高速公路作業(yè)區(qū)智能預(yù)警與駕駛行為關(guān)系研究

李博超，楊睿，李青，景云超，王長(zhǎng)帥，朱彤

(長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)*

道路交通量的不斷增長(zhǎng)，使部分早期建設(shè)的高速公路難以滿足現(xiàn)狀交通需求而進(jìn)行了擴(kuò)容改建工程.同時(shí)，每年高速公路養(yǎng)護(hù)里程多達(dá)5萬(wàn)公里，需要進(jìn)行大中修的路段也多達(dá)5 000 km[1].道路養(yǎng)護(hù)及改擴(kuò)建均需設(shè)置作業(yè)區(qū)，從而占用車道、限制速度，產(chǎn)生車輛排隊(duì)和速度差的存在，增加交通事故的發(fā)生.而高速公路上一旦發(fā)生事故，死亡率高、經(jīng)濟(jì)損失大[2].

為提高作業(yè)區(qū)行車安全，美國(guó)MUTCD和我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)作業(yè)區(qū)臨時(shí)標(biāo)志均進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定和說(shuō)明.然而，因?yàn)榇嬖诰唧w實(shí)施的差異性和道路交通的復(fù)雜性，作業(yè)區(qū)交通事故仍時(shí)常發(fā)生.王博思研究指出，如果提前1s預(yù)警，90%的交通事故可以避免[3].目前作業(yè)區(qū)主要通過(guò)傳統(tǒng)標(biāo)志和電子警示設(shè)施實(shí)現(xiàn)警告降速目的.ZHU、ZHANG、BAI等通過(guò)研究指出MUTCD中合流標(biāo)志、可變信息標(biāo)志組合和緊急閃光交通控制裝置設(shè)置和應(yīng)用可以有效降低作業(yè)區(qū)上游車速[4-6].如今隨著車路協(xié)同技術(shù)發(fā)展，交通安全設(shè)施也逐步智能化，XIN、YANG、M.Ahmed、趙曉華等研究指出車載單元、HMI以及CV-VSL可以提供給駕駛?cè)烁玫牡缆窢顩r信息，以降低平均速度，還有助于改善制動(dòng)決策[7-10].

車路協(xié)同技術(shù)在感知范圍、預(yù)警時(shí)間方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)預(yù)警方式，這對(duì)于提高駕駛?cè)宋ｋU(xiǎn)感知和進(jìn)行駕駛決策具有積極作用.同時(shí)，設(shè)置于路面的預(yù)警方式可以減少駕駛?cè)艘暰€轉(zhuǎn)移，從而減少駕駛?cè)蝿?wù).目前因?yàn)榈缆奋囕v性能差異較大和智能交通安全設(shè)施應(yīng)用較少，因此有關(guān)人機(jī)交互界面及智能交通安全設(shè)施對(duì)駕駛行為影響的研究較少.本文通過(guò)設(shè)計(jì)三種作業(yè)區(qū)預(yù)警方式：①《規(guī)程》預(yù)警方式；②HMI預(yù)警方式；③智慧道釘群預(yù)警方式，來(lái)研究駕駛?cè)嗽诓煌A(yù)警方式下的駕駛行為差異.同時(shí)，駕駛?cè)耸欠裰獣孕略O(shè)施功能對(duì)駕駛行為的影響也有待研究，故對(duì)于智慧道釘群預(yù)警方式將告知與不告知駕駛?cè)酥腔鄣泪斎汗δ茏鳛樽宰兞縼?lái)進(jìn)行研究.為最大限度貼合實(shí)際，研究采取模擬試驗(yàn)法，進(jìn)而研究駕駛?cè)笋{駛行為規(guī)律.

1 試驗(yàn)及方案設(shè)計(jì)

1.1 模擬道路

模擬道路為雙向八車道高速公路，設(shè)計(jì)速度120 km/h.其車道寬度3.75 m，緊急停車帶寬度3.5 m，道路兩側(cè)及中央分隔帶均設(shè)置有鋼護(hù)欄.同時(shí)，在路側(cè)按照規(guī)范設(shè)置有限速標(biāo)志及警示標(biāo)志.模擬時(shí)間為晝間，天氣晴朗.

道路線型如圖1所示，全長(zhǎng)10 km，包含4個(gè)曲線段.在曲線段1前有500 m切直線，曲線段1為轉(zhuǎn)角15°、半徑2 500 m的右曲線；在曲線段1和2之間有1 000 m長(zhǎng)的切直線，曲線段2為轉(zhuǎn)角15°、半徑3 500 m的左曲線；在曲線段2和3之間有1 500 m長(zhǎng)的切直線，曲線段3為轉(zhuǎn)角20°、半徑2 500 m的右曲線；在曲線段3和4之間有3 100 m長(zhǎng)的切直線，曲線段4為轉(zhuǎn)角20°、半徑2 500 m的左曲線；曲線段4后為一段切直線.

圖1 模擬道路線型(單 位：m)

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)景

試驗(yàn)場(chǎng)景作業(yè)區(qū)設(shè)置在曲線段3和4之間，作業(yè)區(qū)占用1、2車道.作業(yè)區(qū)警告區(qū)從曲線段3結(jié)束后切直線100 m位置開始，長(zhǎng)度1 600 m.試驗(yàn)設(shè)計(jì)的不同預(yù)警方式即設(shè)置在該警告區(qū)內(nèi).模擬道路設(shè)置有交通量，以便更真實(shí)的進(jìn)行模擬駕駛.交通量設(shè)置根據(jù)車道不同設(shè)置有不同速度，其速度值設(shè)置為1車道110 km/h、2車道90 km/h、3車道75 km/h、4車道65 km/h.在警告區(qū)內(nèi)設(shè)置有減速范圍和換道范圍，模擬交通流到達(dá)該范圍會(huì)自動(dòng)減速和換道，實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的模擬場(chǎng)景.作業(yè)區(qū)后同樣設(shè)置有變速范圍和換道范圍，以實(shí)現(xiàn)模擬交通流離開作業(yè)區(qū)后的加速及換道行為.

本文在三種預(yù)警方式下設(shè)計(jì)了4個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景：①《規(guī)程》場(chǎng)景；②HMI場(chǎng)景；③智慧道釘群場(chǎng)景1(不知曉功能)；④智慧道釘群場(chǎng)景2(知曉功能).

場(chǎng)景1為按照《規(guī)程》設(shè)置安全警示標(biāo)志下的預(yù)警場(chǎng)景(圖2)，在路側(cè)和中央分隔帶初均設(shè)置有警示標(biāo)志，具體設(shè)置標(biāo)志內(nèi)容和位置如下：

(1)距離警告區(qū)終點(diǎn)1 600 m設(shè)置“前方施工1 600 m”標(biāo)志；

(2)距離警告區(qū)終點(diǎn)1 200 m設(shè)置“限速80”標(biāo)志；

(3)距離警告區(qū)終點(diǎn)1 000 m設(shè)置“禁止超車”標(biāo)志；

(4)距離警告區(qū)終點(diǎn)800 m設(shè)置“前方施工800 m”標(biāo)志；

(5)距離警告區(qū)終點(diǎn)600 m設(shè)置“限速60”警示標(biāo)志；

(6)距離警告區(qū)終點(diǎn)400 m設(shè)置“左道封閉，右道通行”標(biāo)志；

(7)距離警告區(qū)終點(diǎn)200 m設(shè)置“左道封閉，右道通行”標(biāo)志.

場(chǎng)景2為HMI預(yù)警方式.試驗(yàn)設(shè)計(jì)是在對(duì)模擬軟件進(jìn)行二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，模擬實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同技術(shù)下HMI場(chǎng)景(圖3)，具體顯示內(nèi)容和提示位置同場(chǎng)景1.

場(chǎng)景3和場(chǎng)景4為智慧道釘群預(yù)警方式.試驗(yàn)設(shè)計(jì)的智慧道釘群是基于車路協(xié)同的智能交通安全設(shè)施，便于安裝在高速公路車道線上，同時(shí)能夠以紅綠兩種顏色燈進(jìn)行警示.設(shè)置參數(shù)為在每條車道線上間隔20 m設(shè)置(圖4).智慧道釘群設(shè)置在整個(gè)警告區(qū)，長(zhǎng)度1 600 m.在警告區(qū)開始600 m內(nèi)，智慧道釘群顯示為綠色，然后從靠近中央分隔帶的車道線開始，道釘警示顏色變?yōu)榧t色，并按40 m的間隔依次向路側(cè)一側(cè)延伸，此范圍為智慧道釘群過(guò)渡區(qū)，在警告區(qū)剩余范圍內(nèi)智慧道釘群全顯示紅色.

為研究駕駛?cè)耸欠裰獣灾腔鄣泪斎汗δ軐?duì)駕駛行為的影響，本文在進(jìn)行場(chǎng)景3模擬駕駛時(shí)，要求志愿者在不知曉道釘功能的情況下進(jìn)行模擬駕駛.然后告知志愿者智慧道釘群功能后再進(jìn)行場(chǎng)景4.試驗(yàn)設(shè)計(jì)的智慧道釘群預(yù)警功能要求如下：

(1)當(dāng)車道線上出現(xiàn)綠燈時(shí)，表示道路前方1600m處有作業(yè)區(qū)；

(2)當(dāng)出現(xiàn)綠燈變?yōu)榧t燈的過(guò)渡段時(shí)，表明距離警告區(qū)終點(diǎn)1 000 m；

(3)在顯示綠燈的智慧道釘群路段，需將當(dāng)前車速降至80 km/h；

(4)在顯示紅燈的智慧道釘群路段，需將當(dāng)前車速降至60 km/h；

(5)在過(guò)渡段內(nèi)，綠燈先變紅燈的車道表示該車道被占用，綠燈后變紅燈的車道表示該車道暢通，要求駕駛?cè)烁鶕?jù)提示信息，在之后警告區(qū)內(nèi)采取換道行為.

圖2 《規(guī)程》場(chǎng)景

圖3 HMI場(chǎng)景

圖4 智慧道釘群場(chǎng)景

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

如圖5所示，試驗(yàn)是在動(dòng)態(tài)的虛擬環(huán)境駕駛模擬器上進(jìn)行的.該駕駛模擬器由一臺(tái)主機(jī)、三塊顯示器、音頻設(shè)備和操作器組成.三塊顯示器之間夾角為120°，形成的駕駛視野為135°.整個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景采用UC-win/road軟件搭建，該軟件可以記錄速度、方向盤轉(zhuǎn)角、車道位置及實(shí)時(shí)里程位置等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為23 Hz.

圖5 駕駛模擬試驗(yàn)設(shè)備

1.4 志愿者

試驗(yàn)招募了53位志愿者，年齡分布在21～55歲(平均年齡26.63，SD=6.053)，均具有駕駛證且駕齡都在1年以上(平均駕齡3.61，SD=3.125).志愿者包含40名男性，13名女性，來(lái)自大學(xué)學(xué)者、個(gè)體戶、企業(yè)職工、貨運(yùn)司機(jī)等，身體狀況均良好.在數(shù)據(jù)篩選之后，2名男性和1名女性由于在試驗(yàn)道路上超速過(guò)多，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)被剔除，最后剩余50個(gè)樣本數(shù)據(jù)，38名男性，12名女性.

1.5 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)由基礎(chǔ)信息填寫和正式試驗(yàn)兩個(gè)階段組成.

基礎(chǔ)信息填寫階段，要求志愿者填寫姓名、性別、年齡、駕齡、有無(wú)心生理疾病等信息，未取得駕駛證、駕齡不滿一年，以及存在不宜駕駛的心生理疾病者，被排除在正式試驗(yàn)之外.

正式試驗(yàn)階段，首先告知志愿者駕駛模擬器使用方法，并通過(guò)練習(xí)場(chǎng)景進(jìn)行模擬駕駛，熟悉駕駛模擬器油門、剎車、轉(zhuǎn)向盤，待志愿者熟悉設(shè)備后進(jìn)行正式試驗(yàn).正式模擬駕駛前，告知駕駛?cè)诵枰诟咚俟飞闲旭傄欢蔚缆?，按照道路上設(shè)置的交通標(biāo)志進(jìn)行駕駛，同時(shí)要求駕駛?cè)嗽隈{駛時(shí)要和平常在道路上駕駛一樣，所告知信息避開試驗(yàn)?zāi)康刃畔⒈硎?場(chǎng)景1、2、3的順序是隨機(jī)的，場(chǎng)景4安排在場(chǎng)景3完成后進(jìn)行，進(jìn)行模擬駕駛的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，最終待四個(gè)場(chǎng)景駕駛完成后結(jié)束試驗(yàn).

1.6 數(shù)據(jù)采集和分析方法

數(shù)據(jù)采集在整個(gè)作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)設(shè)置16個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采集.首先從警告區(qū)起點(diǎn)前400 m開始到警告區(qū)終點(diǎn)，間隔200 m設(shè)置11個(gè)采集點(diǎn)；然后從警告區(qū)終點(diǎn)至作業(yè)區(qū)終點(diǎn)，間隔100m設(shè)置3個(gè)采集點(diǎn)；最后從作業(yè)區(qū)終點(diǎn)開始間隔200 m設(shè)置2個(gè)采集點(diǎn).采集數(shù)據(jù)包括：速度、加速度、方向盤轉(zhuǎn)角、車輛所在車道.

試驗(yàn)假設(shè)不同作業(yè)區(qū)預(yù)警方式對(duì)駕駛行為會(huì)產(chǎn)生影響.試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)兩種方法進(jìn)行分析：①通過(guò)單因素方差分析和配對(duì)T檢驗(yàn)法來(lái)驗(yàn)證警告區(qū)內(nèi)速度是否有顯著差異；②通過(guò)對(duì)比分析加速度方差來(lái)研究加速度改善情況.

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 速度分析

不同預(yù)警方式下平均速度曲線圖見(jiàn)圖6.從警告區(qū)起點(diǎn)前400 m位置開始，到車輛通過(guò)作業(yè)區(qū)后400 m范圍內(nèi)，平均速度曲線均呈現(xiàn)“凹”型曲線特征，每條曲線均存在最小速度Vmin.方差分析結(jié)果顯示，在整個(gè)警告區(qū)1600m范圍內(nèi)，除警告區(qū)起點(diǎn)外(p=0.82)，其它數(shù)據(jù)采集點(diǎn)平均速度均差異顯著(p<0.05).

通過(guò)配對(duì)T檢驗(yàn)方法分析，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的四種場(chǎng)景相互之間在大部分范圍均差異顯著(表1).HMI場(chǎng)景相比于《規(guī)程》場(chǎng)景在各點(diǎn)處速度有所減小，但減小值不大(△V=4.280km/h)，最小速度位置由警告區(qū)終點(diǎn)后100 m前移至警告區(qū)終點(diǎn)前200 m(V1min=67.133km/h、V2min=60.137 km/h)；對(duì)于智慧道釘群場(chǎng)景3，其速度相比于《規(guī)程》

表1 配對(duì)T檢驗(yàn)分析表

場(chǎng)景有所增加(△V=5.480 km/h)，而在接近警告區(qū)終點(diǎn)位置出現(xiàn)了較大速度差(△V=17.214km/h)，最小速度點(diǎn)出現(xiàn)在警告區(qū)終點(diǎn)后300 m位置(V3min=72.695 km/h)；在智慧道釘群場(chǎng)景4中，其速度相比于《規(guī)程》場(chǎng)景，速度減小較大(△V=6.960 km/h)，最小速度點(diǎn)出現(xiàn)在警告區(qū)終點(diǎn)位置(V4min=60.831 km/h).

智慧道釘群場(chǎng)景4相比于智慧道釘群場(chǎng)景3，在警告區(qū)內(nèi)，后者減速值較小(△V3=24.540km/h、△V4=40.440 km/h)，且在警告區(qū)最后200m減速值較大(△V后者=10.294 km/h).當(dāng)駕駛?cè)酥獣灾腔鄣泪斎汗δ芎?，即前者比后者速度減小明顯減小(△V前者=3.542 km/h).

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，不同場(chǎng)景對(duì)最小速度具有影響顯著(p<0.05).

2.2 加速度分析

加速度是速度變化量與發(fā)生這一變化所用時(shí)間的比值,它體現(xiàn)了駕駛?cè)藢?duì)車輛行駛狀態(tài)縱向控制的能力[11].在四個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)景中，智慧道釘群場(chǎng)景4加速度相對(duì)平穩(wěn)(圖7).對(duì)作業(yè)區(qū)警告區(qū)內(nèi)加速度進(jìn)行分析，智慧道釘群場(chǎng)景4的標(biāo)準(zhǔn)差最小(σ1=0.060、σ2=0.056、σ3=0.067、σ4=0.043).對(duì)作業(yè)區(qū)警告區(qū)終點(diǎn)前1000m加速度進(jìn)行分析，智慧道釘群預(yù)警方式(場(chǎng)景3和4)方差相比于《規(guī)程》預(yù)警方式和HMI預(yù)警方式，方差較小，且智慧道釘群場(chǎng)景4標(biāo)準(zhǔn)差最小(σ1=0.059、σ2=0.045、σ3=0.032、σ4=0.017).

圖7 不同預(yù)警方式下加速度變化

2.3 換道點(diǎn)分析

位于作業(yè)區(qū)封閉車道上的車輛，為順利通過(guò)作業(yè)區(qū)必須在合流點(diǎn)前完成換道，當(dāng)換道點(diǎn)集中于合流位置時(shí)極易引發(fā)擁堵并導(dǎo)致更大速度差產(chǎn)生[12].因而，合理的換道位置對(duì)于作業(yè)區(qū)安全至關(guān)重要.方差分析結(jié)果顯示，不同場(chǎng)景的初始換道位置有顯著差異(p<0.05),四種場(chǎng)景初始換道位置平均值分別為：L1=-425.62 m、L2=-551.12 m、L3=-305.12 m、L4=-956.68 m(圖8).

圖8 不同預(yù)警方式下初始換道位置

對(duì)于初始換道位置，《規(guī)程》場(chǎng)景集中于-200～0 m路段內(nèi)、HMI場(chǎng)景集中于-400～-200 m路段內(nèi)、智慧道釘群場(chǎng)景3集中于-200～0 m路段內(nèi)、智慧道釘群場(chǎng)景4集中于-1 200～-1 000 m路段內(nèi).HMI場(chǎng)景比《規(guī)程》場(chǎng)景起始換到位置較早，但是偏移距離不大.在智慧道釘群預(yù)警方式下，當(dāng)駕駛?cè)酥獣灾腔鄣泪斎汗δ軙r(shí)，起始換到位置大幅度前移(L3=-305.12 m、L4=-956.68 m).

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比分析警告區(qū)內(nèi)設(shè)置的不同預(yù)警方式對(duì)駕駛行為的影響，得出以下結(jié)論：

(1)不同預(yù)警方式對(duì)駕駛行為有顯著差異.HMI預(yù)警方式相比于《規(guī)程》預(yù)警方式，在降速效果方面有輕微改善，同時(shí)在HMI預(yù)警方式下，最小速度位置前移至警告區(qū)內(nèi).智慧道釘群預(yù)警方式相比于《規(guī)程》預(yù)警方式，在駕駛?cè)酥獣耘c不知曉智慧道釘群功能時(shí)駕駛行為差異較大.當(dāng)駕駛?cè)酥獣灾腔鄣泪斎汗δ軙r(shí)，速度改善效果明顯且減速行為前移，而駕駛?cè)嗽诓恢獣灾腔鄣泪斎汗δ軙r(shí)，速度改善效果差且在警告區(qū)末端出現(xiàn)較大速度差.因而進(jìn)行推廣使用時(shí)需提前對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)行培訓(xùn)學(xué)習(xí)；

(2)智慧道釘群預(yù)警方式下，加速度變化有所改善，當(dāng)駕駛?cè)酥獣怨δ軙r(shí)，改善更為明顯，這對(duì)于駕駛?cè)烁玫乜刂栖囕v是有益的；

(3)在《規(guī)程》預(yù)警方式和HMI預(yù)警方式下，初始換道位置均接近警告區(qū)終點(diǎn)，這是因?yàn)閾Q道提示信息設(shè)置在距離警告區(qū)終點(diǎn)400 m和200 m位置.智慧道釘群預(yù)警方式下，當(dāng)駕駛?cè)瞬恢獣怨δ軙r(shí)，初始換道位置多集中在警告區(qū)終點(diǎn)前，當(dāng)駕駛?cè)酥獣怨δ軙r(shí)，初始換道位置大幅度前移，這是因?yàn)橹腔鄣泪斎簱Q道提示信息設(shè)置在距離警示區(qū)終點(diǎn)1 000 m的位置.而換道提示位置的前移可以提供更多的時(shí)間來(lái)進(jìn)行更安全的換道.同時(shí)在智慧道釘群的紅色燈路段，還可設(shè)置更多預(yù)警方式來(lái)告知作業(yè)區(qū)信息，如占道情況等；

(4)為研究不同預(yù)警方式對(duì)駕駛行為影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)未進(jìn)行智能交通安全設(shè)施與傳統(tǒng)標(biāo)志組合設(shè)計(jì)，智慧道釘群預(yù)警方式也僅有一種，應(yīng)用場(chǎng)景也限制在高速公路作業(yè)區(qū)，這使研究具有一定局限性.后續(xù)的研究可以進(jìn)行預(yù)警方式組合、多場(chǎng)景、多方式的信息預(yù)警，更好地分析駕駛?cè)嗣鎸?duì)智能交通安全設(shè)施時(shí)的駕駛行為規(guī)律，以指導(dǎo)高速公路智能交通安全設(shè)施工程應(yīng)用，并提高行車安全性.