合流區(qū)競爭與協(xié)作換道判定方法與特性研究

東野長梅，石建軍

（北京工業(yè)大學(xué) 北京市交通工程重點實驗室，北京 100124）

0 引言

近年來，城市快速路系統(tǒng)發(fā)展迅速，小汽車保有量急劇增加。尤其在大城市的早、晚高峰時段，城市道路資源極其緊張，你爭我搶、加塞擠壓的競爭駕駛行為屢見不鮮。換道行為是車輛駕駛過程中最常見的行為之一，對道路通行能力和交通安全都有顯著影響[1-2]，研究道路資源有限條件下車輛間的競爭與協(xié)作換道行為，不僅對提高道路通行能力和減少交通事故具有重要意義，也可為換道輔助系統(tǒng)和車路協(xié)同提供理論支撐。

大多數(shù)研究基于換道意圖將換道行為劃分為自主型換道（Discretionary Lane-change,DLC）和強(qiáng)制型換道（Mandatory Lane-change,MLC）[3-4]，對建模方法（如基于規(guī)則型、離散型換道模型以及基于博弈論等換道模型）關(guān)注較多。不同換道行為表現(xiàn)出不同的行為特性，構(gòu)建車輛換道行為模型首先需要對車輛換道類型進(jìn)行判定。為更加細(xì)致地構(gòu)建換道行為模型，國內(nèi)外學(xué)者基于換道車輛和后隨車之間的交互行為，將換道行為進(jìn)一步劃分為自由換道、強(qiáng)迫/競爭換道和協(xié)作換道，并通常基于車輛間距和速度變化來辨別競爭/強(qiáng)迫行為和協(xié)作行為。如國外學(xué)者Hidas[5]在判別換道類型時，主要根據(jù)車輛換道過程中的間距變化，認(rèn)為換道過程中間距先減小后變大為強(qiáng)迫換道，間距先變大后減小則為協(xié)作換道。Wang[6]未考慮強(qiáng)迫換道行為，根據(jù)后隨車換道讓行或減速禮讓行為將協(xié)作換道模型細(xì)分為協(xié)同換道子模型和禮讓減速子模型。Sun等[7]根據(jù)換道車輛是否提前開啟轉(zhuǎn)向燈和后隨車減速行為發(fā)生的時刻，將換道類型細(xì)分為強(qiáng)迫換道、競爭/協(xié)作換道、自由換道。相比國外，國內(nèi)駕駛環(huán)境更加復(fù)雜，冒險型、競爭型換道行為也更頻繁、多樣。孫劍等[8]根據(jù)交通流水平，將交織區(qū)換道分為自由換道和協(xié)作換道進(jìn)行研究，在協(xié)作換道中分析了后隨車的減速意愿及可行性，若可行則視為協(xié)作換道發(fā)生，否則需要引入換道“協(xié)商”機(jī)制。Zhao等[9]通過實地觀察國內(nèi)的換道行為發(fā)現(xiàn)了一種特殊的競爭型換道行為：基于多次決策的多步擠壓換道（Multistep Approaching Lane Changing,MALC），該行為的主要特征為換道車輛減速幅度較大，騎線行駛時間較長，換道過程中多次嘗試插入后隨車間隙。黨睿娜等[10]在高速公路上進(jìn)行了實車駕駛?cè)藫Q道實驗，研究了換道過程中的車輛、車間狀態(tài)變化和換道操作習(xí)慣，但其實驗是在車輛密度較小的交通流進(jìn)行的，屬于自由換道研究。譚云龍[11]結(jié)合行為發(fā)起者和換道車輛與后隨車的速度是否均減小兩個條件，定義了強(qiáng)迫換道與協(xié)作換道。其他大多數(shù)研究都是基于后隨車對換道請求的響應(yīng)行為來辨別競爭換道與協(xié)作換道：換道車輛發(fā)出換道請求，若后隨車主動減速則為協(xié)作換道；若后隨車不減速、換道車依然堅持換道從而后隨車被迫減速的行為，則為競爭換道[12-13]。

綜上所述，競爭換道行為已引起廣泛關(guān)注，但關(guān)于競爭換道與協(xié)作換道的判定標(biāo)準(zhǔn)研究較為欠缺，現(xiàn)有研究多從定性角度描述間距、速度的變化趨勢，判定規(guī)則單一，觀測時間節(jié)點也較為模糊，缺乏定量、系統(tǒng)的分類方法。因此，本文在已有換道分類方法的基礎(chǔ)上，充分考慮車輛間的交互行為特點，提出一個定量辨別競爭與協(xié)作換道行為的判定標(biāo)準(zhǔn)。首先，系統(tǒng)地提出了競爭換道與協(xié)作換道行為的定量判定方法；然后，設(shè)計實驗驗證上述判定方法的有效性；最后，分析了競爭換道與協(xié)作換道的外顯運(yùn)動特征，并量化了競爭換道與協(xié)作換道的發(fā)生概率與接受間距的變化關(guān)系。

1 競爭與協(xié)作換道行為判定方法

通過觀察換道過程中換道車輛與后隨車的交互行為，將合流區(qū)換道行為劃分為自由換道、協(xié)作換道和競爭換道，本文重點研究競爭與協(xié)作換道行為。

（1）協(xié)作換道行為：換道條件不充分（主要表現(xiàn)為換道間距小于臨界接受間距），換道車輛向目標(biāo)車道微調(diào)車頭，后隨車主動調(diào)節(jié)速度保證與換道車輛之間的安全距離，整個交互過程發(fā)生在換道車輛進(jìn)入目標(biāo)車道前，之后換道車輛開始繼續(xù)向目標(biāo)車道駛?cè)搿?/p>

（2）競爭換道行為：根據(jù)競爭行為的發(fā)起者，一般有兩種表現(xiàn)。一是換道車輛為競爭行為的主導(dǎo)者，在換道條件不充分的條件下，持續(xù)逼近目標(biāo)車道，最終騎線與前導(dǎo)車并行，從而強(qiáng)迫后隨車減速、增大換道間距；二是后隨車為競爭行為的主導(dǎo)者，換道車輛保持一定轉(zhuǎn)角表達(dá)自己的換道意圖，后隨車加速或保持原速跟進(jìn)前導(dǎo)車，換道車輛等待一段時間后仍未獲得接受間距，開始駛?cè)肽繕?biāo)車道，此時后隨車為避免碰撞、刮蹭等而驟然減速。

為更好地描述換道行為，構(gòu)建一般換道行為的交通場景圖（見圖1）。其中，VehS為換道車輛，VehF為后隨車，VehL為前導(dǎo)車。由于合流區(qū)換道行為屬于出行需求誘導(dǎo)下的換道[14]，一般與本車道上的前車或后車的車輛類型、運(yùn)行狀態(tài)等無關(guān)，故本文不考慮本車道上前、后車輛對競爭與協(xié)作行為的影響。

圖1 合流區(qū)換道行為示意圖

對于較明顯的競爭與協(xié)作行為，結(jié)合速度和間距兩個指標(biāo)可直觀地進(jìn)行判斷，但有些換道行為單通過速度、間距的變化很難確定。比如：換道車輛發(fā)出換道請求后，后隨車速度略微減小甚至不減小，但兩車速度均較小且后車間距較大的情況，按照速度變化來看，顯然屬于競爭行為。但實際上后隨車沒有減速的必要，換道車輛可跟隨前導(dǎo)車平緩駛?cè)肽繕?biāo)車道。所以本文引入車頭時距和碰撞時間指標(biāo)，依次通過接受間距、車頭時距和碰撞時間來判定復(fù)雜環(huán)境下的競爭與協(xié)作換道行為類型。

結(jié)合實際數(shù)據(jù)的多種可能性，本文給出較為完整的競爭與協(xié)作換道行為判定方法（Identify Method of Lane-Changing,IMLC），具體判斷流程見圖2。其中需要提取的判定參數(shù)包括：①換道接受總間距GAPT（m）及后隨車間距GAPf（m）；②換道車輛和后隨車的速度vs和v（fkm/h）；③換道車輛與后隨車的碰撞時間（s）；④換道車輛的車長Ls（m）。

圖2 換道行為類型判定流程圖

第一步：判斷目標(biāo)車道上的前、后車總間距是否大于自由換道的最小接受間距閾值。研究表明，城市道路環(huán)境中，安全車頭時距處于2～4s之間，大于4s后車輛處于自由流狀態(tài)[15-16]。換道車輛與后隨車博弈較為激烈時，其極度靠近目標(biāo)車道線，隨時有碰撞危險，故本文將前導(dǎo)車與換道車、換道車與后隨車的車頭時距計入總接受間距閾值的計算，取最小車頭時距為2s，則總接受間距閾值GAPT0=Ls+2vs+2vf。若當(dāng)前間距大于總接受間距閾值，則判定為自由換道行為，否則繼續(xù)判斷后隨車間距；若當(dāng)前間距大于后隨車間距閾值GAPf0=2vf，仍判定為自由換道，否則進(jìn)行下一步判定。

第二步：GAPf越小，換道車輛的換道意圖越不容易被提前察覺，所以需要跨道前后較短時間內(nèi)的數(shù)據(jù)。本文規(guī)定當(dāng)GAPf=(0,vf]時，提取跨道時刻前、后1s時刻的數(shù)據(jù)；當(dāng)GAPf=(vf,2vf]時，提取跨道時刻前、后2s的數(shù)據(jù)。然后，計算跨道前、跨道時、跨道后3個時刻的數(shù)據(jù)值，為去除噪聲數(shù)據(jù)，取每個時刻前后0.5s的數(shù)據(jù)平均值作為該時刻的值，并規(guī)定GAPf變化量的絕對差值在0.1vf以內(nèi)，都視作無變化。在擁擠交通環(huán)境中，依據(jù)跨道前、跨道后的GAPf變化情況，可知跨道前GAPf有不變、變大和變小3種可能性；同理，跨道后GAPf也有不變、變大、變小3種可能性。各種可能性的組合結(jié)果及判定規(guī)則如圖3所示。

圖3 基于后隨車間距的競爭與協(xié)作換道行為判定規(guī)則

圖3（a）中，跨道前GAPf無明顯變化，說明后隨車有輕微的競爭意識，換道后GAPf不變或減小，需要根據(jù)換道車輛與后隨車之間的碰撞時間進(jìn)一步判定換道行為類型；圖3（b）中，跨道前GAPf變大，說明后隨車有協(xié)作意識，但GAPf先增后減，有可能是換道車輛通過加速暫時犧牲前導(dǎo)車間距，之后后隨車加速靠近的結(jié)果，所以不能排除競爭換道的可能性；圖3（c）中，跨道前GAPf變小，說明后隨車有競爭意識，但同理，GAPf先減小后增大或不變，有可能是換道車輛通過減速暫時犧牲后隨車間距，之后后隨車減速協(xié)作的結(jié)果，所以不能排除協(xié)作換道的可能性，需要結(jié)合碰撞時間進(jìn)一步判斷。

第三步：對于圖3中需要進(jìn)一步判定的case②,case③,case⑥,case⑦,case⑧,case⑨，可根據(jù)換道車輛與后隨車的碰撞時間的倒數(shù)進(jìn)行判定，判定方法如表1所示。大量調(diào)查表明，碰撞時間（Time-to-Collision,TTC）的安全閾值為[2,4]s，本文取最小安全閾值，則TTC-1=0.5。

表1 自由、競爭與協(xié)作換道行為判定

2 數(shù)據(jù)獲取與實驗設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)獲取

調(diào)查前采用電子地圖線上選點與實地勘察線下踩點相結(jié)合的方式，最終選定幾何特征相似的北京市長虹橋和肖村橋合流區(qū)作為研究對象，這兩處合流區(qū)均為平行式加速車道，且加速車道長度相近，具體路況如圖4所示。為使所采集的數(shù)據(jù)能反映擁擠交通流的基本特性，調(diào)查時間選擇包含早晚高峰時段的3個普通工作日。拍攝視頻時，將攝像機(jī)架設(shè)在高3.5m的人行天橋上并將安有廣角鏡頭的攝像頭固定在4m長的伸縮桿頂端，盡量做到垂直拍攝，視頻坐標(biāo)標(biāo)定誤差限制在0.1m以內(nèi)，拍攝時長共計9h。然后，通過視頻處理軟件Format Factory將視頻處理成10幀/s的AVI格式的視頻圖像，再利用車輛軌跡提取軟件George通過視頻導(dǎo)入、特征點坐標(biāo)標(biāo)定及矯正、車輛軌跡點選、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等步驟，最終可獲得相應(yīng)時刻的車輛位置、速度、加速度、曲率等數(shù)據(jù)。

圖4 快速路合流區(qū)調(diào)查地點

2.2 實驗設(shè)計

隨機(jī)選擇5名非職業(yè)駕駛員，首先為之講解競爭與協(xié)作換道的含義以及從定性角度判定競爭與協(xié)作行為的方法，然后為他們回放換道行為數(shù)據(jù)對應(yīng)的視頻片段。觀看過程中，觀察者根據(jù)換道開始到跨道發(fā)生前這段決策時間的視頻，觀察換道車輛和后隨車的車輛行為，并結(jié)合速度、間距變化，從主觀上給出競爭或協(xié)作的判斷結(jié)果。為保證評判結(jié)果的客觀性，每名觀察者需要獨立作出判斷，每個樣本若有3人以上（含3人）的結(jié)果保持一致，則該樣本類型取此結(jié)果，否則將對該樣本進(jìn)行單獨標(biāo)記。

最終，通過人工法成功判定出79組樣本量的換道行為類型，競爭換道與協(xié)作換道分別為32組和47組。然后，基于MATLAB對IMLC編程，對以上79組樣本的換道類型進(jìn)行自動識別。對比兩者結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人工組與算法組的換道行為類型平均匹配率高達(dá)87%。其余由人工未能有效分辨出換道類型的樣本，也通過IMLC得到了有效甄別，綜合IMLC的兩次判定結(jié)果，競爭換道與協(xié)作換道分別為79組和128組，具體判定結(jié)果如表2所示。

表2 人工法與IMLC法換道行為類型判定結(jié)果

結(jié)果分析：通過判定較為直觀的換道行為，所得人工評判和算法評判結(jié)果的平均匹配率為87%，可證明所述方法有效。最終，通過IMLC可有效識別競爭與協(xié)作行為的模糊性，明確其他的復(fù)雜換道行為類型。

3 競爭與協(xié)作換道行為特征分析

為明確競爭與協(xié)作換道行為特征，首先需對換道行為關(guān)鍵點進(jìn)行定義，然后對換道行為主要特性進(jìn)行統(tǒng)計分析。圖1中，A、D點表示換道行為的起點和終點，A（D）點指車輛跨道開始前（完成后），車輛橫向位移值不大于上游（下游）相鄰1s內(nèi)的任一時刻的值；B、C點分別表示跨道開始時刻和跨道完成時刻。則BC階段為騎線行駛過程，AD階段為完整換道過程，兩者對應(yīng)時間分別為騎線行駛時間和換道時間。

3.1 接受間距與相對速度關(guān)系

圖5為相對速度與接受間距的關(guān)系圖，圖中實線為協(xié)作換道的擬合曲線，虛線為競爭換道的擬合曲線，可見競爭與協(xié)作換道行為中：①在一定的相對速度范圍內(nèi)，接受間距均隨相對速度增大而增大；②同一相對速度條件下，后隨車間距整體大于前導(dǎo)車間距，說明在換道過程中，由于后隨車間距不受換道車輛自身控制，故對其換道成敗更為關(guān)鍵。

另外，對相對速度與接受間距進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)在同一相對速度條件下，競爭換道行為的接受間距較小，尤其當(dāng)前車相對速度小于5km/h時，競爭換道的前導(dǎo)車間距出現(xiàn)大量負(fù)值，表示換道車輛部分車身與前導(dǎo)車相重合，這種情況顯然不具備換道條件。這說明為逼迫后隨車減速，換道車輛在實施換道前很長一段時間就開始騎線與前導(dǎo)車并行，充分展現(xiàn)了搶占資源時“你爭我擠”的激烈性。

圖5 換道行為相對速度與接受間距關(guān)系圖

3.2 騎線行駛時間

目前，關(guān)于換道起始節(jié)點的定義無統(tǒng)一規(guī)定且比較模糊，這使得換道時間在統(tǒng)計值上相差很大。為減少異議，本文選取騎線行駛時間作為競爭與協(xié)作換道行為的特征指標(biāo)之一，其分布圖及累積頻率曲線如圖6所示，其中，五角星標(biāo)志與菱形標(biāo)志的折線分別代表競爭換道與協(xié)作換道的累積頻率曲線。

圖6 騎線行駛時間分布圖

協(xié)作換道行為的騎線行駛時間集中在2～6s，10s以上的換道行為僅占3%左右，均值為4.8s；競爭換道行為中，騎線行駛時間較為分散，4s以下的僅占15%左右，10s以上則占到30%，均值為7.9s。這說明在競爭換道行為中，換道車輛為表明換道的堅決性，會騎線向目標(biāo)車輛加壓，直至出現(xiàn)可接受間距。

3.3 目標(biāo)后車速度

換道過程中受影響最大的一般為后隨車輛，其最大速度變化值可反映換道過程的平穩(wěn)性，計算公式如下：

目標(biāo)后車速度變化最大值雷達(dá)圖見圖7。由圖7可知，競爭與協(xié)作換道行為均會對目標(biāo)后車的運(yùn)行速度產(chǎn)生一定影響，但競爭換道行為的影響要大于協(xié)作換道行為，具體表現(xiàn)為：兩行為中，后隨車的最大速度變化值均集中于5～10km/h；但協(xié)作換道行為中，后隨車的最大速度變化值在5km/h以內(nèi)的比例明顯高于競爭換道行為。

圖7 目標(biāo)后車速度變化最大值雷達(dá)圖

3.4 加加速度（Jerk）

研究表明，激進(jìn)駕駛行為的Jerk值高于一般駕駛行為[17]。車輛舒適行駛狀態(tài)下的Jerk值在2m/s3以內(nèi)，超過3m/s3后則會對行車舒適性和交通穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的負(fù)面影響[18]。對后隨車和換道車輛在AC段中Jerk值大于3m/s3的頻率進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖8所示。

圖8 后隨車Jerk值大于3m/s3所占換道時間比例分布圖

在協(xié)作換道中，后隨車的Jerk值大于3m/s3所占換道時間比例在0.4以下的占70%，競爭換道中這一比例約為50%；Jerk值大于3m/s3所占換道時間比例超過0.8的情況在協(xié)作換道行為中未出現(xiàn)，競爭換道中這一比例則達(dá)到了12%。由此可知，相比競爭換道，協(xié)作換道中后隨車的加速度變化率較小，其大部分時間處于舒適安全狀態(tài)，對交通流運(yùn)行的負(fù)面影響較小。

3.5 接受間距分布

圖9為競爭與協(xié)作換道行為的接受間距分布和累積頻率圖，其中平滑曲線代表接受間距的分布趨勢，折線代表其累積頻率。由圖9可知，競爭與協(xié)作換道行為的接受間距存在一定差異。競爭換道的總接受間距集中在5～10m，平均值為7.6m，接受間距在0～5m之間的占到24%，大于15m的接受間距不足5%；協(xié)作換道行為的接受間距集中在10～15m，平均值為13.3m，在0～5m之間的接受間距僅占5%左右，大于15m的則占到30%。

圖9 車輛換道接受間距分布和累積頻率

對競爭與協(xié)作換道行為的接受間距進(jìn)行單樣本K-S檢驗，結(jié)果顯示兩種行為的接受間距均服從正態(tài)分布。通過數(shù)據(jù)擬合得到：協(xié)作換道行為中，接受間距服從G(12.77,6.17)的正態(tài)分布；競爭換道行為中，接受間距服從G(9.74,3.66)的正態(tài)分布，據(jù)此得到競爭與協(xié)作換道行為的概率密度如式（2）、式（3）所示：

則競爭與協(xié)作換道概率如式（4）、式（5）所示：

式（2）～式（5）中：fcom（x）為競爭換道行為密度函數(shù)；fcoo（x）為協(xié)作換道行為密度函數(shù)；x為換道行為接受間距（m）；Pcom(x)和Pcoo(x)分別為競爭換道概率與協(xié)作換道概率。

基于式（4）和式（5）得到不同接受間距下的換道行為選擇概率值，如表3所示。

觀察表3發(fā)現(xiàn)：競爭或協(xié)作換道概率并非隨間距增大而單調(diào)增大，而是在臨界值8m處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折；當(dāng)間距小于8m時，競爭換道的概率隨間距增大而增大。這可以解釋為當(dāng)間距較小時，駕駛員意識到競爭對換道行為并無幫助，故協(xié)作意識反而較高。整體來看，當(dāng)間距小于14m時，換道車輛采取競爭行為的概率較大；當(dāng)間距大于16m時，換道車輛采取協(xié)作行為的概率明顯增大；當(dāng)間距大于22m時，換道車輛基本可以通過協(xié)作順暢完成換道行為。

表3 不同間距下的換道行為概率

4 結(jié)論

本文在實地觀測和已有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合接受間距、車頭時距和碰撞時間，系統(tǒng)地總結(jié)出一套定量判定競爭換道與協(xié)作換道的方法，并與人工判定結(jié)果相對比，驗證了該方法的有效性。對比分析競爭與協(xié)作換道的行為特性，發(fā)現(xiàn)競爭換道中，換道車輛騎線壓迫后車減速行為較頻繁，后車運(yùn)行狀態(tài)波動較大、接受間距較小，主要表現(xiàn)如下：

（1）騎線行駛時間：競爭換道騎線時間均值為7.9s，是協(xié)作換道的1.6倍；

（2）后隨車最大速度變化值：競爭換道中速度變化值分布范圍較大，且20%的競爭換道中，后隨車速度變化在15km/h以上；Jerk值大于3m/s3的時間比例在0.6以上接近20%，協(xié)作換道中該比例不足10%；

（3）正態(tài)分布能較好地擬合競爭與協(xié)作換道的接受間距，且當(dāng)間距值小于8m時，競爭換道概率隨間距增大而增大；當(dāng)間距值大于20m后，競爭換道的概率不足10%。

車輛換道行為受交通流、車輛性能以及駕駛員特征等多種因素影響，本文僅考慮了擁擠狀態(tài)下的接受間距與換道行為的概率關(guān)系，在今后研究中將會全面考慮以上因素。另外，汽車的智能化、網(wǎng)聯(lián)化已成為全球汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點，研究應(yīng)進(jìn)一步考慮智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下的競爭與協(xié)作換道行為特性并構(gòu)建相應(yīng)模型[19-20]。