和其它交通工具无法替代 的,所 以在现阶段和今后相当长的一个时期内,自行车仍将是城市居民近距离出行的主 要工具。 时耗分布特征。自行车出行方式在不同时耗段的分布是不同的,据南京等 座城市自行车出行时耗实际统计数据分析,尽管城市规模大小不同,其自行车出 行时耗在以内的均占%左右,出行时耗在以内的均占%以上, 出行时耗在以内的平均达%以上【。 时间分布特征。座城市的统计资料表明,全方式高峰小时集中系数平均 值为.%,公交为.%,步行为.%,自行车为.%,自行车高峰小时集 中系数大大高于公交、步行和全方式平均值,个别城市自行车高峰小时集中系数 高达.%。同时,由于自行车行驶速度比机动车小,所以自行车早高峰时间比机 动车早高峰要早,而晚高峰要比机动车晚高峰时间晚【】。 空间分布特征。出行者在选择出行工具时,首先要考虑目标的远近,通常 在出行距离小于?时,有可能会选择自行车。表.所表示的是几种交通方 式合理的出行距离【删: 表.几种交通方式的合理出行距离表 . 以 出行方式 上 \ 汰 步行 自行车 公共交通 轨道交通潮汐性 在信号灯控制路段,大量自行车在交叉口红灯时聚集在一起,在红灯开启时 刻成群的涌进交叉口内,对机动车交通造成很大了影响。交叉口周期性的截流、 集聚、释放的过程,使路段上自行车流呈潮汐规律变化。设置在交叉口下游的公 交站点,由于公交车进站的同时大量自行车也涌进了路段,使得自行车与公交车 的干扰尤为突出。 成群性 信号交叉口的截流、集聚、释放作用使得自行车出现成团的现象,但是自行 车在骑行过程中不像机动车一样保持列队前进,而是比较灵活的在自行车道宽度 方向上随意行驶。部分骑行者会寻找前方空档穿越前行,但是当交通流量较大时, 前方基本没有空档可以穿行,自行车流就会以“集团”的形式保持行进。 分散性 与自行车成群前进相反的是,当交通流量不大时,一些骑行者会与其它车辆 保持一定的距离,即使在有空档的情况下也不愿意一直紧跟在别的骑行者后 面。 这是因为骑行者大多不愿在陌生人群中骑行,他们会选择超前单行或者滞后 独行, 以保持心理的舒适性。这一点女性骑行者更为明显。 骑行者动力特性 据调查,骑车时成年男性骑行者付出的功率为. ,成年女性骑行者付出 的功率为. ,儿童付出的功率为. 。当持续蹬车以上时,成年 男性骑行者只能付出. ,成年女性骑行者可能付出的平均功率约为男性骑行 者的%。行驶时间越长,骑行者能够付出的功率越小,骑行速度就越慢。 自行车的速度特性 速度是描述交通流状态的基本参数,它是指车辆在单位时间内通过的距离。 以下为常用的几种定义自行车速度的方法【】: ?地点速度 地点速度也称为即时速度、瞬时速度,即自行车通过道路某一点的速度,公 式为: ???二?二 ?. ?. :车:笙生 ‘ 优 一 其中而和:分别为时刻。和:时的车辆位置。车辆地点速度的近似值可以通过 小路段调查获得,以小距离区间速度近似等于地点速度,小距离通常取。 ?时间平均速度 时间平均速度矗是指在特定的时间区间内,通过道路某一断面的所有车辆地 点速度的算术平均值,即: ?. 寺?, 』 式中:??第辆车的地点速度/: ???观测的车辆数辆。 ?区间平均速度 区间平均速度石为车辆行驶一定距离与对应的平均行驶时间的比值: 一 。 ?. ?\二.‘/ 芒. ?弋. 。‘. 万缶六 式中:‘??第辆车行驶距离所用的行驶时间; ??行驶路段的长度: ???观测的车辆数辆。 自行车运行轨迹比较多变,速度变化范围较小,属于慢速交通工具,它的速 度主要受以下几种因素影响: ?心理因素:早高峰时段骑行者急于上班,所以行驶速度较快;平峰和低峰 时段,骑行者不急于赶时间所以骑行速度较慢。 ?年龄因素:青少年骑行者速度较快,老年骑行者则相对较慢。 ?性别因素:女性骑行者受体力的制约一般速度较慢,而男性骑行者则相对 较快。 ?道路状况:一般道路状况良好速度较快,下坡比上坡速度快。 ?天气条件:天气温暖晴朗时速度较快,顺风骑车比逆风骑车速度快。 另外,在公交站点区段,自行车的平均速度会由于公交车进出站而产生波动, 当自行车从公交车侧向超越时,由于担心不能及时通过,会采用较快速度。 . 公交车特性分析 .. 公交站点类型与布置位置 作为整体交通流的一部分,公交车流在路段上的运行与其它车辆区别不大, 但是在公交站点附近,由于公交车的进出站使得公交车的运行变得非常复 杂。公 交站点的类型和平面布置形式对公交车辆的运行有重要的影响,下面将对不 同类 型和平面布置形式的公交站点进行分析。 城市公交站点按类型可以分为两种,即非港湾式公交站点与港湾式公交站点。 目『城市道路上的公交站点大部分为沿人行道或机非分隔带设置的非港湾式公交站点,本文主要研究对象为沿人行道设置的公交站点。 非港湾式公交站点与港湾式公交站点对公交车辆及非公交车辆的影响是不同 的。非港湾式公交站点建设成本低、结构简单,公交车辆容易抵达站点,因此造 成的公交车辆延误较小。但是公交车辆在停靠时挤占非机动车道,非机动车通过 公交站点时不得不占用机动车道,对机动车行驶造成干扰,也造成交通安全隐患。 非港湾式公交站点示意图如图.所示: ??????砸堕丁一 图.非港湾式公交站点示意图 .港湾式公交站点为公交车提供了一个独立的空间,在很大程度上可以减少公 交车停靠时对周围车辆的干扰。但是建设港湾式公交站点需要较高的道路用地条 件,结构复杂且建造成本高。在交通量很大时,公交车出站需耗费较多的时间汇 入车流,从而造成延误。港湾式公交站点示意图如图.所示: \二:二:/ 图港湾式公交站点示意图 .公交站点按布置位置不同可以分为三种,即交叉口上游公交站点、路段上的 公交站点和交叉口下游公交站点。本文选择交叉口下游的公交站点作为研究对象。 交叉口附近的公交站点一般都设置在交叉口的下游,即出口道,这时公交车 同交叉口右转车辆干扰较小。由于信号交叉口的聚集、释放作用,公交车辆可以 产生很好的交通流间隔。同时公交车通过交叉口时已经减速至较低的行驶速度, 因此可以缩短进站时的减速距离。但是由于交叉口绿灯开启后,大量自行车伴随 公交车涌入路段,对需要占用非机动车道停车的公交车造成了严重的干扰,使得 公交车延误尤为明显,因此本文选择交叉口下游的公交站点作为研究对象。交叉 ’ 口下游公交站点如图.所示: 图.交叉口下游公交站点示意. 有些公交站点由于交通、用地条件等的限制,设置在了交叉口上游,即进口 道。这时,公交车若能充分利用红灯时间进站和上下乘客,则可以提高通行效率, 若没有充分利用,则会造成二次停车,通行效率降低。这种情况下,公交车辆与 右转车辆的冲突增加,且高峰期间公交车辆的排队会造成直行车道通行能力的下 降。交叉口上游公交站点如图.所示: 图交叉口上游公交站点示意图 .布置在路段上的公交站点是最常见的情况,此时公交车进出站不受交叉口的 影响,只与路段上其它车辆发生交织。由于自行车的分散特性,路段上的公交站 点自行车与公交车的干扰现象没有交叉口下游公交站点那么突出。路段上的公交 站点如图.所示: 图.路段上的公交站点示意图 . .. 公交车行驶特性 公交车在进出站的加减速过程中会受到多种因素的影响。在空间上,公交车 辆因为进出站变换车道而与其它车辆发生交织;在时间上,公交车辆的加减速会 引起行程时间的变化。公交车在进站和出站时因为受到影响因素的不同,受非机 动车干扰的程度也不同,本文主要研究公交车进站时自行车对公交车的干扰。在 非港湾式公交车站点和港湾式公交站点公交车的行驶特性是相似的,下面以非港 湾式公交站点为例进行分析。 进站 公交车进站之前与机动车流区别不大,它们的速度也与整体车流的速度趋于 一致。如图所示,公交车在断面开始减速准备进站。到达断面时,若通 过公交站点的车流速度较大,公交车就趋向于以较大的减速度进站;相反地,若 通过公交站点区段的车流速度较小,公交车就趋向于以较小的减速度进站。 同向机动车流的行驶状态会对公交车进站有一定的影响,但是影响公交车进 站的关键因素是自行车对其的干扰。公交车进站时需要占用非机动车道,造成自 行车与公交车的交织,这对公交车进站造成了严重的影响。如图.所示,当公交 车在断面开始减速准备进站时,在其右侧非机动车道上行驶的自行车会对公交 车造成干扰,使其只能跟随自行车缓慢进入车站。自行车流量越大,公交站点区 段的拥挤越严重,自行车流的速度相应就越低,因此公交车的进站速度就越低, 受到的干扰越大,反之亦然。 皿虱?回 【匹到蛭叫 团圆口口』 莎勺芍 雨曲莉 公交站点 图公交车进站示意图. 出站 公交车在站点停靠时,同向经过公交站点区段的机非车辆要从公交车左侧通 过。如图所示,公交车从停靠站点加速至断面汇入机动车流,出站过程由 两部分组成:一是公交车从停靠站加速行驶至断面,在这个过程中,公交车主 要受到其左侧自行车的干扰,但是由于公交车的换道在很短的距离内完成, 所以 自行车与公交车的干扰时间就很短,公交车受到的干扰很小;另一过程是公 交车 从断面汇入车流,这时,当机动车流量较大时,公交车汇入车流较困难,反之 亦然。 皿虱皿虱 圃匡四 圃 匈 西鸯盘查 辱萨 图公交车出站示意图 . 由上面的分析可见,在相同车流状态下,公交车进站时受自行车的干扰较大, 出站时受机动车流运行状况影响较大。因此,本文主要研究公交车进站时自行车 对公交车的干扰。 . 本章小结 本章首先介绍了干扰的相关概念以及自行车的交通特征、行驶特性。然后分 析了公交站点不同的类型和布置形式,指出了公交站点按类型不同分为非港湾式 公交站点和港湾式公交站点;按布置位置不同分为交叉口上游公交站点、路段上 的公交站点和交叉口下游公交站点。最后以非港湾式公交站点为例分析了公交车 进出站的行驶特点及受影响的因素。 数据采集与析取 真实、有效的数据对混合交通流的研究具有重要的意义,是得出正确的研究 结论和建立模型的基础。公交站点处自行车对公交车干扰行为的研究,目前尚未 形成成熟、完善的理论体系和行为数据库,而交通个体的基本行为模型需要在实 际数据的基础上,结合一定的基本理论才能建立。所以,数据采集是研究交通 行 为理论的基础。 同时,准确、可靠的数据也是建立模型、进行微观仿真的重要依据。交通个 体行为数据的正确性、代表性和可靠性对交通个体基本行为模型和整个微观仿真 都有重大的影响。 . 采集方法概述 早期的交通数据采集主要是依靠人工计数和调查表格实现的,常用的工具有 秒表、计数器、尺子等。人工观测方法简单、易控制,但是也容易出现人为错误 和误差。所以人工观测方法一般在临时交通调查或设备短缺的情况下采用,而采 集复杂多变的交通流数据时则有很大的局限性。 世纪年代开始,随着交通控制和交通信息服务需求的增加,出现了很多 新型的、现代化的交通流自动检测方法,按不同工作原理可以分为感应线圈检测 技术、超声波检测技术、红外线检测技术、微波检测技术和视频检测技术等。视 频采集方法能够通过摄像法把某个过程以画面形式连续地展现出来。基于视频采 集的交通流数据采集方法有两种:一是先用摄像机拍摄视频录像,然后将视 频资 料上传至电脑,再利用视频处理软件人工提取所需要的各类数据;二是利用图像 处理与识别技术,通过计算机提取图像中的物体特性实现自动检测,但是对自行 车的识别现在还很难实现。 根据本文的研究内容,在公交站点的数据采集中需要同时获得多个交通个体 的行为和参数,例如公交车进站时,需要同时观测公交车的运行参数和对公交车 造成干扰的自行车的速度和数量,并且要求数据分布在一定的时间和空间跨度上。 由上可知,只有采用第一种即视频采集方法才能够满足研究公交站点自行车对公 交车干扰行为的数据采集要求。 . 数据采集 .. 基本要求 . 观测点 在进行观测之前需要先选择观测地点,观测点应具有典型性、可用性,所以 应选择符合下列条件的公交站点作为观测点: ?该公交站点的类型、布置形式和几何参数符合数据采集的要求,无明显坡 度,无视距阻碍; ?该公交站点区域有较明显的标志物,如停车线、电线杆、井盖等,并有添 置标点或标线的条件: ?该公交站点附近存在可以拍摄的高点,如天桥和高楼等。在拍摄过程中, 拍摄视角能够覆盖整个公交站点区段交通流的运行情况,同时能够辨清现场 的标 志物标志线; ?该公交站点存在自行车对公交车的干扰,且在某一高峰时期内干扰较多。 天气 天气状况应选择晴朗无大风的天气,避免雨、雪、冰雹、大风等异常天气。 这样就不会因为天气原因对自行车和行人的交通心理和交通行为产生显著 影响。 设备 摄像机一台,三脚架一个,卷尺一个用于测量标志物之间的距离。 采集时间 由于交通流量高峰和平峰时差距较大,为保证样本数据的代表性,视频数据 采集应在机动车和自行车流量最高的工作日周一至周五早晚高峰进行。所以 确定调查时间段早高峰为::,晚高峰为:?:。 .. 所需调查参数 根据公交站点自行车对公交车干扰行为研究的需要,所需调查参数主要有几 何参数和交通参数两大类。 几何参数主要包括:机动车车道数和车道宽度、非机动车道宽度、站台形式 和长度、现场标志物和所添标线的各自距离等。 所需的交通参数主要包括: 自行车的到达分布,流向分布,以及自行车通过公交站点区段的速度分布 等; 公交车在公交站点区段的运行参数,例如:进站的时间、行驶的距离,以 及相关的影响因素等。 .. 调查 为使采集到的数据具有代表性,本文根据以上采集要求选择了两个不同类型 的交叉口下游公交站点,分别是位于西土城的明光桥北公交站点和明光桥南 公交 站点,如图.、图.所示。 在进行正式采集之前应先对观测地点进行考察,以确定公交站点的几何参数 和标志物,以及摄像机的最佳拍摄点,并在拍摄点进行十几分钟的数据采集。 对 采集到的视频进行初步分析,以确定能够提取到所需的数据。在正式拍摄过 程中 应尽量保持连续拍摄,避免中断,并注意防止摄像机被行人碰撞或随意移动。 明光桥北公交站点 天气情况:晴,无风向微风,~摄氏度。 采集时间:年月号、月号:~:,:~:。 采集地点:明光桥北公交站点,如图.所示: ?摄像机放置点某高楼内 图明光桥北公交站点示意图 . 采集方法:将一台摄像机放置在某高楼内拍摄经过该公交站点的自行车和公 交车的运行情况。 公交站点特点:明光桥北公交站点是一个在混合交通流状况下的非港湾式公 交站点,位于西土城路和学院南路交叉口北侧的西土城路上。其中西土城路 是城 市主干路,共有八条机动车道,其中主干道双向六车道,主辅路之间设有绿化 隔 离带,辅路与自行车道之间没有物理隔离设施;学院南路为次干道。在该公交 站 点停靠的有、、等条公交线路。 交通流量:该公交站点具有较大的混合交通流,高峰时段的公交车流量约为 辆/,自行车流量约为辆/。明光桥南公交站点 天气情况:晴,无风向微风,摄氏度。 采集时间:年月号、月号::,:?:。 采集地点;明光桥南公交站点,如图.所示: 一 一 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 天 一。,,,,川,,,,,。 ?一一一一?一 桥 自行车道 摄像机放置点 ? 弋 / 人行道 公交站点 图.明光桥南公交站点示意图 . 采集方法:将一台摄像机放置在人行天桥上拍摄经过该公交站点的自行车和 公交车的运行情况。 公交站点特点:明光桥南公交站点是一个在混合交通流状况下的港湾式公交 站点,位于西土城路和学院南路交叉口南侧的西土城路上。其中西土城路是 城市 主干路,共有八条机动车道,其中主干道双向六车道,主辅路之间设有绿化隔 离 带,辅路与自行车道之间没有物理隔离设施;学院南路为次干道。在该公交站 点 停靠的有、、等条公交线路。 交通流量:该公交站点具有较大的混合交通流,高峰时段的公交车流量约为 辆/,自行车流量约为辆/。 . 数据的筛选与析取 在公交站点采集到的视频只是原始资料,其中含有大量的冗余信息,因此需 要对视频数据进行筛选和提取,以获取建立公交站点自行车对公交车干扰行 为模 型所需的数据。 拍摄完成后首先将存储在磁带上的视频资料数字化,即利用数据线上传至电 脑转化为格式。为了精确地记录自行车与公交车运行的时间,采用 自带的 作为视频处理软件。 能够自动对文件进行分帧播 放,精度可以达到.。因此,只要确定观察事件的起止时间,将对应的时间相 减就可以得到事件的起止时间间隔。然后利用事先定好的标志标线获得事件 起止的距离。再进行简单计算就可以得到所需数据。数据处理流程如图.所 示: 原始视频数据 ? 多媒体文件 数据采集柴奉要求 数据整理分析 图.数据处理流程图 . .. 流量类数据析取 流量类数据的析取方法相对简单,在公交站点区域断面每隔分钟统计一次 通过该路段的自行车或公交车数量,计算其小时流量,则该断面的交通量可以由 下式得到: 旦 ?. ?, 式中:一该断面小时流量辆; 吼一分钟内通过该断面的流量辆。 流量类数据是对微观行为数据的补充,对微观行为的研究有一定的辅助作用, 但不是本文的主要研究对象,以下几类微观行为数据为本文的研究重点。 .. 时间类数据析取 时间类数据主要是指公交车在有无自行车干扰下进站的时间,以及对公交车 形成干扰的自行车通过公交站点区段的时间。对于公交车辆排队的情况,当进站 公交车辆距离排队车辆末端以上时,才纳入考察范围。 提取时间类数据时首先应确定相应的标志物或平行标志线并实地测出其 实际距离,只要通过视频确定公交车或自行车前轮触地点到达起始标志物或平 行标志线的时间,以及到达终止标志物或平行标志线的时间,就可以得到 某一运行过程的时间差,具体步骤如下所示: 打开 软件,主界面如图.所示: 些巫至墟盘芏蝗?堂位监窑 墼擐嚣基当蚯塾 .?目??% 。? 一.?...?.... 图?日主界面图 日 点击“导入视频”,将保存在电脑中的视频资料导入,视频被 自动划分为若干个编辑片段,如图.所示: ,?目?’ 图视频导入图点击播放界面的“开始”键,进入视频播放状态拉立窑业占生 亟?堂也金室 熬握墨出生土匠盥 在播放视频的同时.下方显示了时间的进度,如图所示,受自行车干 扰的公交车到达起始标志线,这时按“暂停”键.并记录下方显示的开始时问; 继续播放视频,当公交车到达终止标志线时记下结束时间,如图.所示: 削公交下到达起始标志线示意蚓图公交车剑逃终标出线示意目.. 速度类数据析取 通过上面获取时间类数据后, 再通过下式简单计算即可求得公交车或自行车 通过公交站点区域的速度。 ?. ,一 一 式中:一公交车或自行车的速度/: 三?起始标志物和终止标志物之间的距离: ‘、乞一通过起始标志物和终止标志物的时刻。 .. 加速度类数据析取 提取加速度类数据时,需要先提出一个假设:即公交车的减速运动是匀减速 过程,从开始进站到停车整个过程减速度保持不变。减速度可根据下式计算得出, 单位取/。 毗 ?. 终止速度为。时 舻裂 或归南 . 本章小结 本章通过对已有数据采集方法的分析,最终确定了以视频采集方法为主、人 工采集方法为辅的采集方法。然后选择了两个典型的公交站点作为数据采集地点, 并制定了详尽的数据采集方案。采集到的数据能够真实的反映城市公交站点自行 车对公交车的干扰行为,为公交站点自行车对公交车干扰行为的进一步研究提供 了有力的数据基础。数据分析 本章通过对数据的整理与分析,定量的分析了公交站点自行车对公交车的干 扰行为,为建立自行车对公交车干扰行为的模型提供了理论基础。 . 数据分析理论基础 数理统计知识在自行车对公交车干扰行为的微观研究中非常重要,下面介绍 数据分析时常用的理论知识。 .. 样本数量要求 根据统计学理论,需要观测的最小样本量可由下式确定: 玎竺 ?. 其中:仃一样本平均标准差,美国交通工程手册中指出,平均标准离差盯为 ../,由于变化范围不大,本文取仃为./; 七一置信系数,取%的置信水平,则为.; 一计算车速容许误差,一般取/。 分别代入上式,得,:半:,由此得到最小观测样本量为,本文 所选择的数据样本量均已达到要求。 .. 数理统计基本概念 自行车对公交车干扰行为的数据分析过程中将用到数理统计的基本概念、原 理和方法,下面就对其做简要介绍【】。 随机变量是用于描述随机活动的变量,变量按一定的概率取某个值对应于随 机活动按一定的概率得到某个结果。随机变量又分为离散型随机变量和连续 型随 机变量。随机变量一个重要的数字特征是它的均值,也称数学期望,是描述随 机 变量中心意向的度量。 对离散型随机变量,若已知其分布律为:五:,那么其均值为: 三 ?. ?? 对连续型随机变量,若其概率密度函数为/,那么其均值为: ?. 矿工出 随机变量的另一个重要数字特征是它的方差,这是刻画随机变量围绕其均值 的偏离程度的变量。 离散型随机变量的方差为: ?. ?而一】, 皇 连续型随机变量的方差为: ?【一层 .. 随机变量分布与参数估计 在数据分析中,通常由样本推断总体来估计一个随机变量的分布形式及其参 数,主要包括由样本统计量推断总体的分布参数和由样本分布函数推断总体的分 布两个方面的内容。 样本是总体的代表和反映。在抽取样本后,可通过构造样本函数?,,:?。 将样本中所包含的有用信息提取出来。这样的样本函数称为统计量,其中涉及到 推断随机变量主要分布参数的统计量有样本均值、样本方差、样本的阶原点矩 ’ 和样本的阶中心矩。 样本均值对应的函数式为: ?. ,吉?石/ ’‘ 样本方差对应的函数式为: ?“. ‖加击善‘州 由样本分布函数估计一个随机变量总体的分布形式,通常希望能用一组 样本观察值为随机变量拟合一个理论分布,如指数分布、正态分布或泊松分布等。 只是在不能找到一种合适的理论分布形式时,才直接采用样本观察值定义一 个经 验分布。 确定任一个随机变量总体的概率分布一般步骤如下: 根据抽样理论来合理地获取一批观察数据,即样本观察值。,?。; 对所获得的实测数据进行整理,并根据相应整理结果得出对数据变量分布 的假设; 估计数据变量分布参数; 按适度准则检验所提出的分布假设;如果不能找到一种合适的理论分布函数,则直接由所收集到的观察数据确 定堆积变量的经验分布函数。 对数据变量分布形式的假设通常建立在一组样本观察值的基础上,在这里, 我们采用绘制频数分布图的方法,得出数据变量概率密度厂的近似曲线。再将 所得曲线与各种常见理论分布的概率密度曲线相对照,即可对随机变量的分布形 式做出假设。 在假设随机变量的理论分布形式之后,为全面的确定其分布函数,有必要进 一步对相应分布中所含的参数做出估计。 .. 参数及分布函数的假设检验 为随机变量假设一种理论分布形式和估计它的参数以后,必须进行参数检验, 并检查观察值五,:??。是否与拟合的分布一致。对随机变量的参数检验主要 分 为正态分布的参数检验和非正态分布的参数检验。对正态总体的均值检验采 用检 验法,即未知总体方差情况下的参数检验,方差检验采用检验法。 对样本进行分布检验需要假设。: 是否为真,其中为随机变量的真实分布, 为我们所做的判断分布。 采用:检验法可以用来检验总体是否符合任何一个给定的分布函数。石检 验法的根据是:若样本分布与判断分布吻合的话,则样本落在各个子 区间的理论频数之差应比较小。检验的具体步骤如下: 假设:,石,此中为总体理论分布,为待判断分布。 根据实测数据将实轴??,。划分成个子区间,各子区间的边界满足 一 口口口口?; 统计样本值而,%?。落入各子区间的实际频数,...,: 当。:,石为真时,计算总体落在各子区间中的理论概率, 如下所示: 尸?,口一口? 从而可以得出样本,:?。落在子区间中的理论频数为,; 作统计量窆垡与孑丛,可以证明:不论撕,当日。为 “ 真时,只要充分大,统计量均可服从自由度为一的分布为分组数。 因此当给定检验水平口之后,可由自由度为一的分布表查出满足关系式 口的临界点。 由样本观察值。,:?所获得的彳及,,...,后代入统计量 冉喜%?,计算蚶的实验观察值?。 作出判断:若?,则拒绝日。,即认为总体分布与判断分柿昂 不符;若?,则接受日,认为总体分布,石与判断分布昂相符合。 . 微观行为数据分析 .. 自行车对公交车干扰的数据分析 对于非港湾式公交站点和港湾式公交站点,自行车对公交车的干扰程度存在 一定的差异,所以对这两种类型分别进行分析。整理得到的公交车减速度按有无 自行车干扰分为:有自行车干扰时的减速度和无自行车干扰时的减速度。自行车 对公交车的干扰按自行车位置不同又分为阻滞干扰和摩擦干扰两类。 明光桥北公交站点 在非港湾式公交站点,自行车对公交车的干扰主要表现为阻滞干扰和摩擦干 扰,干扰程度的大小主要取决于自行车的速度和数量。此外还有一些客观因素影 响自行车对公交车的干扰程度,如驾驶员的熟练程度等。本章就自行车的速度和 数量对公交车的影响程度进行定量的分析。 ?公交车减速度一自行车速度分析 阻滞干扰情况下公交车减速度一自行车速度的分布如图.所示:、, 玩 ‘ 褥,。。:一 。?嚣?囊’。;二‘。. 、 ~‘ 。’ 溺 ? 灞 越 ??:二?。。?’。。??制 爹’,。一:、,,,一 一赫‘?一‖。,钞一一一、二?秀 嬉抖 :’ 杈 爹 ,一。:,饕 :,’,一,’:’??’,曩,匈 ,。蠢?。?爹。.’。.:,。;震卜.。一;‘ 一警:焉;??鬟?瑟冀,~。鬟霪 锄旋?磊貔么鑫么缓施茏么二疲缓缓纛二缓‘墓;鍪:纛塞蠢:鬣蠢蠢蠹五麓 自行车速度 图.阻滞干扰情况下公交车减速度一自行车速度分布图 .摩擦干扰情况下公交车减速度一自行车速度的分布如图.所示: ‘ 。. 。‘ 黎 ,?。...,:一.:?鬟 。? 一 錾 :,“州户二伊一?瓢。一:‘慈 黪 ,。’;’.‖一誓。凑 ’ ‘ ? 霪、‘一 .? ’霭 ’? 笺 灞 雾.?。。、 ? 。,, ?.,, 。秀 ~ 越艘蟮杈匈 ’’ ’; 荔 鍪警譬“、; :’ ,。’ 器“麓’’、溪鍪叠 渤 : : 豢:。:一 ,毳 自行车速度 图摩擦干扰情况下公交车减速度一自行车速度分布图 .从图中可以大致看出,无论阻滞干扰还是摩擦干扰,随着自行车速度的增 加, 公交车减速度呈增加趋势,即随着自行车速度的增加,公交车的减速度递增。 二 者之间可以近似认为是一种线性关系。 ?公交车减速度一白行车数量分析 阻滞干扰情况下公交车减速度一自行车数量的分布如图.所示: . 黔零黪 . 戮蠹?移。。一一 一,,。“,一?鐾巍;爹萋?,,,。,一。餮 。 ‘蠖澄扩,辩、莓鲁沁 镯 ;髫二,,,,,, . ’蔫 》』,一 ?‘’, ’;‖麓慧爹?’ 争 ?一霭 ‖ :,;‘ :。?;,蛰、,?~,、 鼬 “’:二 ,鬈,,。 , :,。 耋 爹一,, :’ 寨, 。,一。,:凑 跏 豢,::。, ,。,,;二,.:;。, ::;;,’.,荔,,,,,?。。?。二.,。,荔 ,.’’ ~ 彩?。 ,锈 . ,、。。 卜: :,:一~,?;‘:鬈,.:...’,。、,曩 . 鏊鑫磊