基于軌跡數(shù)據(jù)的高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)車輛換道特性研究

王忠宇 賀文雅 楊 航 王艷麗 吳 兵

(1上海海事大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院, 上海 201306)(2深圳市都市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院公共交通研究所, 深圳 518058)(3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)

隨著中國高速公路建設(shè)的不斷推進(jìn)及機(jī)動(dòng)車保有量的急劇增加，高速公路養(yǎng)護(hù)維修出現(xiàn)了一些新情況：部分早期高速公路存在嚴(yán)重破損，養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)量持續(xù)增加．養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)不僅降低了高速公路的通行能力、增加了行車延誤，也給駕駛?cè)藛T和作業(yè)人員帶來重大安全隱患，屬于交通事故的黑點(diǎn)，其高速的交通流和復(fù)雜的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境使行車具有高風(fēng)險(xiǎn)性[1]．同向刮擦事故作為高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)交通事故的主要類型，大多由車輛換道行為引起[1-2]，現(xiàn)有研究多采用定性分析和交通仿真手段，而基于作業(yè)區(qū)周邊交通流實(shí)測數(shù)據(jù)的車輛換道行為研究相對(duì)欠缺．研究高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)車輛換道特性，對(duì)于改善作業(yè)區(qū)不合理布置、提升人車安全性、合理制定交通管控措施具有重要意義．

高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)由于車道數(shù)量減少，造成部分車輛需要通過改變車道到可通行車道上，使得作業(yè)區(qū)車輛的運(yùn)行特性具有獨(dú)特性和復(fù)雜性．Zhao等[3]將作業(yè)區(qū)劃分為前置警告區(qū)、過渡區(qū)、縱向緩沖區(qū)、工作區(qū)和終止區(qū)．Meng等[4]研究發(fā)現(xiàn)，作業(yè)區(qū)的同向刮擦事故多發(fā)于過渡區(qū)，因?yàn)檫^渡區(qū)內(nèi)封閉車道上的車輛需要換道，當(dāng)車流量大時(shí)極易與相鄰車道車輛發(fā)生刮擦．Salvucci等[5]很多學(xué)者將轉(zhuǎn)向燈的開啟視作駕駛?cè)讼胍獙?shí)施匯入或者換道行為．

車輛換道行為的研究往往與車輛軌跡緊密聯(lián)系．Sun等[6]分析美國路易斯安那州7條直線路段車輛軌跡的橫向位置，得出了影響軌跡橫向距離的因素，發(fā)現(xiàn)道路邊緣線有助于駕駛?cè)诉h(yuǎn)離存在隱患的路側(cè)邊緣，此時(shí)行車軌跡有相對(duì)靠近道路中心線的趨勢．Yang等[7]研究了4車道鄉(xiāng)村公路的駕駛行為，發(fā)現(xiàn)路緣的存在不會(huì)影響行車速度，但會(huì)改變行車軌跡．Weng等[8]利用道路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)車輛軌跡數(shù)據(jù)研究車輛換道行為，建立了與時(shí)間相關(guān)的Logistic回歸模型．

國內(nèi)在車輛換道行為方面也有一些研究．魏麗英等[9]從車頭時(shí)距分布入手，利用線性跟馳理論對(duì)換道行為進(jìn)行模擬研究，分析了速度和車頭時(shí)距對(duì)換道行為的影響．金立生等[10]針對(duì)典型的高速公路換道場景建立了基于加速行為的最小安全距離換道模型．裴玉龍等[11-12]研究了城市道路車輛換道期望運(yùn)行軌跡、駕駛?cè)艘朁c(diǎn)轉(zhuǎn)移特性、換道行為對(duì)道路通行能力影響等，并分析了換道持續(xù)時(shí)間的影響因素．鄭華榮[13]分析了影響換道危險(xiǎn)態(tài)勢的周邊車輛的加減速駕駛意圖，建立了考慮駕駛意圖的安全換道模型．王雪松等[14]基于上海自然駕駛實(shí)驗(yàn)采集的駕駛?cè)诵袨楹蛙囕v運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過車道偏移值識(shí)別換道時(shí)間，提取特征變量；根據(jù)車輛與車道線位置關(guān)系，將換道分為前期準(zhǔn)備、換道執(zhí)行和換道持續(xù)3個(gè)階段，指出高速公路多車道換道的比例較高，安全隱患較大．

以往將轉(zhuǎn)向燈開啟作為換道起始點(diǎn)處理的優(yōu)點(diǎn)在于直觀、便于數(shù)據(jù)提?。欢?，現(xiàn)實(shí)中一些駕駛?cè)藫Q道前并未開啟轉(zhuǎn)向燈提醒其他人注意；一些駕駛?cè)穗m然開啟了轉(zhuǎn)向燈，但由于周圍環(huán)境的干擾，并不能及時(shí)換道．因此，簡單將開啟轉(zhuǎn)向燈作為車輛換道起始點(diǎn)并不合理．另外，國內(nèi)研究換道行為，前期側(cè)重于利用換道過程中車輛間相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系建立仿真模型，近年出現(xiàn)了針對(duì)換道意圖階段的相關(guān)分析，但多針對(duì)城市道路環(huán)境，對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)車輛的換道行為研究較少．本文利用無人機(jī)航拍作業(yè)區(qū)交通流實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)車輛運(yùn)行軌跡線與車道線之間的幾何關(guān)系分析車輛換道行為，研究車輛換道起始點(diǎn)、換道結(jié)束點(diǎn)以及換道長度，為高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)的交通組織設(shè)計(jì)、交通事故預(yù)防提供理論支撐，也可為作業(yè)區(qū)交通仿真提供模型基礎(chǔ)．

1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 數(shù)據(jù)采集

本文選取單向4車道變3車道的高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)為研究對(duì)象．為使分析具有普適性，將以下3條規(guī)則作為研究對(duì)象的選取原則：① 作業(yè)區(qū)必須具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的所有組成部分和安全設(shè)施，布置滿足規(guī)范要求；② 作業(yè)區(qū)6個(gè)區(qū)域(警告區(qū)、上游過渡區(qū)、緩沖區(qū)、工作區(qū)、下游過渡區(qū)和終止區(qū))均處于平坦路段，無特殊線形和坡度特征；③ 作業(yè)區(qū)位置與上下匝道有一定距離．選取了G60松江段(上海市區(qū)—松江方向)的一個(gè)作業(yè)區(qū)作為數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)，G60高速路況良好，正常路段限速120 km/h．作業(yè)封閉緊鄰中央分隔帶的超車道(車道1)，其他3條可通行車道寬度無改變，如圖1(a)所示．第1塊“前方施工”標(biāo)志牌布設(shè)于上游過渡區(qū)起點(diǎn)以上1 600 m處，即警告區(qū)起點(diǎn)．在2015-02-02的10：00—12：00，使用無人機(jī)對(duì)作業(yè)區(qū)合流路段的交通流進(jìn)行航拍，無人機(jī)在緩沖區(qū)起始點(diǎn)處上升40 m，攝像角度為水平向下45°，機(jī)身面對(duì)車流并向中央分隔帶稍有偏轉(zhuǎn)，固定不動(dòng)拍攝連續(xù)高質(zhì)量的交通流視頻．

本文重點(diǎn)分析距上游過渡區(qū)起點(diǎn)約200 m處(斷面2)到工作區(qū)起點(diǎn)(斷面8)的區(qū)域內(nèi)的車輛換道特性，如圖1(b)所示．根據(jù)已有研究[15]，該區(qū)域集中了大部分因作業(yè)區(qū)導(dǎo)致的車輛換道行為，存在較大行車風(fēng)險(xiǎn)，因而定義為高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)的行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域．提取該區(qū)域低密度交通流狀態(tài)下車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，以保證車輛行駛不受互相干擾，只受作業(yè)區(qū)通行環(huán)境的影響，更能體現(xiàn)作業(yè)區(qū)對(duì)換道行為的影響．

(a) 作業(yè)區(qū)整體布置示意圖

(b) 行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域示意圖(單位：m)

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)車輛運(yùn)行軌跡線與車道線之間的幾何關(guān)系，確定車輛換道起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)．以換道車輛的一側(cè)觸碰車道線時(shí)的位置作為換道起始點(diǎn)Ps，車輛駛過車道線到另一側(cè)剛好遠(yuǎn)離車道線時(shí)的位置作為換道結(jié)束點(diǎn)Pe，換道起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間的距離即為車輛換道長度Lm．圖2為車輛一次換道的換道位置及空間坐標(biāo)示意圖，設(shè)定上游過渡區(qū)起點(diǎn)為橫坐標(biāo)原點(diǎn)．車輛連續(xù)換道視為一條數(shù)據(jù)，取第1次換道起始點(diǎn)為該條數(shù)據(jù)的換道起始點(diǎn)，換道長度為各次換道長度之和．

圖2 車輛換道位置及空間坐標(biāo)示意圖

使用George 2.1視頻處理軟件構(gòu)建和標(biāo)定空間坐標(biāo)，對(duì)航拍視頻進(jìn)行變幀播放，半自動(dòng)提取車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制車輛運(yùn)行軌跡線，確定換道起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，再計(jì)算車輛換道長度．圖3(a)為軟件的空間坐標(biāo)系標(biāo)定示意圖，標(biāo)定結(jié)果的相關(guān)系數(shù)R2接近1，表明標(biāo)定效果好．標(biāo)定完成后，記錄的每輛車的運(yùn)行軌跡都對(duì)應(yīng)一條連續(xù)數(shù)據(jù)，圖3(b)為軟件提取一輛車的運(yùn)行數(shù)據(jù)示意圖．

(a) 空間坐標(biāo)標(biāo)定示意圖

(b) 車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)提取示例圖

圖4為根據(jù)提取數(shù)據(jù)繪制的一條車輛運(yùn)行軌跡線．該車輛由車道1換道到車道2，車輛寬度取1.6 m．換道起始點(diǎn)Ps為運(yùn)行軌跡線與車道線上方0.8 m處虛線(縱坐標(biāo)12.05 m)的交點(diǎn)，換道結(jié)束點(diǎn)Pe為軌跡線與車道線下方0.8 m處虛線(縱坐標(biāo)10.45 m)的交點(diǎn)，兩者的橫坐標(biāo)之差為車輛換道長度Lm．車輛連續(xù)換道時(shí)換道長度取各次Lm之和，車輛兩次換道之間在某一車道上正常行駛的距離不計(jì)入換道長度．

2 車輛換道特性分析

高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)車輛換道特性研究的主要關(guān)注點(diǎn)在于車輛換道起始點(diǎn)在空間上的分布和車輛換道長度與換道起始點(diǎn)的關(guān)系，這些都以車輛運(yùn)行軌跡的分析為基礎(chǔ)．

圖4 車輛運(yùn)行軌跡提取示例

2.1 車輛運(yùn)行軌跡分析

從采集的航拍交通流視頻中提取作業(yè)區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)連續(xù)600條車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)．本文根據(jù)動(dòng)機(jī)將車輛換道行為區(qū)分為自由換道、強(qiáng)制換道和隨意換道．自由換道指駕駛?cè)藶樽非蟾燔囁俣M(jìn)行車道變換；強(qiáng)制換道指由于車道的增減、轉(zhuǎn)向、避障等原因，駕駛?cè)诵柙谀骋坏攸c(diǎn)之前完成車道變換；隨意換道指周圍沒有車輛也非必須變換車道的情況下?lián)Q道．排除車輛不換道、隨意換道情況后，共有305條車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)存在強(qiáng)制換道和自由換道．其中，車道1上的車輛必須換道到其他車道，換道率為100%，車道2上車輛換道率為31.9%，車道3上車輛換道率為29.5%，車道4上車輛換道率為23.2%．

為分析分車道的車輛換道情況，分別將各車道車輛通過行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的運(yùn)行軌跡線繪制在一張圖內(nèi)，如圖5所示．可看到：車道1(封閉車道)上的車輛在緩沖區(qū)起點(diǎn)(斷面7，橫坐標(biāo)30 m)之前全部換道到其他可通行車道(強(qiáng)制換道)，其中大部分換道到相鄰車道(車道2)，少數(shù)車輛經(jīng)2次連續(xù)換道到車道3；車道2接收了車道1部分車輛而超過了自身的通行能力，導(dǎo)致一部分換道到車道3，另一部分換道到車道1后再回到車道2；車道3接收了內(nèi)側(cè)兩車道的部分車輛，車輛換道情況較為復(fù)雜，一部分直接換道到車道4，一部分換道到車道2，還有一部分先經(jīng)車道2換道到車道1后再回到車道2；車道4距車道1最遠(yuǎn)，車輛換道行為較少且簡單，換道車輛大部分直接換道到車道3．

(a) 車道1

(b) 車道2

(c) 車道3

(d) 車道4

圖5 行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)各車道車輛運(yùn)行軌跡

分析作業(yè)區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)分車道的車輛運(yùn)行軌跡表明：封閉車道上的車輛需要全部換道(強(qiáng)制換道)，可直接換道到相鄰車道，也可多次連續(xù)換道到其他車道．由于接收了封閉車道上換道而來的車輛，可通行車道上的部分車輛也發(fā)生換道行為(自由換道)．但是，可通行車道上的車輛換道率和換道情況并不相同，距封閉車道越近的受封閉車道的影響越大，車輛換道率越高．

2.2 車輛換道起始點(diǎn)分布分析

如果交通量大、可通行車道交通密度大，適合車輛換道的間隙有限，需要換道的車輛只能繼續(xù)向前行駛，等待合適換道時(shí)機(jī)．這種情況下，換道起始點(diǎn)并不是駕駛?cè)怂谕?，而是受制于外部條件．本文研究車輛換道起始點(diǎn)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注車輛受到作業(yè)區(qū)影響進(jìn)行換道，且具有較好換道條件的情形．

分別提取305條車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)的換道起始點(diǎn)，每條數(shù)據(jù)的換道起始點(diǎn)包含2個(gè)參數(shù)：車道號(hào)和橫坐標(biāo)，將二者統(tǒng)一形成區(qū)域網(wǎng)格．橫坐標(biāo)以20 m為間隔分組(0～30 m除外)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的換道頻數(shù)，繪制換道頻數(shù)熱力圖，如圖6(a)所示；為更清晰地表示分車道的車輛換道情況，計(jì)算各車道換道起始點(diǎn)落入每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域的頻率畫出換道頻率熱力圖，如圖6(b)所示．

由圖6(a)可知：封閉車道(車道1)上184輛車的換道起始點(diǎn)分布在作業(yè)區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域起點(diǎn)(斷面2，距上游過渡區(qū)起點(diǎn)200 m處)到緩沖區(qū)起點(diǎn)的范圍內(nèi)(即橫坐標(biāo)-200～30 m)，其中分布頻數(shù)最多的區(qū)域?yàn)榫嗌嫌芜^渡區(qū)起點(diǎn)100 m到80 m處(橫坐標(biāo)-100～-80 m)；車道2上58輛車的換道起始點(diǎn)分布頻數(shù)最多的則是距上游過渡區(qū)80 m到60 m處(橫坐標(biāo)-80～-60 m)；車道3上41輛車的換道起始點(diǎn)分布頻數(shù)最多的也是距上游過渡區(qū)80 m到60 m處(橫坐標(biāo)-80～-60 m)；而車道4上22輛車的換道起始點(diǎn)分布頻數(shù)最多的則是上游過渡區(qū)起點(diǎn)到緩沖區(qū)起點(diǎn)(橫坐標(biāo)0～30 m)處．而由圖6(b)中各車道顏色較深(車輛換道起始點(diǎn)分布頻率較高)區(qū)域的分布情況可看出：如某車道出現(xiàn)顏色較深區(qū)域，其相鄰?fù)鈧?cè)車道下游往往也會(huì)隨后出現(xiàn)顏色較深區(qū)域(除車道2和車道3，兩車道基本同步)，距離封閉車道越遠(yuǎn)的車道上車輛換道頻率較高的區(qū)域出現(xiàn)越晚，4條車道的車輛換道存在橫向延遲擴(kuò)散．一般地，車道1上的車輛先發(fā)生換道行為，然后慢慢擴(kuò)散到車道2和車道3，最后車道4的部分車輛也發(fā)生換道行為，這種擴(kuò)散具有明顯遲滯性．隨著與封閉車道距離增加，可通行車道上車輛換道頻率較高的區(qū)域沿行車方向延遲擴(kuò)散．

(a) 換道頻數(shù)熱力圖

(b) 換道頻率熱力圖

圖6 行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)各車道換道熱力圖

2.3 車輛換道長度建模

通過觀察航拍交通流視頻發(fā)現(xiàn)，車輛換道長度受換道起始點(diǎn)影響明顯，隨著換道起始點(diǎn)越來越靠近工作區(qū)，換道長度呈下降趨勢．為簡化模型形式、提高其實(shí)用性，建立換道長度關(guān)于換道起始點(diǎn)位置坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系：

Lm=f(XDS)

(1)

式中，Lm為車輛換道長度；XDS為換道起始點(diǎn)位置坐標(biāo)．

由于不同車道車輛換道行為特性存在較大差異，應(yīng)當(dāng)分車道進(jìn)行分析．將換道起始點(diǎn)所在區(qū)域以20 m為間隔分組，取中間值為本組代表值．統(tǒng)計(jì)采集的305條換道行為軌跡數(shù)據(jù)的車輛換道長度和換道起始點(diǎn)位置坐標(biāo)，各車道車輛換道長度與換道起始點(diǎn)位置坐標(biāo)的關(guān)系曲線如圖7所示．根據(jù)圖中曲線變化趨勢，采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，得到車道1、車道2、車道3、車道4的換道長度模型：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，Lm1～Lm4分別為車道1～車道4的車輛換道長度；XDS1～XDS4分別為車道1～車道4的車輛換道起始點(diǎn)位置坐標(biāo).4個(gè)模型的R2分別為0.950，0.928，0.751，0.947，擬合結(jié)果較好．

綜合上述分析可知，隨著換道起始點(diǎn)越來越靠

(a) 車道1

(b) 車道2

(c) 車道3

(d) 車道4

近工作區(qū)，行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)車輛的換道長度呈下降趨勢，如圖7所示．并且車道1、車道2的車輛換道長度與換道起始點(diǎn)位置關(guān)系呈下凹曲線，而車道3、車道4呈上凸曲線，這表明距封閉車道較遠(yuǎn)的可通行車道上車輛的換道長度下降更加明顯．究其原因，主要是封閉車道上換道車輛在緩沖區(qū)起點(diǎn)前必須完成換道．因此，隨著逐漸接近緩沖區(qū)起點(diǎn)，換道長度逐漸趨于穩(wěn)定值．車道2受封閉車道影響較大，換道長度也表現(xiàn)出逐漸趨于穩(wěn)定值的趨勢．2條外側(cè)車道由于受封閉車道影響較小，隨著逐漸過渡到正常區(qū)域(車道1完全封閉)，換道行為將能夠更快完成，因此換道長度下降更為明顯．

本研究可為交通仿真提供支持，由于車道數(shù)的變化，確定作業(yè)區(qū)換道行為發(fā)生車道與其他車道的連接區(qū)可參照換道起始點(diǎn)確定和分布以及換道長度建模的分析方法和結(jié)論．高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)布設(shè)時(shí)，建議參考本文提出的換道起始點(diǎn)分布和換道長度模型進(jìn)行上游過渡區(qū)布設(shè)長度的設(shè)置，據(jù)此布設(shè)相應(yīng)標(biāo)志標(biāo)線，科學(xué)引導(dǎo)駕駛?cè)撕侠頁Q道．另外，在駕駛?cè)藛T培訓(xùn)以及交通法規(guī)的制定和執(zhí)行方面，需要強(qiáng)調(diào)作業(yè)區(qū)行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)合理、規(guī)范換道對(duì)于交通安全的重要意義，避免轉(zhuǎn)向燈使用不當(dāng)、多次連續(xù)換道等危險(xiǎn)的不文明駕駛行為．

3 結(jié)論

1) 基于無人機(jī)航拍的高速公路養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)區(qū)高質(zhì)量交通流視頻提取行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)車輛運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)封閉車道上的車輛需要全部換道；可通行車道上部分車輛也發(fā)生換道行為，且距封閉車道越近受影響越大，車輛換道率越高．各車道車輛換道行為存在橫向延遲擴(kuò)散，換道行為從封閉車道首先開始，逐漸向相鄰車道擴(kuò)散．距離封閉車道越遠(yuǎn)的可通行車道上換道頻率高的區(qū)域出現(xiàn)越晚．

2) 提出根據(jù)車輛運(yùn)行軌跡線與車道線之間的幾何關(guān)系確定車輛換道起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)．隨著換道起始點(diǎn)越來越靠近工作區(qū)，行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)車輛換道長度呈下降趨勢，并且距封閉車道越遠(yuǎn)的可通行車道上車輛換道長度下降越明顯．研究方法和結(jié)論可為仿真中換道發(fā)生車道與其他車道的連接區(qū)確定提供參考，也可作為上游過渡區(qū)布設(shè)長度的參考．

3) 本文選取一個(gè)典型的單向4車道變3車道的作業(yè)區(qū)作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)中也存在其他類型的作業(yè)區(qū)(如單向4車道變2車道，單向3車道變1車道等)，不同類型的作業(yè)區(qū)車輛換道存在某些相異特性，值得進(jìn)一步研究．限于工作量巨大，本文只采集了行車風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)各車道上共600條運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)，樣本量可以進(jìn)一步增加；換道起始點(diǎn)所在區(qū)域以20 m為間隔進(jìn)行分組，可進(jìn)一步縮小分析間隔，進(jìn)行更加完善和精細(xì)的分析．