駕駛決策車速及其變動(dòng)規(guī)律研究

王 豐，張志清

(北京工業(yè)大學(xué)城市交通院)

駕駛決策車速及其變動(dòng)規(guī)律研究

王 豐，張志清

(北京工業(yè)大學(xué)城市交通院)

傳統(tǒng)的道路設(shè)計(jì)規(guī)范是建立在動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)之上，其理論假設(shè)未能很好描述交通行為中“人—車—路”的系統(tǒng)作用，尤其是對(duì)用路人的特性和感受缺乏足夠的重視與應(yīng)用，依照規(guī)范確立的道路線形，往往在承載實(shí)際的駕駛行為時(shí)會(huì)出現(xiàn)功能偏差，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)產(chǎn)生安全隱患，這種情況在道路等級(jí)低、交通環(huán)境復(fù)雜的穿村鎮(zhèn)公路尤為突出，已成為城鎮(zhèn)化進(jìn)程中提高道路安全運(yùn)行質(zhì)量的“瓶頸”。

道路設(shè)計(jì);決策車速;駕駛模擬;駕駛員因素;穿村鎮(zhèn)公路

1 決策車速及其產(chǎn)生過(guò)程

1.1 決策車速的定義

為了客觀反應(yīng)復(fù)雜道路交通狀況與駕駛行為的關(guān)系，本文將駕駛員在行車過(guò)程中對(duì)道路、交通的直觀感受用駕駛“決策車速”的概念進(jìn)行量化分析。決策車速定義為駕駛員接收到前方路況信息(如道路幾何線形的變化、交通狀態(tài)等)后，結(jié)合當(dāng)前車速，經(jīng)過(guò)判斷和決策后得到的一個(gè)駕駛員認(rèn)為合適的車速。決策車速一旦與當(dāng)前車速不一致，駕駛員便會(huì)操控車輛改變當(dāng)前車速。因此，決策車速是駕駛員控制油門(mén)和制動(dòng)踏板改變車速的直接原因。

決策車速和期望車速都是駕駛員在心里產(chǎn)生的一個(gè)希望能夠達(dá)到的速度，但兩者有本質(zhì)的區(qū)別。期望車速是指行車過(guò)程中在不受或基本不受其他車輛約束的條件下，駕駛員心目中希望達(dá)到的“最高安全行駛車速”，是駕駛員基于道路本身的一種預(yù)期目標(biāo)車速，不能反映道路狀況的微小變化和交通狀況對(duì)行車的影響，也不能解釋駕駛員每一次加減速的原因;而決策車速則更為微觀，道路和交通狀況隨時(shí)的變化都會(huì)引起駕駛員決策車速的變化從而導(dǎo)致實(shí)際車速的改變，而道路交通狀況的頻繁變化正是穿村鎮(zhèn)公路與其他公路的最關(guān)鍵區(qū)別。因此決策車速的變化即可反映道路狀況的變化及其對(duì)駕駛員和車輛的影響，在穿村鎮(zhèn)公路的研究上具有重要意義。

決策車速雖然是一個(gè)速度的概念，但是它實(shí)際上反映的是駕駛員對(duì)路況信息做出的反應(yīng)，是反映駕駛行為與路況變化之間的關(guān)系的一個(gè)參數(shù)。路況變化越大，決策車速與當(dāng)前車速的差值就越大，駕駛員改變車速的程度也越大。

1.2 決策車速產(chǎn)生過(guò)程分析

駕駛員通過(guò)感覺(jué)器官?gòu)慕煌ōh(huán)境中獲得信息并把它送入大腦，通過(guò)大腦支配手腳操縱汽車方向盤(pán)、加速踏板和制動(dòng)器，使汽車按照駕駛員的意圖在道路上行駛。這種對(duì)外界信息的動(dòng)態(tài)認(rèn)知和處理過(guò)程，可以用傳統(tǒng)的“刺激—機(jī)體—反應(yīng)”模式來(lái)進(jìn)行描述。該模式認(rèn)為駕駛行為分為感知階段、判斷階段、決策階段和操控階段。而決策車速作為駕駛員接受道路、交通信息刺激的結(jié)果和操控油門(mén)剎車加減速的原因，它的產(chǎn)生過(guò)程與上述模式的感知、判斷、決策此三階段密切相關(guān)，同時(shí)受信息反饋的不斷調(diào)節(jié)，也即“感知—判斷—決策—操控—反饋”的循環(huán)過(guò)程，如圖1所示。

感知階段指的是駕駛員主要通過(guò)聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和觸覺(jué)等方式來(lái)感知車輛的當(dāng)前運(yùn)行條件以及前方運(yùn)行條件，如道路幾何條件、路面狀況、交通流運(yùn)行狀態(tài)、天氣變化以及車輛的運(yùn)行工況等。此階段主要由駕駛員的感覺(jué)器官來(lái)完成。

在判斷階段，駕駛員根據(jù)前一階段獲得的信息，結(jié)合自身的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)等，進(jìn)行分辨和預(yù)判。針對(duì)決策車速，此階段駕駛員會(huì)根據(jù)實(shí)際情況判斷車輛若不改變車速將產(chǎn)生不利于行車安全的后果，如駛出道路、追尾、相撞等;亦或是判斷當(dāng)前車速過(guò)慢，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募铀佟?/p>

圖1 決策車速產(chǎn)生過(guò)程

決策階段是在上述兩個(gè)階段的基礎(chǔ)之上，駕駛員同樣憑借自身的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)等，或直接給出確定的操控方案，或產(chǎn)生多個(gè)方案并最終選擇其認(rèn)為最優(yōu)的一個(gè)，以保證車輛按照駕駛員的想法安全且高效地運(yùn)行。此階段，駕駛員心中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)其認(rèn)為最為合理的“理想車速”，并且將會(huì)在下一階段“操控階段”用實(shí)際的駕駛行為去實(shí)現(xiàn)此理想車速，而這個(gè)車速就是決策車速。

“感知—判斷—決策—操控”過(guò)程在任何階段都有可能產(chǎn)生錯(cuò)誤或是誤差，一旦誤差過(guò)大或累積最終體現(xiàn)在車輛運(yùn)行上的時(shí)候，駕駛員就會(huì)感知到新的變化，并再次通過(guò)判斷和決策給出更為合理的新的決策車速。這就是駕駛員在決策車速產(chǎn)生過(guò)程中的反饋和糾偏。

2 決策車速影響因素分析

2.1 車輛因素對(duì)決策車速的影響

在穿村鎮(zhèn)公路上，車輛因素對(duì)駕駛員決策車速的影響主要體現(xiàn)在車型構(gòu)成復(fù)雜和車輛性能普遍較低兩個(gè)方面。

對(duì)于同樣的駕駛員，在同樣的路況中行駛，很顯然小型車駕駛員的決策車速往往要大于大型車。這是因?yàn)樾⌒蛙囉捎谧陨眢w積小、質(zhì)量輕，對(duì)于道路空間的需求更小，加減速更為靈活，駕駛員可以更高的車速行駛同時(shí)又確保行車安全。同時(shí)，由于車型差異對(duì)于駕駛員來(lái)說(shuō)非常顯著，由此產(chǎn)生的決策車速差異也最為明顯，這一點(diǎn)在小型車與公交車、大貨車之間更甚。

車輛的性能對(duì)于駕駛員決策車速的影響僅次于車型的影響。在相同的條件下，駕駛員在駕駛一輛操控性能、動(dòng)力性能更好的車輛時(shí)，決策車速也更高。這是因?yàn)榧词钩霈F(xiàn)突發(fā)狀況，駕駛員也能夠更容易地憑借車輛本身的性能優(yōu)勢(shì)避開(kāi)危險(xiǎn)。不過(guò)由于常見(jiàn)車輛之間的性能差異并非都很明顯，駕駛員對(duì)車輛性能的了解也未必有足夠具體的認(rèn)識(shí)，因此車輛性能產(chǎn)生的決策車速差異不如車型明顯。

2.2 駕駛員因素對(duì)決策車速的影響

在“人—車—路—環(huán)境”這一交通系統(tǒng)中，人是最為復(fù)雜多變的因素，而駕駛員作為交通活動(dòng)的主導(dǎo)者，更是其中最主要、最活躍的因素。尤其是駕駛員由于性格特征、性別、年齡、駕駛技術(shù)、駕駛經(jīng)驗(yàn)、情緒狀態(tài)、健康狀況等的差異，會(huì)影響其駕駛行為表現(xiàn)，這種差異也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者們所公認(rèn)的。決策車速作為駕駛員對(duì)于外界行駛環(huán)境的反應(yīng)和決策，必然受到駕駛員差異的直接影響。

駕駛員的性格特征按跟車狀態(tài)下行車間距的大小可以分為適應(yīng)型、保守型和冒險(xiǎn)型三種類型。在實(shí)際駕駛中，對(duì)于同樣的交通環(huán)境，冒險(xiǎn)型駕駛員的決策車速數(shù)值較高，保守型駕駛員傾向于將決策車速數(shù)值確定得較低，而適應(yīng)型駕駛員確定的決策車速數(shù)值居于冒險(xiǎn)型與保守型之間，一般來(lái)說(shuō)最為合適。

駕駛員的駕駛技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)主要取決于駕齡，因此可以用駕齡來(lái)進(jìn)行評(píng)估。駕齡長(zhǎng)的駕駛員，往往駕駛技術(shù)更高、駕駛經(jīng)驗(yàn)也更為豐富，對(duì)于前方路況的變化所做出的決策車速也往往更為合理。反之，若是新手，駕駛過(guò)程中的整體決策車速往往較小，在某些情況下也有可能因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)和估計(jì)不足導(dǎo)致決策車速過(guò)高。

另外，駕駛員的年齡、性別、情緒及健康狀況等對(duì)決策車速也有一定的影響。

2.3 行駛環(huán)境因素對(duì)決策車速的影響

外界行駛環(huán)境因素對(duì)決策車速有著直接的決定性作用，同時(shí)也是穿村鎮(zhèn)公路區(qū)別于其他道路的最主要因素。

道路條件與駕駛員的感受息息相關(guān)，是決策車速最重要的影響因素之一。車輛在行駛過(guò)程中，駕駛員對(duì)決策車速的選擇取決于其所能掌控的前方道路狀況及交通環(huán)境。道路的平縱線形、橫斷面形式、路面狀況、視距等，都是道路條件中極為重要的、且與駕駛?cè)藛T的感受密切相關(guān)的因素。

駕駛決策車速同時(shí)也受交通狀況的影響，而其中，交通量的影響起著主導(dǎo)作用，交通量的大小直接影響著駕駛員的心理緊張程度。如果車輛行駛在自由流狀態(tài)下，駕駛員可以根據(jù)自己的判斷和需要確定車速，一般決策車速值比較高;反之，駕駛員的駕駛自由性和舒適性都受到限制，決策車速則比較小。另外，行人及非機(jī)動(dòng)車的橫向干擾也會(huì)不同程度地影響駕駛決策車速的大小。這在交通組成復(fù)雜，橫向干擾嚴(yán)重的穿村鎮(zhèn)路段尤其不能忽視。

第三，加強(qiáng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀教育，注重職業(yè)精神培育。獨(dú)立學(xué)院培養(yǎng)的人才不僅要具備較高的物質(zhì)基礎(chǔ)，還要有更高的精神追求，要將社會(huì)主義核心價(jià)值觀教育融入本科教育中，培養(yǎng)的畢業(yè)生除了具有專業(yè)知識(shí)和職業(yè)技能外，還要有較高的職業(yè)道德素養(yǎng)，要培養(yǎng)追求職業(yè)精神、敬業(yè)愛(ài)崗的社會(huì)主義勞動(dòng)者。

天氣條件對(duì)決策車速也有很大的影響。晴天可以使駕駛員身心放松，對(duì)決策車速數(shù)值的定位就會(huì)提高;而在雨雪霧等異常天氣，駕駛員會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)降低心中的決策車速數(shù)值。

3 決策車速基本變動(dòng)規(guī)律研究

由于決策車速受駕駛員、車輛和道路交通條件的影響，因此決策車速可以表示為:vd(D，V，E)。

其中，D為駕駛員(Driver);V為車輛(Vehicle);E為道路交通條件(Externality)。

其取值將隨時(shí)間而變化，而時(shí)間的變化在道路交通行為中可以表征為道路交通條件的變化，因此可將vd(D，V，E)的取值視為是隨著道路交通條件因素Externality而變化的，其相關(guān)形式依據(jù)不同的特征可呈現(xiàn)出不同的函數(shù)形式。

由于駕駛決策車速以當(dāng)前的技術(shù)難以通過(guò)儀器直接測(cè)量，但其反映的是駕駛員對(duì)路況信息做出的反應(yīng)，并通過(guò)對(duì)油門(mén)、制動(dòng)踏板的控制表達(dá)到實(shí)際的駕駛行為中，也即駕駛員對(duì)油門(mén)和剎車的操控行為是決策車速在駕駛行為層面的直接表現(xiàn)，因此決策車速的變化過(guò)程會(huì)通過(guò)油門(mén)、制動(dòng)踏板的變化表現(xiàn)出來(lái)?；诖嗽恚菊撐倪M(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，利用駕駛員在行車過(guò)程中對(duì)油門(mén)和制動(dòng)踏板角度的控制來(lái)反映駕駛決策車速隨道路交通的變化規(guī)律。

3.1 駕駛模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以國(guó)內(nèi)某典型穿村鎮(zhèn)公路為原型，建立三維道路仿真場(chǎng)景，招募10名被試駕駛員，進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，以提取駕駛?cè)^(guò)程中駕駛員的油門(mén)和制動(dòng)踏板角度值，來(lái)分析駕駛決策車速的基本變化規(guī)律。

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效，考慮穿村鎮(zhèn)公路上駕駛員的基本特征，10名被試駕駛員的年齡、駕齡、職業(yè)、文化程度、日常駕駛車型等指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果均與調(diào)查所得191名穿村鎮(zhèn)公路駕駛員各對(duì)應(yīng)指標(biāo)相符合。

10名被試駕駛員分別在某典型穿村鎮(zhèn)公路三維仿真場(chǎng)景中以本人的駕駛習(xí)慣進(jìn)行自由行駛，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員的油門(mén)、制動(dòng)踏板變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后提取全程油門(mén)、制動(dòng)踏板變化數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間，并用SPSS軟件進(jìn)行函數(shù)擬合。

數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，10名被試駕駛員在模擬駕駛過(guò)程中對(duì)油門(mén)和剎車的控制均不同程度地呈現(xiàn)出規(guī)律性變化，表明其駕駛決策車速亦隨道路交通環(huán)境的變化而發(fā)生規(guī)律性變化。主要可歸納出四類基本變化形式。

(1)第一類，常數(shù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，此時(shí)駕駛員對(duì)油門(mén)控制的開(kāi)度保持恒定，說(shuō)明駕駛員有維持車速的想法，也即此時(shí)的決策車速保持不變，滿足

其中C為常數(shù)。

在這種情況下，道路交通條件無(wú)明顯變化，駕駛員無(wú)需進(jìn)行加速或者減速，維持恒定車速行駛，其基本形式圖及相應(yīng)的典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 常數(shù)

表1 常數(shù)典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(2)第二類，線性

在某些路段，駕駛員會(huì)以近似等變化率的方式改變油門(mén)或制動(dòng)踏板開(kāi)度，說(shuō)明決策車速變化率接近為定值，此時(shí)滿足

其中A，B均為常數(shù)。

由上式可知此時(shí)vd(D，V，E)的取值隨著道路交通條件的變化呈現(xiàn)出線性函數(shù)的形式。說(shuō)明決策車速正在發(fā)生等速率的變化，且變化速率較快，呈直線變化，由此可見(jiàn)此時(shí)外界道路交通條件的變化也較為迅速。在穿村鎮(zhèn)公路中，由于線型不良路段多、交叉支路頻密、交通流組織混亂，直接導(dǎo)致路況時(shí)好時(shí)壞變化頻繁且迅速，因此這種呈線性變化的決策車速出現(xiàn)頻率也較高。其基本形式以相應(yīng)的典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 線性

表2 線性典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(3)第三類，二次函數(shù)型曲線

在道路設(shè)計(jì)合理、交通流狀況有一定變化但不至于過(guò)快的路段，駕駛員可以有條不紊地應(yīng)對(duì)道路交通條件的逐漸變化，同時(shí)做出合理的決策車速，并從容地通過(guò)實(shí)際的操控實(shí)現(xiàn)車速的改變，這種情況決策車速的變化可以近似地用二次函數(shù)型曲線來(lái)表示，此時(shí)滿足

vd(D，V，E)=A·E2+B·E+C (5)

其中，A、B、C均為常數(shù)，基本形式及相應(yīng)的典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖4 二次函數(shù)型

表3 二次函數(shù)型典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

上文提到的三種變化類型，不論是在路況變差或是趨于變好的情況下都有可能出現(xiàn)。然而這種突躍型是一種非常特殊而典型的情形，駕駛員的決策車速發(fā)生了跳躍性的突變，說(shuō)明外界的道路交通條件發(fā)生了突變，只有在駕駛員急剎車的情況下才會(huì)出現(xiàn)的決策車速變化形式。同樣地，由于穿村鎮(zhèn)公路自身的特點(diǎn)，這種決策車速發(fā)生突躍的情形在穿村鎮(zhèn)公路上出現(xiàn)的次數(shù)也比普通公路上更為多見(jiàn)。其基本形式及相應(yīng)的典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖5 突躍型

表4 突躍典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

(1)決策車速產(chǎn)生過(guò)程遵循“感知—判斷—決策—操控—反饋”這一循環(huán)過(guò)程，并受車輛、駕駛員、行駛環(huán)境等因素的影響。

(2)駕駛員在行車過(guò)程中，其駕駛決策車速會(huì)隨著道路交通環(huán)境變化的緩急，依次呈現(xiàn)常數(shù)、二次函數(shù)型、線性以及突躍型等四種基本變化特征。

(3)決策車速可以在一定程度上量化表達(dá)駕駛員對(duì)道路交通條件的直觀感受，可以作為評(píng)價(jià)穿村鎮(zhèn)公路的設(shè)計(jì)合理性和安全性的理論依據(jù)，對(duì)于穿村鎮(zhèn)公路的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)具有新的指導(dǎo)意義。而如何準(zhǔn)確、科學(xué)地獲取駕駛決策車速，有待進(jìn)一步的研究。

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