周晨靜， 榮 建， 馮星宇

(北京工業(yè)大學(xué) 交通工程研究中心， 北京 100124)

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信號(hào)交叉口引道自行車(chē)群釋放速度統(tǒng)計(jì)模型

周晨靜， 榮 建， 馮星宇

(北京工業(yè)大學(xué) 交通工程研究中心， 北京 100124)

自行車(chē)群釋放速度特性是研究信號(hào)交叉口自行車(chē)交通流釋放特性的重要指標(biāo). 為了探求城市信號(hào)交叉口自行車(chē)群釋放規(guī)律，結(jié)合調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)信號(hào)交叉口自行車(chē)群釋放速度特性進(jìn)行了分析. 結(jié)果表明，綠燈亮起后自行車(chē)群中的單體自行車(chē)通過(guò)信號(hào)交叉口時(shí)均要經(jīng)歷加速、勻速2個(gè)階段，其中在加速階段，自行車(chē)群前面自行車(chē)的加速度具有一定的離散性，經(jīng)驗(yàn)證服從正態(tài)分布，自行車(chē)群后面自行車(chē)的加速度趨于一致但表現(xiàn)出一定的延遲特性；在勻速通過(guò)階段，自行車(chē)群前面自行車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行速度同樣具有差異性，自行車(chē)群后面自行車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行速度趨于一致. 對(duì)這些釋放速度特性進(jìn)行量化研究，給出具體計(jì)算模型.

信號(hào)交叉口； 自行車(chē)交通流； 釋放速度

0 引言

機(jī)非混行是我國(guó)城市交通的重要特點(diǎn)，也是交通管理和研究的難點(diǎn). 目前關(guān)于自行車(chē)交通流特性的研究主要是以單個(gè)自行車(chē)為研究對(duì)象[1-4]，而且多是在路段上進(jìn)行；對(duì)信號(hào)交叉口自行車(chē)交通流的研究多是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行宏觀性的統(tǒng)計(jì)分析，缺少微觀釋放特性的研究[5-11]，導(dǎo)致在自行車(chē)交通仿真應(yīng)用過(guò)程中，更多應(yīng)用機(jī)動(dòng)車(chē)交通流仿真模型，難以服務(wù)于實(shí)際的交通運(yùn)營(yíng)分析及管理. 研究選取北京典型信號(hào)交叉口調(diào)查高峰期間自行車(chē)群釋放特性，并對(duì)整個(gè)釋放過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)運(yùn)行速度特性分析，研究自行車(chē)群不同位置車(chē)輛運(yùn)動(dòng)特性，為自行車(chē)流管理及仿真模型研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐.

1 城市信號(hào)交叉口自行車(chē)釋放特性分析

在紅燈期間，自行車(chē)以集群的形式在交叉口入口處大量聚集[12]. 綠燈啟亮后，聚集的自行車(chē)又以車(chē)群的形式釋放. 綠燈初期，釋放自行車(chē)群密度很大，自行車(chē)在自行車(chē)群內(nèi)受到彼此的約束，自行車(chē)群以高密度、低自由度的方式通過(guò)交叉口；在接下來(lái)的綠燈時(shí)間內(nèi)，自行車(chē)會(huì)隨機(jī)到達(dá)并且自由通過(guò)交叉口. 此時(shí)自行車(chē)之間相互影響很小，自行車(chē)以低密度、高自由度的隨機(jī)形式通過(guò)(如圖1). 自行車(chē)在綠燈期間通過(guò)交叉口分為很明顯的2個(gè)階段；第1個(gè)階段是自行車(chē)以高密度低自由度的集群形式通過(guò)交叉口，第2個(gè)階段是低密度高自由度的隨機(jī)到達(dá)形式通過(guò)交叉口. 為了定量描述不同釋放階段自行車(chē)交通流的運(yùn)行特性，對(duì)信號(hào)交叉口自行車(chē)群的釋放速度特性進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與特性分析.

圖1 信號(hào)交叉口自行車(chē)5 s累計(jì)釋放流量

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

為了分析信號(hào)交叉口自行車(chē)群的釋放速度特性，選取北京市典型信號(hào)交叉口進(jìn)行了調(diào)查. 調(diào)查分8次進(jìn)行，第1次調(diào)查地點(diǎn)選擇了天壇東路與體育館路交叉口，調(diào)查時(shí)間為周一至周四，調(diào)查時(shí)間段為早7：00—8：00；第2次調(diào)查地點(diǎn)選擇了天壇東路與龍?zhí)堵方徊婵?，調(diào)查時(shí)間為周一至周四，調(diào)查時(shí)間段為早7：00—8：00. 這2個(gè)地點(diǎn)有大量的自行車(chē)通行，可以提供足夠的樣本數(shù)據(jù). 調(diào)查使用高精度GPS接收機(jī)(NovAtel DL- 4 GPS)，可以精確采集調(diào)查車(chē)輛的瞬時(shí)速度.

2.2 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過(guò)2周的數(shù)據(jù)采集工作共獲取150組有效數(shù)據(jù). 為便于研究，挑選出在自行車(chē)車(chē)群中距離停車(chē)線分別為0、0.5、1.5、2、2.5、…、15.5、16 m的調(diào)查車(chē)輛作為研究對(duì)象，以綠燈起亮?xí)r間為基準(zhǔn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)調(diào)查車(chē)輛的速度變化情況. 不同位置自行車(chē)通過(guò)信號(hào)交叉口的速度變化如圖2所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，綠燈起亮后自行車(chē)群群首的自行車(chē)直接開(kāi)始加速，然后達(dá)到一定穩(wěn)定速度通過(guò)信號(hào)交叉口；而其他位置的自行車(chē)需要等待一定時(shí)間后才開(kāi)始加速，然后達(dá)到一定穩(wěn)定速度通過(guò)信號(hào)交叉口. 為了深入分析自行車(chē)群釋放特性，將綠燈起亮后不同位置自行車(chē)的啟動(dòng)延遲時(shí)間、平均加速度、加速時(shí)間、穩(wěn)定運(yùn)行速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1.

表1 信號(hào)交叉口自行車(chē)交通流釋放特性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

圖2 不同位置自行車(chē)運(yùn)行時(shí)間- 速度散點(diǎn)圖

3 自行車(chē)釋放速度特性分析

表1中統(tǒng)計(jì)得出自行車(chē)群中自行車(chē)位置與啟動(dòng)延遲時(shí)間、平均加速度、穩(wěn)定運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，其散點(diǎn)圖如圖3～5. 由圖3可以發(fā)現(xiàn)，綠燈起亮后不同位置自行車(chē)的啟動(dòng)時(shí)間不同. 運(yùn)用線性模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為：

t0=bL-3.0 (1.5

(1)

其中：L為自行車(chē)在自行車(chē)群中的排隊(duì)位置(m)；b為線性系數(shù)，b取值為2(s/m)；t0為綠燈亮起后，排隊(duì)位置在L處自行車(chē)的啟動(dòng)延遲時(shí)間.R2=0.975. 分析結(jié)果可以表明在距離停車(chē)線一定距離后自行車(chē)的啟動(dòng)延遲時(shí)間與其在自行車(chē)車(chē)群中的位置是線性相關(guān)的,而排在自行車(chē)群隊(duì)首的自行車(chē)幾乎不存在啟動(dòng)延遲時(shí)間.

由圖4、5可知，自行車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行速度及平均加速度在6 m位置前后有明顯的變化趨勢(shì). 將位置距停車(chē)線小于6 m的自行車(chē)記為A組，大于6 m的自行車(chē)記為B組，對(duì)兩組數(shù)據(jù)中的加速度和穩(wěn)定運(yùn)行速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性分析，結(jié)果如表2.

表2 加速度、速度統(tǒng)計(jì)分析表

注：a(A), a(B)分別表示不同自行車(chē)A、B兩組的加速度(m/s2); v(A), v(B)分別表示不同自行車(chē)A、B兩組的速度(m/s).

圖3 自行車(chē)位置- 啟動(dòng)延遲時(shí)間散點(diǎn)圖

圖4 自行車(chē)位置- 平均加速度散點(diǎn)圖

圖5 自行車(chē)位置- 穩(wěn)定運(yùn)行速度散點(diǎn)圖

由表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：自行車(chē)群中A組自行車(chē)與B組自行車(chē)相比，平均加速度及穩(wěn)定運(yùn)行速度的離散程度均比較大. 在自行車(chē)車(chē)群中，由于駕駛員特性不同、自行車(chē)性能存在差異，單體自行車(chē)在前進(jìn)過(guò)程中存在加速性能上的差異. 綠燈亮起后，自行車(chē)車(chē)群群首位置的自行車(chē)在釋放過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出這種差異，不同自行車(chē)的釋放平均加速度及穩(wěn)定運(yùn)行速度離散程度較大；而自行車(chē)車(chē)群中的自行車(chē)由于受到自行車(chē)群中其他自行車(chē)的影響，不能自由運(yùn)行，削弱了車(chē)輛之間運(yùn)行特性的差異，使自行車(chē)群中不同自行車(chē)的釋放平均加速度及穩(wěn)定運(yùn)行速度趨于一致，離散程度較小. 通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)，可以證明位置在距停車(chē)線6 m以內(nèi)自行車(chē)的加速度符合正態(tài)分布N(0.32，0.04)，其穩(wěn)定運(yùn)行速度在3.38 m/s左右波動(dòng)；自行車(chē)群中排隊(duì)位置在6 m以后的自行車(chē)以0.2 m/s2的加速度均勻加速到3.36 m/s的速度，然后勻速通過(guò)交叉口. 城市信號(hào)交叉口距停車(chē)線不同距離自行車(chē)釋放速度模型可以表示為

VL=aL(t+t0)

(2)

其中：VL為自行車(chē)群中距離停車(chē)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)的自行車(chē)的運(yùn)行速度(m/s)；aL為自行車(chē)群中距離停車(chē)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)的自行車(chē)的加速度(m/s2)；t為綠燈起亮

后自行車(chē)運(yùn)行時(shí)間(s).

4 結(jié)束語(yǔ)

城市信號(hào)交叉口紅燈期間聚集的自行車(chē)群，在綠燈期間釋放過(guò)程中，不同位置的自行車(chē)具有不同的釋放速度特性. 對(duì)信號(hào)交叉口自行車(chē)釋放速度特性的研究，有助于交通運(yùn)營(yíng)和管理部門(mén)更好地設(shè)計(jì)信號(hào)控制策略，有助于自行車(chē)交通仿真技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展. 由于調(diào)查樣本有限，文章中自行車(chē)釋放速度模型只適用于自行車(chē)道寬度為5 m的信號(hào)交叉口，需要調(diào)查更多的樣本進(jìn)行自行車(chē)釋放速度特性的研究.

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Statistical Model Research on Bicycle Flow Discharge Speed at Signalized Intersections

ZHOU Chen-jing, RONG Jian, FENG Xing-yu

(Beijing Key Laboratory of Traffic Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The discharge speed characteristics of bicycle flow are important measures of effectives for signalized intersections. In order to examine the pattern of bicycle discharge at signalized intersections; the paper surveyed and analyzed the data of bicycle group discharge speed characteristics at signalized intersections. Results show that after the green light the individual bicycle will accelerate first and the pass through the intersection at a uniform speed. But in the accelerating stage, the acceleration of bicycle in front of the group follows a normal distribution, the acceleration of the rest of the group will be consistent but show some delay characteristics; In the uniform stage, the stable operation speed also have differences between the bicycles in front of the group; the rest of the group has consistent and stable operation speed.

signalized intersection; bicycle traffic flow; discharge speed

10.13986/j.cnki.jote.2015.02.008

2014- 11- 18.

周晨靜(1987—), 男， 博士研究生， 研究方向?yàn)榈缆吠ㄐ心芰?、微觀交通仿真. E-mail: zhouchenjing@emails.bjut.edu.cn.

U 491.4

A

1008-2522(2015)02-38-04