行人交通流模型研究
第26卷 第3期 2009年6月
吉 林 建 筑 工 程 学 院 学 报
Journal of Jilin Institute of Architecture & Civil Engineering
Vol.26 No.3 Jun.2009
行人交通流模型研究
*
梁春岩1 杨文学2 倪铁山1 李金凤3
(1:吉林建筑工程学院交通科学与工程学院,长春 130021; 2:吉林省交通厅机关服务中心,长春 130021;
3:吉林省交通招标中心,长春 130062)
摘要:行人交通是城市交通系统的重要组成部分,为了定量描述行人交通流的特性,进而解决行人交通问题,达到
提高路网运输效率的目的,借鉴机动车交通流模型,建立了行人交通流模型.以长春市工农大路实际调查数据为基础,分析行人的交通流特性,验证交通流模型的可靠性,为行人交通流的深入研究提供了理论基础和技术支持.
关键词:行人交通流;交通流参数;交通流模型
U491 文献标识码:A 文章编号:1009-0185(2009)03-0015-05中图分类号:
Research on Model for Pedestrian Traffi c Flow
LIANG Chun-yan1,YANG Wen-xue2,NI Tei-shan1,LI Jin-feng3
(1:School of Communnication Science & Engineering,Jilin Institute of Architecture and Civil Engineering,Changchun,China 130021;2: Government Service Center of Jinlin Provincial Communication Department,Changchun,China 130021;
3:Jilin Traffi c Tender Center., Changchun,China 130062)
Abstract:Pedestrian traffi c is main component of city traffi c system.In order to quantifi cationally describe the pe-destrian traffi c fl ow characteristic,and then solve pedestrian traffi c problem and improve transportation effi ciency in road system,pedestrian traffi c fl ow model is established using for reference of motor vehicle traffi c fl ow model.The pedestrian traffi c fl ow characteristic is analyzed and the reliability of pedestrian traffi c fl ow model is validated basing on investigation data from Gongnong Road in Changchun.The result can provide theory and technique foundation for farther research on pedestrian traffi c fl ow.
Keywords:pedestrian traffi c fl ow;traffi c fl ow parameters;traffi c fl ow model
城市交通系统的供需失衡导致了一系列的交通问题,解决这一问题不能不从人说起.步行是人类最基本、最古老和最现实的交通出行方式,无论人们采用任何交通工具、任何出行方式、要达到任何出行目的,出行过程中总离不开步行.
我国许多城市的中心地区房屋密集、人口集中、店铺林立,市中心区干道两侧的人行道上,行人众多、川流不息.已有的观测资料表明,我国城市步行交通在总出行量中约占 40 %,而中等城市约占 50 % 以上,小城市则多达 60 % 以上.目前,我国步行交通存在的主要问题有[1]:
(1) 行人设施不健全,人车干扰较严重;(2) 缺乏全面系统的行人规划设计;(3) 车流密集,行人过街难;
(4) 交通管理力度不够,步行困难,行人交通违章现象严重.
在这个追求速度与效益的时代,需要更多考虑人们出行的方便和心情顺畅等因素.因此,我们要加大
收稿日期:2008-07-14.
作者简介:梁春岩(1978~),女,吉林省长春市人,讲师,博士.*基金项目:吉林建筑工程学院博士科研启动基金资助(200708).
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对人行道的设计与管理.由行人引发的交通问题不同,相应的解决对策也因其而宜.如果要解决人行横道上行人与机动车的冲突问题,那么,首先就要解决如何增加行人通行量,对交叉口进行合理配时的情况下最大限度地满足行人过街的要求,避免在交叉口出现拥挤的现象与交通事故的发生,使交叉口的通行能力给驾驶者和行人带来心理上的满足.
对行人交通流方面的研究较多,不管从哪个方面着手,研究者都不约而同地得出同一个结论:行人交通流在到达特性、运行规律和参与交通的心态[2]等方面,均与机动车交通流存在一定的差异.笔者从行人交通流模型的角度出发,探讨行人交通流与机动车交通流的区别,进而制定合理的交通管制措施,这对解决城市的交通问题和提高路网运输效率具有十分重要的实际意义.
1 行人交通流特点
在研究行人交通流之前,对行人交通特点的认识是必不可少的理论基础.1.1 步行交通的基本特点
步行是以步行者自身体力为动力的出行方式,一般只能作近距离和低速行走.步行者没有任何保护装置,是交通弱者,容易受到伤害,步行者在步行时所占空间少,通达性很高,几乎可到达任何地方,这是应用于交通的理想状态.此外,步行受个人意志所支配,可以自由选择步行路线和步行位置;但在约束的情况下可改变,譬如在一些城市的快速干道上或一些公共场所.由于行人的出行目的不同,因此,步速根据出行目的、年龄及性别的不同而有所差异,但步行速差较小.1.2 行人步行速度特性
步行速度为行人单位时间内行进的距离,一般用 m/s,m/min 或 km/h 表示.一般说来,妇女、老年人和儿童的步速稍缓,而男性、中青年人步速较快.另外,步速还与人的性格有关,一般急性人步速快,慢性人步速缓.另外,出行目的及道路和天气状况也是影响行人步速的主要原因[3].1.3 步行出行高峰小时特征
居民步行出行在一天 24 h 内出行量变化很大,因此,形成的道路断面流量或交叉口的步行过街流量也是变化的,但每个城市或街道路口在一天的 24 h 内各有其自身的变化规律.根据观测统计可以发现,在早上或中午、晚上某 1h~2 h 或半小时出现最大小时流量,称之为高峰小时流量.所谓步行出行高峰小时特征,系指高峰小时的出行时间、时长、高峰小时步行出行量占全天总的步行出行量的比重,这一特征对于行人通行能力分析和日常交通管理具有重要意义.
步行出行高峰小时的出现大致有双峰型、三峰型和四峰型3种类型,在一些风景区或旅游区,行人出行还呈现出一种单峰型分布,即全天的出行只有一个高峰.1.4 行人静态空间要求
行人静态空间主要指行人身体在静止状态下所占的空间范围,身体前胸后背方向的厚度和两肩宽度是人行道空间和有关设施设计中所必须的基本尺寸.
从大量的人体参数研究中得出的有关身体尺寸结论,对穿着棉衣的男性工人的调查得出,95 % 的人其肩宽不会超过 57.9 cm,肩厚不会超过 33 cm.因此,很多设计中常取身材较大的男性的身体椭圆为例.1.5 行人动态空间需求
行人的运动空间需求可分为步幅区域、放置(两脚)区域、感应区域、行人视觉区域,以及避让与反应区域等.根据国内已有的调查资料,男性步幅平均 0.67 m;女性步幅平均值为 0.61 m;观测所得平均步幅为 0.64 m.感应区域不象步幅区域那样容易测得,它在很大程度上受人的视觉、知觉、心理和安全等因素的影响.
在通常情况下,能对一个人从头到脚都观察到,约需 2.1 m 的距离,在此距离下,视觉感到舒服,同时也适合正常速度下人的步行,即后脚跟不易被人踩到.
步行者以常速行走时,也会在自己的前面预留一个可见的区域,以保证有足够的反应时间,以便采取
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避让行为.这个区域可通过反应时间与正常速度相乘得出,约为 0.48m~0.60 m.1.6 行人心理缓冲空间
行人空间的感受对通行能力影响较大.一般来说,人们对私人空间比较重视.步行者所选择的个人空间,通常与他们的“领域”感、地位、文化、教育、民族习惯及自身习惯有关.除了某些特殊场合,如公共汽车站,公共汽车上或进出口拥挤的电梯外.一般情况下,行人将会利用一切机会,争取个人空间,避免与他人身体的接触.
人类学家豪尔指出,世界上由于风俗习惯的不同,而导致对空间占有的不同.美国人通常要求较大的空间,在美国人们追求自由主义是极其强烈的,人们更会为自己拥有足够的空间而努力.许多东方和中东地区则可接受较小的空间及较大程度上的身体接触.在这些地区如果从美国人多接受较大私人空间来看,往往被认为是孤僻冷漠,无意中引起社会歧视,造成不好的影响.还与人的性格有关,性格开朗外向的人不会要求较大的空间,而性格孤僻内向的人会要求较大的空间;另外,人们为了表达彼此亲近会靠近对方,而关系不好、僵硬或表现为人们的对峙,则会离得远一些.
当强调舒适时,缓冲区域变化幅度会很大.在实验中,男性和女性都选择和异性分开较大的距离.女性的身体缓冲区域面积范围在 0.37m2~0.46 m2;而男性则在 0.74m2~0.84 m2.根据国内的观测分析认为,在较拥挤的环境中,妇女趋向于比男子拥有更大的缓冲区域,而男子对于难免的碰撞似乎有更大的忍受力和耐心.
2 行人交通流基本参数
交通流是以应用数学或物理学的理论,对交通流的各个参数及其之间关系进行定性和定量的分析,以寻求道路交通流的变化规律,从而为交通规划、交通管理和道路设计及运营、路政管理提供理论依据.道路上的人流和车流形成了交通流;交通流定性和定量的特征,称为交通流特性.行人交通流如同机动车交通流一样可以用流量、速度和密度3大基本参数来描述[4-5].2.1 流量
由于人行道不像机动车那样有固定的宽度,所以,为了将不同人行道进行对比分析,行人交通流量定义为在单位时间内,通过单位宽度道路上的实际行人数量,单位为 p/(s.m)或 p/(h.m).2.2 密度
按照流量定义的思路,我们将行人交通流的密度定义为,在某瞬间单位面积上存在的行人数,反映了人行道上行人的密集程度.计算公式如下:
k=
N
L×W (1)
N为某瞬间在人行道上行走的行人数,L为人行道长度,K为该人行道的行人交通流密度,p;其中,p/m2;
W为人行道宽度,m;m.2.3 速度
行人的步行速度可以同样参照机动车流的速度进行定义,将行人通过道路上某一断面时的瞬时速度称为地点速度或瞬时速度;而将行人运行距离与所用时间的比值称为行人交通流速度,可以简称为步速.
相对而言,路段上的行人密度较低,行人自由度较大,步速差别不大.这里以长春市红旗街与工农大路交叉口实际调查数据为例,重点研究交叉口处不同性别、不同年龄及在绿灯不同阶段的步行速度特性.
(1)不同性别的行人过街速度.不同性别的行人过街速度会有所差别,按照性别,对实际数据进行统计,得到数据如表 1 所示.
表1不同性别行人过街速度统计
性别
男女
平均值1.431.32
最大值1.821.94
最小值1.130.87
样本容量
3535
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从统计结果中可以看出,男性的平均速度比女性大,而女性的速度变化范围较大,相对而言,男性的速度相对稳定.
(2)不同年龄的行人过街速度.青年人和中年人在身体状况上差别较大.老年人生理机能衰退、体力不足、视力和听力明显下降,在步行时步履蹒跚、行动迟缓、力不从心.儿童则由于其个性问题,并多数有家长陪同,所以,速度变化幅度比较小.这里仍以红旗街与工农大路实际调查数据为例,按照年龄对数据的统计结果见表 2.
表2不同年龄组行人过街速度统计
年龄组青年
老年儿童
平均值1.370.991.30
最大值1.941.341.70
最小值0.870.671.12
样本容量
705824
由表 2 可以看出,青年平均速度 1.37 m/s 高于总体人群的过街速度 1.22 m/s;而老年人的平均速度仅为 0.99 m/s.所以,在行人过街人群中,如果老年人的比例较高,就应该改变相应的交通管制措施,以满足老年人的过街需求.
(3)不同绿灯阶段的行人过街速度.在绿灯不同阶段下进入人行横道的行人,在过街心理上应该有所差别,进而影响行人的过街速度.为了统计在绿灯不同阶段进入人行横道的行人速度的差别,将绿灯信号分为绿灯前期和绿灯后期两个阶段,称绿灯信号结束前的 20 s 为绿灯后期,称其余的绿灯时间为绿灯前期.观察后发现,在绿灯后期进入人行横道的行人,为避免与即将起亮的下一相位机动车的冲突,多数都加快速度,甚至跑步以尽快通过交叉口.
3 行人交通流模型
行人交通流也是交通流的一种,可以将描述行人交通流的3个参数定义为行人流量、行人速度和行人密度.同样,它们之间的关系可以借鉴机动车交通流模型,用下式表示[5]:
Q=k⋅v (2)
Q 为行人交通量,v 为行人步速,k 为行人密度,其中,p/(s.m);m/s,一般取 1.2 m/s;p/m2.
上述3大参数是行人交通流最基本的3个参数,其变化规律反映行人流最基本特性.但是,由于行人交通流不同于机动车的特有性质,该模型的可靠性需要进行验证.笔者以长春市工农大路实际调查数据为例进行模型验证,实际调查数据如表 3 所示.
表3行人交通流参数调查数据
序号密度速度流量
10.1101.1900.097
20.1201.0900.106
30.1301.1000.099
40.1001.1400.086
50.1001.1600.092
60.1101.2000.098
70.1001.0500.094
80.1101.2700.103
90.1301.1400.109
100.1201.1100.110
110.1001.2300.096
通过实际的密度和速度,可以得到理论流量,与实际流量的相对误差如表 4,对比示意图如图 1 所示.
表4实际流量与理论流量对比
序号实际流量理论流量相对误差
10.0970.1310.351
20.1060.1310.231
30.0990.1430.445
40.0860.1140.319
50.0920.1160.265
60.0980.1320.348
70.0940.1050.120
80.1030.1400.355
90.1090.1480.355
100.1100.1330.206
110.0960.1230.283
从表 3 的计算结果可以得到,平均误差为 28.2 %,误差较大.从图1可以看出,虽然实际流量与理论流量的误差较大,但是变化趋势相似.因此,考虑在原有模型的基础上进行修正,假设行人交通流模型可以表示成:
Q=α×k×v (3)
α为待定系数,其中,其他参数含义同上.
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仍以长春市工农大路实际调查数据为例,经过拟合得出修正系数α=0.76,将行人交通流的密度和速度带入(3)式,得模型修正后的理论流量值及其与实际值的相对误差见表 5,对比示意图如图 2 所示.
表5实际流量与模型修正后的理论流量对比
序号
实际流量理论流量相对误差
10.0970.0990.027
20.1060.0990.064
30.0990.1090.098
40.0860.0870.002
50.0920.0880.038
60.0980.1000.025
70.0940.0800.149
80.1030.1060.030
90.1090.1130.030
100.1100.1010.083
110.0960.0930.025
由表 5 可以看出,最大误差为 14.9 %,平均误差为 5.2 %,误差在可以接受范围内.从对比图中也可以直观地看出流量的理论值与实际值吻合较好,证明了模型的可靠.
4 结语
步行作为交通出行中必不可少的一部分,是交通问题的主要根源之一.笔者从行人交通流的特点入手,借鉴机动车交通流相关理论,定义了行人交通流的流量、速度和密度3个基本参数,并以长春市实际交叉口为例,对不同年龄、性别和绿灯不同阶段的行人步速特性进行了统计,同时建立了行人交通流模型,并通过实际数据验证了模型的可靠性.
笔者仅以一个交通口为例进行待定系数的标定,其普适性有待进一步验证,对行人交通流模型进行初步探讨,可以为行人交通流的深入研究提供思路和方法.
参 考 文 献
[1] 王 芳.无信号控制人行横道处行人交通流特性分析及实证应用〔D〕.吉林大学硕士学位论文,2007.[2] 黄文忠,杨佩昆.无控制人行横道处的行人和机动车延误分析〔J〕.同济大学学报,1995,23(1):31-36.
[3] 陈 然,董力耘.中国大都市行人交通特性的实测和初步分析〔J〕.上海大学学报(自然科学版),2005,11(1):93-97.[4] 徐吉谦.交通工程总论〔M〕.北京:人民交通出版社,2006.[5] 王殿海.交通流理论〔M〕.北京:人民交通出版社,2002.