王雪松, 楊敏明
(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804)
車輛變換車道是駕駛過程中尤為常見的基本操作,交通流狀況在很大程度上受到車輛變道行為的影響.既有研究已證實(shí),車輛變道容易造成交通阻塞和交通沖突,甚至引發(fā)交通事故.2015年我國因違法變更車道、違法超車與匯入等不良駕駛行為造成的事故占事故總量的4.9%[1].美國每年有24萬~61萬起交通事故的直接致因?yàn)椴划?dāng)?shù)能囕v變道和匯入行為,占機(jī)動(dòng)車事故數(shù)的6%[2].
變道切入是指后隨車在正常行駛過程中,相鄰車道前車變換至其所在車道的變道行為.與變道定義略有區(qū)別,變道切入要求目標(biāo)車道必須有后隨車,而一般的變道對此并無要求.頻繁和緊急的變道切入行為會(huì)對交通流產(chǎn)生負(fù)面影響,主要表現(xiàn)在造成道路通行能力下降、交通瓶頸、車流“時(shí)停時(shí)走”,甚至引發(fā)交通事故.隨著新技術(shù)的發(fā)展,變道切入行為也將對高級駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driver assistance systems, ADAS)與自動(dòng)駕駛車輛的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響[3-4].自動(dòng)駕駛汽車廠商在實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)之前,需要分析不同復(fù)雜場景下的變道切入行為,保證車輛運(yùn)行的絕對平穩(wěn)與安全[5].
自1986年Gipps[6]提出第一個(gè)變道模型以來,不少發(fā)達(dá)國家的學(xué)者在變道行為特征與模型等方面開展了深度研究[7-8],這些成果被廣泛應(yīng)用于交通安全分析、交通仿真、駕駛模擬以及車輛安全技術(shù)等諸多方面.由于缺乏有效的數(shù)據(jù)采集技術(shù),目前中國的交通仿真模型大多基于西方發(fā)達(dá)國家的試驗(yàn)結(jié)果,這與我國非機(jī)動(dòng)車、行人交通復(fù)雜,駕駛員駕駛風(fēng)格激進(jìn),以及車輛頻繁搶道變道等實(shí)際情況是不相適應(yīng)的[9].因此,研究我國真實(shí)環(huán)境的駕駛行為,對于提升交通仿真技術(shù)的有效性和魯棒性具有重要意義.
自然駕駛研究(NDS)是指自然狀態(tài)下(即無干擾、無實(shí)驗(yàn)人員出現(xiàn)、日常駕駛狀態(tài)下)利用高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觀測、記錄駕駛員真實(shí)駕駛過程的研究[10].因其采集的數(shù)據(jù)全面、真實(shí)、可靠,樣本代表性廣泛,非常適合于駕駛行為特征分析和模型標(biāo)定與驗(yàn)證.“上海自然駕駛研究”是我國首個(gè)自然駕駛項(xiàng)目,開始于2012年12月,結(jié)束于2015年12月,歷時(shí)3年,共采集60位駕駛員近161 055 km的駕駛數(shù)據(jù).該研究基于上海自然駕駛數(shù)據(jù)(SH-NDS),通過建立變道切入行為自動(dòng)化提取標(biāo)準(zhǔn),從變道切入目的和轉(zhuǎn)向燈使用,持續(xù)時(shí)間和危險(xiǎn)程度,以及后隨車反應(yīng)等方面系統(tǒng)分析中國駕駛員的變道切入準(zhǔn)備、實(shí)施、影響3個(gè)層面的行為特征,力求深化我國變道理論及其應(yīng)用的相關(guān)研究.
既有研究普遍關(guān)注一般變道的基本特征.在變道之前,Gipps[6]認(rèn)為駕駛員需要分析變道的可能性和必要性.Yang和Koutsopoulos[11]根據(jù)不同變道目的將其分為強(qiáng)制性變道和自由性變道.前者常出現(xiàn)在當(dāng)前車道終止、阻塞,進(jìn)出交叉口區(qū)域,進(jìn)出匝道,以及規(guī)避障礙物、車道禁行等情況;后者常出現(xiàn)在前方有低速車輛或大型車輛、路側(cè)有公交車輛和慢行交通,以及車輛自主變換至快車道或慢車道等情況.
使用轉(zhuǎn)向燈是變道行為的重要特征,后隨車通常根據(jù)轉(zhuǎn)向燈辨別前車變道意圖.在變道之前,合理地使用轉(zhuǎn)向燈,能夠有效提高交通效率和防止碰撞事故[12].Ponziani[12]和Olsen[13]研究發(fā)現(xiàn),變道過程因未使用轉(zhuǎn)向燈造成的事故比例高于駕駛分心.世界上大多數(shù)國家對駕駛過程中的轉(zhuǎn)向燈使用均有明確規(guī)定,轉(zhuǎn)向燈使用率成為判別國家和地區(qū)駕駛風(fēng)格的重要依據(jù)[14].
持續(xù)時(shí)間是變道實(shí)施過程的關(guān)鍵特征.持續(xù)時(shí)間是指相鄰車道前車從原車道開始偏移至完全穩(wěn)定于目標(biāo)車道所經(jīng)歷的時(shí)間長度.這一特征對駕駛模擬的輸出有顯著影響,如變道車的加速行為以及后隨車的反應(yīng)等[15].既有研究表明,一般的變道持續(xù)時(shí)間多在1~16 s之間[15-16].
碰撞時(shí)間(time-to-collision, TTC)也是變道過程的重要特征之一,常被用于評估ADAS的性能.碰撞時(shí)間等于前后兩車的間距除以相對速度.由于變道行為容易引發(fā)追尾、側(cè)碰事故,因而碰撞時(shí)間成為判別變道行為危險(xiǎn)程度的重要指標(biāo).Olsen[13]根據(jù)碰撞時(shí)間將變道劃分為四個(gè)危險(xiǎn)級別,即不緊急,緊急,緊迫以及瀕臨事故等四個(gè)緊急程度.Talmadge[17]認(rèn)為碰撞時(shí)間可以用于避撞系統(tǒng)的預(yù)警觸發(fā),在危險(xiǎn)變道情況下向后隨車駕駛員發(fā)出警報(bào).
變道行為不可避免地對目標(biāo)車道后隨車的駕駛行為產(chǎn)生影響[18].Zheng等[19]提出,變道容易使得后隨車從正常行駛的平衡態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣炔▌?dòng)的非平衡狀態(tài),而后又從非平衡狀態(tài)過渡到新的平衡態(tài).Cassidy等[20]證實(shí)在交通擁擠的上游路段,當(dāng)車輛變道至快車道的比例超過一定閾值時(shí),就會(huì)造成下游路段交通不穩(wěn)以及通行能力下降.Laval和Daganzo[21]認(rèn)為這種通行能力下降是由于變道車輛的有界加速度使得后隨車反復(fù)制動(dòng)產(chǎn)生跟車空隙,從而造成“時(shí)停時(shí)走”現(xiàn)象以及交通流振蕩.這個(gè)結(jié)論和Zheng等[19]的研究具有一致性.
綜上所述,既有研究缺乏專門針對變道切入行為全面系統(tǒng)的梳理.更進(jìn)一步來說,既有的變道行為結(jié)論大多基于發(fā)達(dá)國家的研究,其結(jié)論并不一定適用于中國駕駛環(huán)境,而中國道路交通環(huán)境復(fù)雜,駕駛員的駕駛風(fēng)格迥異,可能致使某些研究結(jié)論存在偏差.由于變道切入相比于一般變道更具有典型意義,其對交通流的影響也更為顯著,因此迫切需要使用有效數(shù)據(jù)開展深入研究.本文基于上海自然駕駛數(shù)據(jù)對變道切入特征進(jìn)行分析,能夠豐富國內(nèi)駕駛行為和交通流理論研究,保證研究成果的真實(shí)可靠.對變道切入行為的分析結(jié)論,在一定程度上也能反映駕駛員駕駛風(fēng)格,從而針對不安全的駕駛風(fēng)格進(jìn)行安全教育與干預(yù)糾正;同時(shí),相關(guān)分析結(jié)論可以為研究所在地ADAS和自動(dòng)駕駛的開發(fā)與應(yīng)用提供重要的參考依據(jù).因此,變道切入行為研究具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.
研究數(shù)據(jù)來自“上海自然駕駛研究”項(xiàng)目,該項(xiàng)目由同濟(jì)大學(xué)、通用汽車公司、弗吉尼亞理工大學(xué)三方合作開展,旨在了解中國駕駛員的車輛使用、操縱及安全意識.5輛測試車安裝了先進(jìn)的SHRP2 NextGen數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),包含車輛總線數(shù)據(jù)接口、三軸加速度計(jì)、可跟蹤8個(gè)目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)、溫度及濕度傳感器、GPS定位系統(tǒng)和4路攝像頭.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的不同設(shè)備設(shè)置了不同的采樣頻率,分布在10~50 Hz之間[22].數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在車輛點(diǎn)火后自動(dòng)啟動(dòng)、熄火后自動(dòng)關(guān)閉,全時(shí)記錄實(shí)際駕駛過程中駕駛員的駕駛行為、車輛運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù).經(jīng)過處理,所有采集得到的信息將以CSV文件和視頻方式保留.
研究中,自然駕駛測試車始終以后隨車的視角再現(xiàn)相鄰車道前車的變道切入行為.如圖1所示,自然駕駛測試車作為后隨車,其雷達(dá)系統(tǒng)記錄變道切入車的位置和速度信息.位置信息通過兩個(gè)變量確定:縱向間距和橫向間距,前者指后隨車(即測試車)和變道切入車的縱向距離,后者指測試車和變道切入車的橫向距離(左為正,右為負(fù)).類似地,速度信息可由測試車和變道切入車橫向、縱向的相對速度確定.
圖1 變道切入行為場景及雷達(dá)目標(biāo)信息
在進(jìn)行變道切入行為自動(dòng)化之前,需要確定變道切入過程中一些關(guān)鍵變量的閾值范圍.從自然駕駛數(shù)據(jù)庫中人工篩選300個(gè)變道切入片段,結(jié)合前向視頻、雷達(dá)以及車輛總線數(shù)據(jù),分析各項(xiàng)參數(shù)的分布范圍,最終設(shè)定自動(dòng)化提取算法的準(zhǔn)則如下:
(1) 橫向間距閾值.在變道切入車開始變道前,其與測試車的橫向間距 > 2.2 m;在變道切入車完成變道后,其與測試車的橫向間距 < 1.2 m.該準(zhǔn)則保證變道切入車橫跨車道完成切入行為.
(2) 縱向間距閾值.變道切入車與測試車的縱向間距不宜大于120 m,否則變道切入將無法影響測試車的駕駛行為.該準(zhǔn)則保證變道切入行為的影響具有實(shí)際意義.
(3) 速度閾值.變道切入車和測試車在片段全過程中,縱向速度均大于 1 m·s-1.該準(zhǔn)則保證前后兩車始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài).
利用上述準(zhǔn)則自動(dòng)化提取,與此同時(shí),定義了3個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn):起始時(shí)刻、越線時(shí)刻和終止時(shí)刻.圖2是提取到的一個(gè)典型變道切入行為片段.
在變道切入車開始橫向運(yùn)動(dòng)后,其與測試車的橫向間距不斷減小,定義橫向間距(絕對值)不斷減小前的最后一個(gè)局部最大值為變道切入起始時(shí)刻;當(dāng)變道切入車不斷靠近目標(biāo)車道,某一時(shí)刻,其與測試車的橫向間距(絕對值)等于測試車與車道邊線距離,定義該時(shí)刻為變道切入越線時(shí)刻;當(dāng)變道切入車成為雷達(dá)正前方目標(biāo)后,定義兩車橫向距離(絕對值)等于0的第一個(gè)時(shí)刻為變道切入終止時(shí)刻.
圖2 變道切入過程橫向距離變化及關(guān)鍵時(shí)刻
經(jīng)過視頻驗(yàn)證,共計(jì)得到涉及51位駕駛員出行過程中的4 734個(gè)前車變道切入片段.51位駕駛員的年齡分布在23歲至51歲之間,平均駕齡7.2年,其中男性44人,女性7人.在進(jìn)行視頻驗(yàn)證的同時(shí),記錄各片段所在道路類型,變道切入目的以及變道切入車轉(zhuǎn)向燈使用等基本信息.4 734個(gè)變道切入片段有926個(gè)在地面道路,1 219個(gè)在高速公路,2 589個(gè)在快速路.
沿用Yang和Koutsopoulos[11]變道行為的分類方法,將變道切入分為強(qiáng)制性和自由性兩種.通過觀察前向視頻,強(qiáng)制性變道切入目的有:進(jìn)出交叉口區(qū)域;進(jìn)出匝道;規(guī)避施工區(qū)或障礙物等.自由性變道切入目的有:規(guī)避原車道前方慢車;變換切入至快/慢車道;無明顯意圖等.根據(jù)不同道路類型,判別駕駛員實(shí)施變道切入的根本動(dòng)機(jī),統(tǒng)計(jì)以上兩類6種變道切入目的如表1所示.
對于3類道路,原車道前方車輛速度慢是變道切入車變換車道最主要的原因,綜合占比達(dá)到50.9%,高于Olsen[13]針對一般變道的研究結(jié)果.在其研究中,州際公路和高速公路上因前方慢車導(dǎo)致的變道占所有變道數(shù)目的比重最大,達(dá)37.24%.對此結(jié)果合理的解釋是:原車道前方車速度低于變道切入車,使得其行駛受阻或跟車過近,誘發(fā)變道切入車駕駛員實(shí)施變道切入至測試車所在車道,從而規(guī)避前方慢車,并獲得速度和空間優(yōu)勢.
由于地面道路存在平面交叉口,車輛在選擇對應(yīng)的進(jìn)口道和出口道時(shí),常發(fā)生變道切入行為.尤其是當(dāng)駕駛員意識到車輛處于錯(cuò)誤的進(jìn)口道時(shí),更容易發(fā)生切入搶道行為.因進(jìn)出匝道而導(dǎo)致的變道切入最常出現(xiàn)在快速路,而車輛自主變換切入至快/慢車道最常出現(xiàn)在高速公路,這與道路實(shí)際情況相符.令人比較意外的是,各類道路均存在一定比例的無明顯意圖變道切入.考慮可能的原因是:當(dāng)目標(biāo)車道及原車道前方均無其他車輛時(shí),變道切入車不受前導(dǎo)間距的限制,駕駛自由度顯著增加,因而誘發(fā)部分駕駛員實(shí)施變道切入.此外,一些駕駛員駕駛風(fēng)格較為激進(jìn),客觀上也可能隨意變道切入.
表1 不同道路類型變道切入目的比例
車輛變道切入前須開啟轉(zhuǎn)向燈提示后隨車.表2統(tǒng)計(jì)了不同道路類型變道切入車轉(zhuǎn)向燈使用情況.可以看出,各類道路轉(zhuǎn)向燈使用率均不高,總體的使用率僅為50.2%,而快速路轉(zhuǎn)向燈使用率最低(45.5%),這表明有相當(dāng)比例的駕駛員安全意識淡薄,也從側(cè)面反映了駕駛員在實(shí)施變道切入操作普遍較為急促,對轉(zhuǎn)向燈使用并不重視.
表2 不同道路類型轉(zhuǎn)向燈使用比例
Olsen等[13]研究得到美國緊急情況變道轉(zhuǎn)向燈使用率為53.3%,王建強(qiáng)等[23]研究得到中國高速公路一般變道的轉(zhuǎn)向燈使用率為65.0%,均高于變道切入發(fā)生的轉(zhuǎn)向燈使用率.歸納來說,駕駛員在變道切入未使用轉(zhuǎn)向燈的原因有:忘記開啟;短時(shí)間內(nèi)不能及時(shí)開啟;強(qiáng)制加塞而不開啟等.
變道切入持續(xù)時(shí)間定義為起始時(shí)刻到終止時(shí)刻所經(jīng)歷的時(shí)間長度.此定義與Toledo[15]關(guān)于一般變道持續(xù)時(shí)間的定義相似,其規(guī)定變道車橫向運(yùn)動(dòng)開始時(shí)間點(diǎn)和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)所經(jīng)歷時(shí)長為持續(xù)時(shí)間.依照該定義,圖1中的持續(xù)時(shí)間約為5.7 s.
所有4 734個(gè)切入片段的持續(xù)時(shí)間最小值為0.7 s,最大值為12.3 s,均值3.82 s,方差2.28 s.對不同道路類型的切入持續(xù)時(shí)間進(jìn)行差異性檢驗(yàn),結(jié)果表明差異不顯著(P值為0.345 1).
變道切入持續(xù)時(shí)間的分布可以作為微觀交通仿真的重要輸入?yún)?shù)[15].選定8種可能的分布類型,包括指數(shù)分布、Gamma分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、Logistic分布、對數(shù)Logistic、拉普拉斯分布以及Pearson 5分布等,利用統(tǒng)計(jì)分析軟件@RISK對變道切入持續(xù)時(shí)間分布類型進(jìn)行研究,以赤池信息量準(zhǔn)則(AIC)為擬合優(yōu)度比選標(biāo)準(zhǔn),AIC越小表示擬合效果越好.結(jié)果表明對數(shù)正態(tài)分布對變道切入持續(xù)時(shí)間的擬合效果最好,其分布如圖3所示.這與Toledo[15]和Hetrick[16]關(guān)于一般變道持續(xù)時(shí)間的分布研究相一致.
對數(shù)正態(tài)分布的密度函數(shù)如下:
(1)
式中:μ為對數(shù)正態(tài)分布均值;σ為對數(shù)正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差,可由樣本均值和樣本方差求得,即
(2)
計(jì)算得到:μ= 1.174,σ= 0.517.Toledo[15]基于美國1 790個(gè)一般變道行為,得到樣本均值為5.5 s,μ= 1.376,σ= 0.550,較本文的研究結(jié)果更大.這表明變道切入持續(xù)過程時(shí)間比一般變道更為短促,駕駛過程更為緊張.對此可能的解釋是駕駛員在變道切入過程中,往往面臨后隨車迫近的壓力,使得變道實(shí)施更為迅速.
圖3 變道切入持續(xù)時(shí)間分布(對數(shù)正態(tài)分布)
TTC常被用于評估駕駛安全性,特別是對于追尾與側(cè)碰場景.對于變道切入實(shí)施過程,碰撞時(shí)間是衡量其危險(xiǎn)程度的重要指標(biāo).Olsen[13]基于碰撞時(shí)間,對3 228個(gè)一般變道片段(TTC為正)劃分了4個(gè)危險(xiǎn)級別:無危險(xiǎn)(1級,TTC大于5.5 s);緊急(2級,TTC大于3 s,小于等于5 s);緊迫(3級,TTC大于1 s,小于等于3 s);瀕臨碰撞(4級,TTC小于等于1 s).由于TTC等于兩車間距除以相對速度,而相對速度等于后隨車速度減去變道切入車速度,因此正的TTC有實(shí)際意義.在全部4 734個(gè)變道切入片段中有2 008個(gè)TTC為正值.為了與Olsen的研究成果相對比,本文沿用其分級方法,計(jì)算變道切入行為片段平均TTC,得到不同道路類型條件下的危險(xiǎn)程度分布.
如表3所示,79.4%的切入行為片段屬于無危險(xiǎn)級別.高速公路和快速路緊急和緊迫變道切入比例低于地面道路,表明地面道路的變道切入行為更為突然,危險(xiǎn)程度更大.對此合理的解釋是地面道路交通流混合且復(fù)雜,駕駛員因進(jìn)入錯(cuò)誤進(jìn)口道、規(guī)避突然出現(xiàn)的行人或路面障礙物等均可能導(dǎo)致其采取緊急變道切入行為.與Olsen[13]的研究相比,變道切入行為在緊急、緊迫和瀕臨事故等危險(xiǎn)程度上均比一般變道更具風(fēng)險(xiǎn),對交通安全的不利影響也更為突出.
表3 不同道路類型變道切入危險(xiǎn)級別分布
變道切入對后隨車影響主要體現(xiàn)在迫使后隨車減速讓出空間.但在實(shí)際情況中,存在著相反的行為,即后隨車駕駛員向前加速,迫使變道切入車無法正常插入.因此,后隨車的速度變化是變道切入影響的直觀體現(xiàn).本文比較變道切入起始時(shí)刻和終止時(shí)刻(如2.2定義)自然駕駛試驗(yàn)車的速度差異,從而分析變道切入對后隨車的影響.速度差異可以用速度變化百分比衡量,即始末時(shí)刻速度差值與起始速度的比值,如下:
(3)
式中:Pv為速度變化百分比;v1為試驗(yàn)車起始時(shí)刻速度;v2為試驗(yàn)車終止時(shí)刻速度.
一般認(rèn)為測試車在前車變道切入前6 ~ 3 s屬于正常行駛過程,計(jì)算該時(shí)間內(nèi)測試車速度變化百分比得到正常速度波動(dòng)范圍.結(jié)果表明,90%的測試車速度變化百分比速度在5.2%以內(nèi).因此,測試車速度增降幅在5%以內(nèi)可視為車輛速度的正常波動(dòng).統(tǒng)計(jì)不同道路類型速度變化百分比絕對值大于5%的變道切入行為片段,分析變道切入車輛對后方測試車的縱向速度影響,結(jié)果如表4和圖4所示.
由表4及圖4結(jié)果可知,不同道路駕駛員減速和加速的比例在7∶3左右.地面道路急加速或者急減速(|Pv| > 20%)比例大于高速公路和快速路;相反,地面道路速度變化百分比較小的比重小于高速公路和快速路.相比于高速公路、快速路,后隨車在地面道路行駛時(shí),更容易受到變道切入的影響,速度波動(dòng)也較為明顯.可能的原因是地面道路交通處于間斷流狀態(tài),車速較低,因交叉口、路段出入口以及慢行交通等干擾,車輛變道切入行為往往比較激進(jìn),從而導(dǎo)致后隨車反應(yīng)更為劇烈.
雖然變道切入過程后隨車減速是常態(tài),但也不能忽視加速情形.在所有變道切入片段中,近15% 的后隨車速度變化百分比超過10%,反映出一些測試車駕駛員在意識到前車有變道切入意圖時(shí)并未采取謹(jǐn)慎的駕駛態(tài)度.這也從側(cè)面說明部分中國駕駛員在駕駛過程中表現(xiàn)出的激進(jìn)風(fēng)格:一方面,對正常切入行為的“不禮讓”;另一方面,對異常切入行為(違法變道和緊急加塞等)的“不容忍”.
表4 變道切入車輛對后隨車速度變化的影響分布
圖4 不同道路類型后隨車速度變化百分比差異對比
基于自然駕駛采集的真實(shí)駕駛行為數(shù)據(jù),提取4 734個(gè)變道切入行為片段,從變道切入準(zhǔn)備、實(shí)施過程,以及對后隨車的影響等方面解析中國駕駛員的變道切入行為.結(jié)果表明,規(guī)避原車道前方慢車是車輛采取切入行為最主要的原因,各種道路設(shè)施上均存在一定比例的無目的變道切入行為;中國駕駛員切入持續(xù)時(shí)間與轉(zhuǎn)向燈使用比例均小于美國,表現(xiàn)出較為激進(jìn)的駕駛風(fēng)格;近15%的后隨車駕駛員在前車變道切入時(shí)速度變化百分比超過10%,表現(xiàn)出明顯的“不禮讓”或“不容忍”.相比于高速公路和快速路,地面道路的切入行為對后隨車的影響更大,其危險(xiǎn)程度也更高.本文針對變道切入行為進(jìn)行的特征分析在駕駛員駕駛風(fēng)格劃分與安全教育方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值.研究結(jié)果有利于深入理解車輛變道切入特征,為國內(nèi)微觀交通仿真、駕駛模擬以及自動(dòng)駕駛研究提供一定的參考依據(jù);同時(shí),從中美對比角度分析變道切入行為,也將豐富國內(nèi)微觀駕駛行為和交通流理論研究.