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以行人为中心的十字路口行人过街模型研究

2024-04-28 来源:欧得旅游网
第33卷第12期 宜春学院学报 Vo1.33.No.12 2011年12月 Journal of Yichun College Dec.2011 以行人为中心的十字路口行人过街模型研究 季红梅 (安徽财贸职业学院电子信息系,合肥230601) 摘要:此文根据元胞自动机 论分析道路交通流,以行人利益为中心,方便行人为第一前提,从双向行人 需求、车辆需求、行人车辆交互三方面建立行人过街方式模型,研究设计同时满足行人和车辆需求的交通管制方 案的可行性,并给出了特例分析。模型考虑了行人产生概率、违规概率、群聚违规概率对车流和行人流的影响。 提出了在保证行人安全便捷的前提下提高道路交通效率的意见方法。 关键词:元胞自动机;十字路口;信号灯设置;行人过街 中图分类号:TP301;U491文献标志码:A文章编号:1671—380X(2011)12—0000一o5 The Pedestrian Crossing Modd a Study on the Model of Pedestrina—Centered Pedestrian Cross/ng JI Hong—mei (Anhu/Finance&Trade Vocational College,Hefei 230601,China) Abstract:This paper studies the tramc control system,which meets the needs of pedestrians and vehicles,and its feasibility with ana- lyzing a special case.Cellular automata theory is adopted to analyze the tra ̄c flow.Centered on the interest and convenience of pedes- trlans,the model ofthe way of pedestrina crossing is set up underthe consideration ofthree aspects,which include the needs oftwo— way pedestrians,the needs of vehicles and the interaction of pedestrians and vehicles.Considered the influence of generating probabili- ty,violation probability and clustering violation probability of pedestrians to the traffic and pedestrian flow,the way to improve the transport efifciency under the premise of ensuring the pedestirans’safety and convenience is proposed. Key words:CeUular Automata,Crossing—Street,Signal Set,Pedestrina Crossing 城市中,控制十字路口的红绿灯工作方式的程序设计 大数量。这样可以最大限度缩短车辆等待时间; 将很大程度的影响道路交通的安全与效率。如何设计合理 (3)路口为十字路口,行人过街等待区命名为“安全 的信号灯程序是一个富有研究和实用价值的领域。 岛”,具体布局见第3节; 通常,对于信号灯控制程序的设计以及数学建模研究 (4)模型以满足行人过街的前提下车辆的等待时间为 主要着眼于车辆的通行需求,往往弱化或忽视行人作为交 标准,评价道路的通行情况。车辆等待时间越短,车流量 通参与者的需求和对交通效率及安全性的影响。具有极大 越大,道路越通畅; 的随机性和不确定性是行人参与道路交通与车辆的最大区 (5)模型仅考虑行人和汽车的过街行为,不考虑自行 别。行人在道路交通事件中的违规率远远高于车辆,一旦 车、摩托车、电动车等其他道路交通参与者的行为; 出现道路交通安全事故,行人受到的伤害也远远高于车辆 (6)行人过街必须走在斑马线宽度内; 驾乘人员。在相关道路信号灯设计研究中关注行人的需求 (7)信号灯分为车辆信号灯和行人信号灯,具体布局 是以人为本的基本要求。 见第3节; 现以行人利益为中心,探讨在优先保证行人过街方便, (8)车辆信号灯分为直行灯和左转灯,直行灯为红时 尽量减少行人等待时间的前提下,设计同时满足车辆需求 允许车辆右转; 的信号灯控制程序的可能性。通过数学建模的方法,设置 (9)一个红灯周期+一个直行绿灯周期+一个黄灯周 合理假设,建立十字路口信号灯控制模型,且特别提出了 期+一个左转绿灯周期+一个黄灯周期=一个车辆信号灯 一个行人过街方案,可为城市行人交通设施设计和信号灯 周期;一个红灯周期+一个绿灯周期=一个行人信号灯周 优化程序设计提供可行性理论依据。 期。 假设Tl=t红l+t蟑 ,1r2= tr2¨挑是两个连续的信号灯 1模型假设 周期,则行人信号灯绿灯周期t绿2时长满足让 tr2+后前 (1)所有车辆都严格遵循交通规则,不会发生抢行、 言 绿 +前言 绿2时长内出现的人群通过马路的最短时间,红 占道、违规超车、违规停车等行为; 灯亮则未出安全岛的行人开始等待,同时车辆左转绿灯将 (2)斑马线对行人的容纳量始终保持在饱和状态,即 延时亮起,保证走了一半的行人通过;  .行人过街时,总是单位时间内,斑马线允许通过的行人最 (10)安全岛面积足够容纳所有等待过马路的行人; 收稿日期:2011—08—15 作者简介:季红梅(1963一),江苏常熟人,高工,学士,研究方向:计算机及其应用(数据库设计、软件应用程序设计)。 ・2O・ 第12期 季红梅:以行人为中心的十字路口行人过街模型研究 第33卷 (11)该路口无交通事故发生,且所有参数不考虑雨雪 天气影响; 马路均为双向n车道,十字路口有车辆信号灯和行人 信号灯,信号灯灯的周期为Ti。为方便计算模型效率,T; 随行人数量变化而浮动。 (12)行人在短时间间隔内等待2次时,最长忍受等待 时间不变; (13)汽车匀加速通过路口; 定义:T1、T2、L、T4为相邻的4个信号灯时间周 期嵋J o则: (14)默认平均等待时间=需要等待的信号灯时间; (15)某方向上的平均行车等待时间=该方向上直行车 和左转车平均等待时间的加权平均。 2符号说明 (1)TlL信号灯周期中,南北为红灯,东西为绿灯, 则绿灯时长为max{东西向第一辆等候汽车通过路口的时 间,东西向满足假设第9条行人通过的时间}。 表1符号说明表 (2)T2 T4信号灯周期中,南北为绿灯,东西为红灯, 则绿灯时长为max{南北向第一辆等候汽车通过路口的时 间,南北向满足假设第9条行人通过的时间}。 (3)4个周期时间根据行人出现数量浮动,不一定相 等,可无限向后延长。所有信号灯时长动态浮动。 (4)右转辅道设有行人信号灯和车辆信号灯,由行人 按钮控制,触动后,lOs内转为行人绿灯,右转车辆红灯, lOs后恢复行人红灯,右转车辆绿灯,从而规避右转车辆与 行人争道。模型只考虑行人从一个安全岛穿过主路到达对 面安全岛的过街行为。 (5)由于绿灯时,南北向的左转车辆会与南北向行人 产生道路冲突,故选择左转绿灯时,行人为红灯,即左转 绿灯时,路口仅有南北向的左转车辆通行。车辆信号灯周 期顺序为全红灯,直行绿灯+左转红灯,直行黄灯+左转 红灯,直行红灯+左转绿灯,直行红灯+左转黄灯。 该模型由双向行人模型、车辆模型、行人车辆交互模 型三个子模型组成。 3.1双向行人模型 奄 入镪号 注:s表示单位时间秒,m表示单位长度米。 3模型的建立 此模型对普通十字路口布局作出优化,除4条主路斑 马线外添加4条右转道斑马线、过街安全岛和右转辅道, 布局如图1所示。 图2十字路口局部图 为方便研究,仅分析十字路口一个南北方向上的行人 过街模型。如图2所示,模型以东西向车辆的等待时长和 违规行人对南北车辆的影响为评价标准。其他方向与此相 同。 根据元胞自动机【l 理论,设每个人必须一个面积为s 的正方形站立,则在这样一个正方形内,只允许一个人站 立(值为1)或者没有人站立(值为0)。主道斑马线宽 w,长2n}L,总面积为2nWL,则斑马线允许站立的总人 数为l2nWL/sl,即斑马线被划分为l2nWL/s1个方格组成 图1十字路口布局图 的网。同理将安全岛也划分为单位面积为s的网。 ・2】・ 第12期 宜春学院学报 第33卷 行人在人行横道两端以二项分布产生,即每秒以概率 通过计算机程序仿真分析数据,得到如下结果模型: P在安全岛上产生1个行人。行人产生规则如下: 一个人通过路口的平均时间: (1)两个侧面相邻的行人不能选择侧向移动,两个步 行者之间的空位对于两个人各有50%概率可以占据。 t^= = _c (一Ⅳ)下  (2)前进或左右变换路线的选择因素取决于该变换是 否最有利于行人加速到最大速度。 斑马线满负荷时,需要通过l N/f-、-r2- - -2nwl/s , lJ批人, (3)为了躲避网格内的逆向行人,可能向邻道规避。 则南北向绿灯时长为: (4)如果超过前面速度较慢的行人的行动受到相反方 向行人的干扰,在选择跟在前方速度较慢的行人后。 (1 /l 。。一2nwl/slJ+1)'It人 (5)邻道变换的概率为:相邻的两条邻道各有50%。 3.2车辆模型 (6)默认安全岛面积可以容纳所有生成的行人。安全 该模型优先行人通行,车辆可以无限等待行人。道路 岛面积也是评价标准之一,如果可以容纳所有行人的安全 交通质量以车流量大小评价。行人通行时,车辆等待,会 岛大到不合常理,则模型需要改变。 影响车流量,从而由车流的平均等待时问判断道路通行情 由于双向人员行走时可能发生逆向相阻问题,斑马线 况。 在功能饱和时显然不能站满人。考虑人是智慧生物,会提 车辆以概率 在四个方向上产生。例如,左转车产生 ‘前思考有利的行走路线,规避障碍,提高速度,故将斑马 率为 。车流平均等待时间=车辆基础等待时间+车辆附 I I 加等待时间。车辆基础等待时间指人行信号灯为绿灯时, 线的饱和承载能力定为ll斗{_ 2n L l,即斑马线可以同时 l 车辆正常需要等待的时间。车辆附加等待时间指行人违规 I l 满足I却nWL/I斗 s1个人行走。n的绿灯周期内两侧路口需 I 时,车辆由于避让产生的等待的时间。 模型规则L3 J: 1 1 要过马路的总行人数Ⅳi=2}P¥( +÷t绿1.1+÷ (1)司机有以尽可能快的速度行驶的趋势,不超过道 厶 路限速; t哦)。此绿灯周期时长为这些人过马路的总时长。设行人步 (2)单车道不能超车,行驶受到前车约束; 行平均速度为 空路条件下人的平均行走速度可暂定为 (3)驾驶员反应随机减速。 1.5m/s,则 随着Ⅳ的增加应该逐渐减少,不妨V=/ 直行绿灯+直行黄灯时长与人行绿灯时长相等。设车 (Ⅳ)=1.65{1.1 (一N)(N为正整数),如图3所示。 辆加速度为a,由图1知,左拐总路程为 + nL,设汽 车匀加速通过路口。左拐车辆数为 =,,姗:{Q南£,Q }。 左拐绿灯时长保证红灯时积攒的需要左拐的车全部通过。 左转为绿灯时,行人为红灯。设每辆车占位7.5m(小型车 士 音 停放时包括安全车距的平均占地长度),等待左转的车保持 最小安全车间距。车辆开启后间距保持2m。头车驾驶员反 应时间为‘,跟车在前车行驶车距2m后开始启动。故得到 ★ 卡 如下结果模型: ● 左转车辆全部通过需要时间为: 善 +++ ●年 +2( 一1)√丢+t+2 Vmax+ ‘ ● P+++●. 直行车辆绿灯+黄灯时间同行人绿灯时间,即, I Ⅳ/( nWL’ /s)lI +1) ,路口宽度为2nL,车辆参数假 圈3人数与行走速度关系 设不变,则每次绿灯可以通过的直行车辆数为 『2。 (【 + 一t)一4n 一 +4a 1 15a√口+4aV ax 3.3行人车辆交互模型 行人信号灯为红灯时,冒险穿越,穿越条件是车辆到达人 考虑到车辆减速时a容易达到lm/s:,模型使用车辆与 行道的速度<(该行人穿越马路的最短时间+充裕时间); 人行道间距来比较、控制车速。 (4)考虑行人群效应,若4个以上行人选择冒险穿越, 模型规则: 其余行人,以80%的概率选择冒险穿越; (1)人行信号灯是红灯且车速大于车辆与人行横道间 (5)当行人等待时间超过45s时,行人以80%的概率 距,车辆减速; 选择冒险穿越; (2)人行道上有行人,且车速大于车辆与人行道间距, (6)第(4)条和第(5)条相互影响。 车辆减速(适用于行人违规时); 违规行人数量扩(L 一41>0或 >45)Ⅳ逆= (3)以一定概率U产的的不遵守交通规则的行人,在 80%P Ttz,e/se = 。车辆附加等待时间与违反交 ・22・ 第12期 季红梅:以行人为中心的十字路口行人过街模型研究 第33卷 通规则的行人数量呈正比。设c=C(Ⅳ逆)为一个增函数。 (2)△ 为行人绿灯的富余时间,因为考虑当行人量 结合3.1和3.2的结论: 很少时,要保证一定的车行量,△ 为常量,人为规定。 (1)南北向行人绿灯时间=南北直行车绿灯时间 直行绿灯时间内允许通过的直行车数量= =({ ( nItlL/s)f+1) + I 2a (1 t) 一 1 l——————— =————一J 未通过的车辆滞留到下个绿灯周期通过,从而平均基 东西直行车平均基础等待时间=18+17=35s, 础等待时间累加。 东西左转车平均基础等待时间=35s+ 周期东西向 (3)南北向车辆左转绿灯时间= 直行时间, +2(qL-1)√÷…2盟Vmax+ 东西行人平均等待时间=35s, 东西行人产生量N=35P, (4)南北向行人红灯的最短等待时间=南北向车辆左 东西直行车产生量=35/2=16, 转时间+下个时间周期东西向行人绿灯时间。东西向行人 东西向违规行人数:UN=TP, (P>O.6)N逆=28P, 红灯的最短等待时间=南北向行人绿灯时间+下个周期东 e/seⅣ逆=7P, 西向车辆左转时间。考虑等待时间内行人概率性违规,违 规行人数量为:扩(L 一4J>0或 >45)Ⅳ逆= 80%P ,e/se N逆=L j。 综上所述,车辆基础等待时间为: (I^r/( nWIJs)I+1)女 t人+ +2( 一 )√÷十t+ +里 车辆附加等待时间:c=C(^ ), 车辆等待时间=车辆基础等待时间+车辆附加等待时 间。 4模型的求解与分析 以上模型可以套用各个路口的实际数据,通过绘图进 行实际分析,以下仅列出一组实际数据分析,作为样例。 由于信号灯时长(单位:秒)、人、车是特定实体,计算结 图4函数关系图 果都必须取整。人车按照只保留整数部分取整,信号灯时 南北直行车附加等待时间: (P>0.6)C=C( ) 长四舍五人。 =2 (28P 0.4)>8s,e/se,c:C(Ⅳ逆):2 (7P 0.4) 设系统信号灯周期为 ,起始周期为南北向绿灯,东 <3s, 西向红灯。△T=8s;口=lm/s;5=0.25时; =13.5m/s 南北向左转等待时南北行人增加:17P, (48.6kIn/^);L=3.5m;n=2(双向2车道);斑马线宽度 南北向行人在左转等待时的违规人数3.4P, =5m;驾驶员反应时间t=1s;行人一般违规率U=20%; 南北左转车附加等待时间 (P>0.6)c=2 (28P 直行车辆出现率为1辆/2s左转出现率是1辆/4s。南北向 O.4)+2 (3.4P1).4)>10.5s,e/se,c=2 (7P"0.4)+ 路口两侧共有1O人等待过马路。东西向两侧没有行人等 2 (3.4"0.4P)<4.5s, 待。南北向路口两侧各有4辆车等候直行通过,0辆车等候 东西向安全岛面积S>35p}0.25 左转通过。东西向无车等待。 南北行车平均等待时间: 根据实际情况模拟数据,设c=C(Ⅳ逆)=2 (Ⅳ 矿(P>0.6)c>18.25s,e/se,c<l2.75s(计算规则 0.4),函数关系图如图4所示。 参见第1节规则15)。 第一个周期 。南北通行,东西等待: 以上结论默认南北直行初始等待时间为0。 南北行人等待时间=0s, 第二个周期 南jE等待,东西通行: 南北向行人绿灯时间=18s, 分析过程同上。 南北直行车平均基础等待时间=0,原有车辆:4,通 因此,可计算出直行车辆滞留到第三个周期叠加平均 过车辆:4,滞留车辆:0, 基础等待时间的节点是P>0.7。且行人大范围违规的节点 南北左转新产生车=18/4=4, 是P>0.67左右。由于周期一的行人等待时间叠加效应, 南北左转车绿灯时间=17s, 节点后的车辆平均等待时问会增加很快。计算机仿真效果 南北左转车平均基础等待时间=18s(参见第1节14 图如图5所示。 (下转第73页) 条), ・23・ 第12期 李兰平:基于神经网络2010年上海世博会影响力的定量评估模型 表1预计至世博会闭馆时每日参观人数 第33卷 日期 9月14日 预计人数 372187 日期 9月30日 预计人数 335077 日期 1O月16日 预计人数 328923 9月15日 9月16日 9月17日 9月18日 9月19日 368553 365066 361741 358590 355622 1O月1日 10月2目 10月3日 lO月4日 10月5日 334144 333326 332611 331990 331452 1O月17日 lO月l8日 10月19日 1O月2O日 1O月21日 328858 328805 328763 328729 328701 9月20日 9月21日 352844 35O259 1O月6日 1O月7日 33o99o 330594 1O月22日 1O月23日 328679 328662 9月22日 9月23日 9月24日 9月25日 9月26日 347867 345666 343651 341818 34ol59 l0月8日 1O月9日 1O月lO日 10月11日 l0月12日 330257 329971 329729 329526 329357 l0月24日 10月25日 1O月26日 10月27日 10月28日 328648 328637 328628 328622 328617 9月27日 9月28日 9月29日 338665 337327 336134 10月13日 10月14日 lO月15日 329215 329098 329002 1O月29日 10月30日 l0月31日 328613 328610 328607 所以,经过RBF的预测(见表1),推算2010年上海 世博会的参观人数为6776万,比历史上参观人数之最的 1970年日本大阪世博会6422万人还要高出300多万,而且 这是在全球金融危机尚未全面复苏以及人们对世博会逐渐 产生审美疲劳的情况下取得的,因此从这个角度来说,上 海世博会的影响力是空前的。 2模型评价与推广 并且预测结果用小波分析进行检测,可以推广到其它预测 模型的应用。 参考文献: [1]张国林.基于层次分析法的上海世博会影响力的定量 评估[J].宜春学院学报,2011,33(4):41—42 [2]韩中庚.长江水质综合评价与预测的数学模型[J].工 程数学学报,2005,22(7):66—67 [3]魏海坤。神经网络结构设计的理论与方法[M].北京: 国防工业出版社,2005,2 虽然世博会已经过去一年,结果具有滞后性,但是模 型是由加权线性模型和RBF网络模型搭配而成,具有创新 性。线性模型浅显易懂但是逻辑性好不逊色于非线性模型。 RBF网络训练速度快且拟合精度更高,程序完全自主开发。 (上接第23页) [4]葛哲学,孙志强.神经网络理论与Madab R2007实现 [M].北京:电子工业出版社,2007,9 判断拐点。此处未对此详细讨论。建议当行人出现率超过 判断拐点时,路口应架设天桥或建设行人地道。 5模型评价 该模型对于行人过街问题提出了一个路口设计改善的 方案,并对此方案进行建模和分析,确定适用的范围。该 方案通过路口规划设计的调整,规避了右拐车辆对行人的 影响,同时通过对运用数学知识运算以及计算机仿真结果 的分析,基本阐述了十字路口行人过街方式的合理整合的 方向。由于模型对于道路情况作出了很多约束,对实际道 路状况仿真能力有限,还有改善空间,比如增加自行车的 影响等。相比行人,自行车更加机动,且具有巨大的保有 量,其对道路交通行为的影响不容小视。此外计算马路宽 度时忽视绿化带、隔离带、自行车道的宽度,对于车辆流 量的计算尚有一定误差。 图5仿真效果图 参考文献: 由此继续推导,可看出,P=0.6、0.7附近为拐点。之 前,车辆平均等待时间平稳增加,之后,车辆平均等待时 间迅速增加,道路迅速呈现拥堵,行人违规增多,最终导 [1]段后利,张毅.交通控制下基于元胞自动机的行人过街 模型研究[J].ITS通讯,2006,(01):52 致交通瘫痪。此外,积聚人数的增多,会导致安全岛的需 求面积增大,最终达到路口不可容纳的标准。导致安全岛 面积迅速增大的拐点应与已知拐点相协调,取适宜的值为 [2]刘来福.数学模型与数学建模[M].第二版.北京:北 京师大出版社,2002,355 [3]姜启源,谢金星,叶俊.数学模型[M].第三版.北京: 高等教育出版社,2008,428 ・73・ 

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