基于圖譜的個(gè)體駕駛行為特征描述方法研究

伍毅平，趙曉華

(北京工業(yè)大學(xué)城市交通學(xué)院，北京 100124)

0 引言

駕駛員的駕駛行為是影響機(jī)動(dòng)車安全、綠色、順暢運(yùn)行的重要因素[1-3].由于個(gè)體屬性、駕駛水平及駕駛習(xí)慣等存在差異，不同駕駛員具有不同的駕駛行為特征.因此，為挖掘和直觀展示不同駕駛行為的特征規(guī)律，進(jìn)而支撐更有針對(duì)性的駕駛行為優(yōu)化，需尋找有效方法實(shí)現(xiàn)駕駛行為特征的準(zhǔn)確描述與直觀表達(dá).

近年來(lái)，有不少研究嘗試駕駛行為建模以刻畫(huà)其特征，并在駕駛行為識(shí)別和預(yù)測(cè)等方面取得了成效，獲得了可接受的模型精度[4-6].一方面，以往大多研究?jī)H考慮駕駛員某些特定的駕駛行為，如急減速、急轉(zhuǎn)向及急加速等，不能體現(xiàn)駕駛員整體駕駛行為習(xí)慣[7]；另一方面，以往研究主要集中于通過(guò)數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)駕駛行為識(shí)別、分類及預(yù)測(cè)，有關(guān)駕駛行為的直觀描述和形象表達(dá)方法依然缺乏[8].基于以往研究成果，仍然較難回答駕駛員駕駛行為為什么不好，也不能直觀展示出不同駕駛行為在何處存在差異.因此，相關(guān)研究成果并不能較好地支撐駕駛員駕駛行為培訓(xùn)及優(yōu)化.

因?yàn)轳{駛過(guò)程中的駕駛行為數(shù)據(jù)是連續(xù)變化的數(shù)字型數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量大、穩(wěn)定性差、噪音多等特點(diǎn)，并且某一時(shí)刻往往會(huì)有多種駕駛操作同時(shí)發(fā)生，因此傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)據(jù)圖表描述方法較難直觀反映駕駛行為的變化過(guò)程，需要尋求新的方法以實(shí)現(xiàn)駕駛行為特征規(guī)律的準(zhǔn)確描述.由于在信息可視化方面存在較大優(yōu)勢(shì)，圖譜已逐漸發(fā)展成為展示復(fù)雜、多維、不確定、不完整及存在內(nèi)部關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)其特征的重要手段，并廣泛應(yīng)用于信息學(xué)、繪圖學(xué)、天體學(xué)、生物學(xué)等眾多領(lǐng)域探索知識(shí)可視化，如知識(shí)圖譜、地理信息圖譜、指紋圖譜、社交圖譜等.其中，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、信息處理、知識(shí)計(jì)量和圖形繪制，知識(shí)圖譜可以將復(fù)雜知識(shí)領(lǐng)直觀顯示出來(lái)，揭示知識(shí)發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系.因此，借鑒知識(shí)圖譜表現(xiàn)形式，通過(guò)數(shù)據(jù)編碼和建立關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以以節(jié)點(diǎn)及連接線的形式實(shí)現(xiàn)駕駛行為數(shù)據(jù)特征及相互關(guān)系的準(zhǔn)確描述，直觀表達(dá)駕駛行為的變化過(guò)程[9-10].

事實(shí)上，實(shí)際行車過(guò)程中駕駛行為主要包括駕駛員駕駛操作和車輛運(yùn)行狀態(tài)2個(gè)方面.其中，駕駛操作主要體現(xiàn)為駕駛員對(duì)車輛方向盤、檔位、加速踏板、減速踏板及離合踏板等的控制；車輛運(yùn)行狀態(tài)則主要通過(guò)車輛速度、加速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等描述.為更加直接地反應(yīng)駕駛員個(gè)體行為特征及駕車習(xí)慣，本研究旨在利用圖譜理論，構(gòu)建駕駛操作行為特征圖譜，剖析駕駛操作行為的過(guò)程變化特性.

1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

用于駕駛操作行為圖譜構(gòu)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，駕駛車輛為豐田 Yaris 手動(dòng)擋車型.該平臺(tái)能模擬和再現(xiàn)實(shí)車運(yùn)行環(huán)境，并以30 Hz的頻率記錄駕駛?cè)瞬倏匦袨閰?shù)(如加速踏板/制動(dòng)踏板踩踏深度、方向盤轉(zhuǎn)角、檔位等)和車輛運(yùn)行參數(shù)(速度、加速度、側(cè)向位移等).其中，本研究主要涉及的駕駛操作行為數(shù)據(jù)項(xiàng)、表征符號(hào)以及數(shù)據(jù)取值范圍如表1所示.

表1 駕駛操作行為數(shù)據(jù)項(xiàng)及變化范圍

對(duì)于手動(dòng)擋車型，車輛起步時(shí)需要駕駛員同時(shí)進(jìn)行多種駕駛操作，其操作行為較其它駕駛事件(如停車、跟馳、變道等)更為復(fù)雜，起步過(guò)程是駕駛員駕駛操作行為特征的典型代表，可以較好地反應(yīng)駕駛操作水平.因此，為更加明顯地反映不同類型的駕駛操作行為特征差異，研究選定車輛起步過(guò)程為分析對(duì)象.起步過(guò)程均設(shè)置在城市道路的平直路段上，定義為車輛速度由0開(kāi)始增加至車輛駛過(guò)100 m的距離，并控制實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景無(wú)其他干擾因素.本研究共獲取22名駕駛員的車輛起步數(shù)據(jù)，用于駕駛操作行為特征圖譜建模與分析.隨機(jī)選擇1名駕駛員起步過(guò)程的駕駛操作數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖(圖1)，由于研究選定平直路段的起步過(guò)程作為數(shù)據(jù)分析對(duì)象，因此減速踏板行程值為0，方向盤轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)無(wú)變化，加速踏板、離合踏板和檔位的變化示意見(jiàn)圖1.

圖1 起步過(guò)程駕駛操作行為數(shù)據(jù)示意

2 駕駛行為特征圖譜構(gòu)建

研究旨在通過(guò)對(duì)原始駕駛行為數(shù)據(jù)的信息抽取、融合和加工，將連續(xù)數(shù)字型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為抽象型的圖譜形式.由于駕駛操作行為數(shù)據(jù)具有連續(xù)過(guò)程變化的特點(diǎn)，對(duì)比圖譜要素構(gòu)成，研究以時(shí)間基元為橫軸，空間基元為縱軸，連線代表行為持續(xù)時(shí)間，通過(guò)研究確定圖譜元素排列組合規(guī)則進(jìn)而完成駕駛行為特征圖譜構(gòu)建.

2.1 時(shí)間基元構(gòu)建

時(shí)間基元主要用于描述駕駛員駕駛操作行為的時(shí)間維度.根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，駕駛員平均花費(fèi)15 s左右的時(shí)間完成起步過(guò)程，因此，本研究擬以1 s為時(shí)間間隔確定操作行為的變化過(guò)程.由于研究選用的模擬器每秒記錄駕駛操作數(shù)據(jù)30次，因此研究引入時(shí)間窗概念，首先將原始數(shù)據(jù)抽取為逐秒數(shù)據(jù).

以固定值30為窗口長(zhǎng)度，逐秒駕駛操作行為特征平均值可由公式(1)計(jì)算.

(1)

式中,f(xi)為駕駛模擬器在時(shí)刻i采集到的駕駛操作行為原始值；f(n)為駕駛操作行為在該秒的平均值.如果本秒原始數(shù)據(jù)采集量不足30個(gè)，則f(n)采用可用的數(shù)據(jù)求平均值.

2.2 空間基元構(gòu)建

完成時(shí)間基元構(gòu)建獲取逐秒數(shù)據(jù)后，空間基元構(gòu)建的主要任務(wù)則是將數(shù)值型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖譜所具有的抽象化節(jié)點(diǎn)符號(hào)，即數(shù)據(jù)編碼.研究定義編碼的產(chǎn)生條件為：駕駛操作行為在某一時(shí)刻發(fā)生顯著改變.因此，研究首先將駕駛操作行為數(shù)據(jù)范圍劃分為3等份，由節(jié)點(diǎn)大小代表駕駛操作的程度(如踩踏離合踏板深度).如圖2所示，最小、中等、最大實(shí)心圓分別表征踩踏離合踏板行程位于0～1/3、1/3～2/3、2/3～1.特別地，研究采用空心圓表征駕駛操作行為為0.

圖2 駕駛操作行為節(jié)點(diǎn)定義(以離合踏板為例)

按照此規(guī)則，可以分別獲得加速踏板及檔位的編碼規(guī)則.因?yàn)檫x定平直道路上的起步過(guò)程為研究對(duì)象，且無(wú)其它外部條件干擾，因此車輛減速踏板行程始終為0，故在后文的研究中不再包含.

2.3 排列組合

在完成圖譜時(shí)間和空間基元構(gòu)建后，需要重點(diǎn)考慮圖譜各要素之間的排列組合形式，刻畫(huà)不同要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.由于實(shí)際行車過(guò)程中，同一時(shí)刻可能存在單一或多個(gè)駕駛操作行為作用，不僅需要確定單個(gè)操作行為隨時(shí)間的變化過(guò)程，還需要考慮多個(gè)操作行為之間的相互關(guān)系.首先，根據(jù)行為發(fā)生時(shí)間順序分別排列單一駕駛操作行為；然后，設(shè)計(jì)不同操作行為之間的組合形式.

2.3.1 單一行為排列

進(jìn)行單一行為排列時(shí)，主要考慮時(shí)間序列上連續(xù)相鄰節(jié)點(diǎn)間的差異特征，定義假設(shè)條件如下：

1)駕駛操作行為編碼從起步的第一秒開(kāi)始；

2)如果當(dāng)前秒與相鄰上一節(jié)點(diǎn)的駕駛操作行為變化程度大于等于行程1/3，則在當(dāng)前秒生成新的駕駛操作行為編碼；

3)當(dāng)駕駛操作行為值為0且相對(duì)于相鄰上一秒首次發(fā)生，則在該秒生成帶有駕駛操作行為符號(hào)的空心圓作為編碼.

2.3.2 多種行為組合

多種行為組合主要涉及2方面內(nèi)容：一是同一時(shí)刻不同操作行為的縱向排列；二是不同時(shí)刻之間行為的持續(xù)及變化.因此，研究定義以下3項(xiàng)規(guī)則實(shí)施多種行為的組合排列：

1)以時(shí)間序列為X軸、駕駛操作行為為Y軸構(gòu)建坐標(biāo)系，并且X軸和Y軸的間隔等分設(shè)置.同時(shí)，對(duì)于Y軸，按照駕駛操作行為的首字母先后順序由下至上依次放置：加速踏板(A)、離合踏板(C)、檔位(G)和方向盤(S)；

2)結(jié)合駕駛操作行為發(fā)生時(shí)間及節(jié)點(diǎn)編碼產(chǎn)生規(guī)則，確定每一駕駛操作行為在上述坐標(biāo)軸中的位置及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編碼屬性(大小、符號(hào)及虛實(shí))；

3)從坐標(biāo)軸原點(diǎn)開(kāi)始，按照發(fā)生時(shí)間先后順序利用直線連接每個(gè)駕駛操作行為節(jié)點(diǎn)編碼，直線表示駕駛操作行為隨時(shí)間延長(zhǎng)一直持續(xù).

依據(jù)上述方法，可構(gòu)建獲得起步過(guò)程中的駕駛操作行為圖譜.隨機(jī)選取1名駕駛員起步過(guò)程的操作行為數(shù)據(jù)，構(gòu)建特征圖譜如圖3所示，由此可以明顯看出每種駕駛操作行為的發(fā)生時(shí)間、操作程度及先后順序.進(jìn)一步分析圖3可知，該駕駛員的典型駕駛行為特征包括：①對(duì)于方向盤操作，在第1秒出現(xiàn)后，后續(xù)時(shí)間一直沒(méi)有出現(xiàn)大的改變；②通過(guò)一次換擋行為(1檔換至2檔)完成起步過(guò)程；③加速時(shí)加速踏板行程較小，起步過(guò)程未存在急加速現(xiàn)象.

2.4 結(jié)果分析

圖3 駕駛員起步過(guò)程的駕駛操作行為圖譜示意

圖4 起步過(guò)程操作行為特征圖譜(5名駕駛員)

根據(jù)以上圖譜構(gòu)建方法，隨機(jī)選擇5名駕駛員起步過(guò)程的操作行為數(shù)據(jù)構(gòu)建圖譜(如下圖4)，進(jìn)而分析不同個(gè)體駕駛操作行為特征.由圖4明顯可以看出，不同駕駛員完成相同距離起步過(guò)程的耗時(shí)長(zhǎng)短存在差別.進(jìn)一步對(duì)比分析不同駕駛員的駕駛行為圖譜，可獲得以下典型行為特征：

1)駕駛員A和B駕車相對(duì)激進(jìn)，急加速現(xiàn)象明顯、且不及時(shí)提升檔位、經(jīng)常出現(xiàn)空加油現(xiàn)象(換擋時(shí)刻仍踩踏加速踏板)；

2)駕駛員C駕車相對(duì)平緩，無(wú)急加速現(xiàn)象存在，但更換檔位花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，可以推測(cè)該駕駛員極有可能為新手，同等條件下其駕駛熟練程度較其他4名駕駛員更低；

3)駕駛員D和E駕駛行為習(xí)慣相對(duì)更好，不僅無(wú)急加速現(xiàn)象，而且能及時(shí)和快速地更換檔位.

3 結(jié)束語(yǔ)

基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)獲取的駕駛操作行為數(shù)據(jù)，匹配分析行為數(shù)據(jù)特點(diǎn)與圖譜元素構(gòu)成，提出了基于圖譜的個(gè)體駕駛行為特征描述方法.以操作行為發(fā)生時(shí)間為圖譜時(shí)間基元(橫軸)，以不同操作行為實(shí)施力度為圖譜空間基元(縱軸)，按照操作行為的變化過(guò)程為主線，構(gòu)建了不同駕駛員個(gè)體在車輛起步階段的駕駛操作行為特征圖譜，實(shí)現(xiàn)了個(gè)體駕駛行為過(guò)程變化規(guī)律的直觀表達(dá).通過(guò)不同駕駛員個(gè)體駕駛操作行為圖譜對(duì)比分析可知，不同駕駛員的駕駛行為特征存在不同程度差異，駕駛行為特征圖譜能較好地刻畫(huà)其差異特性，為準(zhǔn)確剖析和把握駕駛行為特征提供了方法支持.

本文提出了利用圖譜描述個(gè)體駕駛行為特征的方法，但僅以典型的車輛起步過(guò)程為例進(jìn)行了驗(yàn)證說(shuō)明，后續(xù)會(huì)構(gòu)建針對(duì)停車、變道、跟馳等不同駕駛事件的駕駛行為特征圖譜，以增強(qiáng)研究結(jié)果的合理性和可行性.同時(shí)，構(gòu)建圖譜時(shí)定義的時(shí)空閾值需要針對(duì)不同事件進(jìn)行標(biāo)定和具體測(cè)算.另外，本研究只是定性地闡述了不同駕駛行為特征圖譜的差異性，有必要引入相似性判別的方法進(jìn)一步量化分析.

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