高速公路改擴(kuò)建期間強(qiáng)制變道行為駕駛模擬的有效性研究

孫 智，張彥寧，孟凌霄，劉學(xué)強(qiáng)

(1. 中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京 100044； 2. 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；3. 中建筑港集團(tuán)有限公司，山東 青島 266031)

0 引 言

為了保證正常的交通運(yùn)營，高速公路改擴(kuò)建施工一般采用封閉部分車道，邊運(yùn)營邊施工的策略。封閉部分車道使得車輛在進(jìn)入施工路段前由當(dāng)前車道向未封閉車道變道，而在這種強(qiáng)制變道過程中易發(fā)生追尾、側(cè)向碰撞等交通事故[1]。駕駛模擬技術(shù)是研究類似交通安全問題的有效工具，可在安全環(huán)境中再現(xiàn)危險(xiǎn)行車場景并采集駕駛行為數(shù)據(jù)，具有良好的安全性和可靠性。

在駕駛模擬實(shí)驗(yàn)前，需要確定駕駛模擬器有效，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。駕駛模擬的有效性是使用駕駛模擬技術(shù)研究交通問題的前提[2]，一般通過駕駛行為數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，包含速度、距離、時(shí)距、越線行為等；張翔等[3]提出駕駛模擬器的有效性可通過實(shí)車、駕駛模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行分析；劉兆等[4]用車速驗(yàn)證了不同平面線形下駕駛模擬器的有效性，對(duì)比發(fā)現(xiàn)預(yù)測速度軌跡曲線與實(shí)車速度軌跡曲線具有相同的變化規(guī)律；毛喆等[5]指出可以使用車速和車輛橫向偏移距離進(jìn)行駕駛模擬器的校驗(yàn)，研究結(jié)果表明實(shí)車駕駛環(huán)境和模擬環(huán)境下車速變化規(guī)律基本一致；涂輝招等[6]用速度、加速度、油門剎車踏板力來分析不同自由度下駕駛模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，并通過t檢驗(yàn)判斷駕駛模擬有效性。

有時(shí)候，難以實(shí)現(xiàn)駕駛模擬器的絕對(duì)有效性，因?yàn)榘踩忾]的駕駛環(huán)境讓駕駛?cè)藷o法感受到駕駛危險(xiǎn)性，從而產(chǎn)生激進(jìn)的駕駛行為。V. BRANZI等[7]發(fā)現(xiàn)在研究交叉路口駕駛行為的駕駛模擬實(shí)驗(yàn)中，駕駛?cè)丝偸浅^臨時(shí)限速并且發(fā)生急減速；J.TORNROS[8]指出使用駕駛模擬器研究隧道內(nèi)駕駛行為時(shí)，車輛速度比實(shí)車駕駛時(shí)要大；D. LLOPIS-CASTELL等[9]、F. BELLA[10]通過實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)和駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，也發(fā)現(xiàn)駕駛?cè)嗽隈{駛模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)車速比實(shí)車實(shí)驗(yàn)時(shí)高。

針對(duì)高速公路改擴(kuò)建期間強(qiáng)制變道場景，筆者進(jìn)行了駕駛模擬有效性分析并提出了統(tǒng)一的有效性檢驗(yàn)方法。首先，設(shè)計(jì)實(shí)車駕駛和駕駛模擬實(shí)驗(yàn)方案；然后，提出強(qiáng)制變道有效性分析的關(guān)鍵行為指標(biāo)，開展實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)和駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，觀察駕駛模擬環(huán)境下駕駛?cè)耸欠癞a(chǎn)生相對(duì)激進(jìn)的駕駛行為；最后，進(jìn)行駕駛模擬有效性分析。研究結(jié)果表明：駕駛模擬器可以有效地應(yīng)用于高速公路改擴(kuò)建期間強(qiáng)制變道行為的研究。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1)實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)。用整合慣導(dǎo)系統(tǒng)、GPS以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)用車〔圖1(a)〕來采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；用車載數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和行車記錄儀記錄特殊事件時(shí)間(如車輛開始變道時(shí)間)，采集數(shù)據(jù)的頻率為10 Hz。

2)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)。同濟(jì)大學(xué)駕駛模擬平臺(tái)擁有8個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，駕駛艙內(nèi)搭建250°環(huán)形屏幕和音響系統(tǒng)以模擬實(shí)車駕駛的視聽體驗(yàn)，如圖1(b)。通過模擬各種交通環(huán)境，配合SCANeRTM軟件，由駕駛艙內(nèi)實(shí)車上安裝的傳感儀采集各種交通運(yùn)行狀態(tài)下駕駛?cè)说鸟{駛行為數(shù)據(jù)以及車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采集頻率為10 Hz。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig. 1 Test devices

1.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

1)實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)路段位于山東省某正在進(jìn)行施工作業(yè)的高速公路，高速公路為雙向四車道、限速100 km/h，全長10 km。

2)與實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)場景相對(duì)應(yīng)，在SCANeRTM駕駛模擬軟件中構(gòu)建相同線形、相同施工路段設(shè)施布置的模擬場景進(jìn)行駕駛模擬實(shí)驗(yàn)。

實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)和駕駛模擬實(shí)驗(yàn)施工路段限速60 km/h；按照J(rèn)TG D 82—2009《公路交通標(biāo)志和標(biāo)線設(shè)置規(guī)范》要求，設(shè)置了相同的限速、施工警告及車道變窄等標(biāo)志。

1.3 實(shí)驗(yàn)人員

參照D. DAVENNE等[11]的實(shí)驗(yàn)人員招募方案，實(shí)車實(shí)驗(yàn)和駕駛模擬實(shí)驗(yàn)均招募擁有合法駕駛執(zhí)照、超過實(shí)習(xí)期并有日常駕駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛?cè)?。為了避免年齡、駕駛經(jīng)驗(yàn)等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾，對(duì)駕駛?cè)四挲g和駕駛經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了控制：

1)實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)。20名駕駛?cè)?，平均年齡25.4歲，標(biāo)準(zhǔn)差3.5歲；平均駕齡3.3年，標(biāo)準(zhǔn)差1.5年。

2)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)。16名駕駛?cè)?，平均年齡25.6歲，標(biāo)準(zhǔn)差2.4歲；平均駕齡3.7年，標(biāo)準(zhǔn)差1.1年。

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)R. A. WYNNE等[2]的相對(duì)有效性驗(yàn)證方法，同時(shí)考慮施工路段的線形、布置方式等影響因素[12-13]，筆者設(shè)計(jì)了2×4×3的實(shí)驗(yàn)方案來觀察駕駛行為指標(biāo)的變化趨勢，即2種實(shí)驗(yàn)環(huán)境(實(shí)車駕駛環(huán)境、駕駛模擬環(huán)境)、4種施工路段長度(100、500、1 000、1 500 m)及3種施工路段線形(左轉(zhuǎn)、直線、右轉(zhuǎn))。實(shí)驗(yàn)中，要求駕駛?cè)嗽谥付ㄜ嚨佬旭偅?dāng)發(fā)現(xiàn)前方存在由于施工作業(yè)導(dǎo)致行車道封閉情況時(shí)，駕駛?cè)俗孕信袛嗖?shí)施變道操作。

實(shí)驗(yàn)前，對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)，以幫助駕駛?cè)耸煜?shí)驗(yàn)用車和駕駛模擬器。為避免重復(fù)實(shí)驗(yàn)而影響結(jié)果，每人每場景只進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。

2 有效性判別指標(biāo)及判別方法

2.1 有效性判別指標(biāo)

選取斷面車速v、特征斷面間距Δd、特征斷面時(shí)距Δt作為分析強(qiáng)制變道行為駕駛模擬有效性的行為指標(biāo)。

2.1.1 斷面車速v

斷面車速v即車輛通過某一特征斷面時(shí)的速度。強(qiáng)制變道行駛狀態(tài)中，特征斷面包含變道開始點(diǎn)、越線點(diǎn)及變道結(jié)束點(diǎn)，如圖2，圖中縱坐標(biāo)l為車輛距車道線的距離。

圖2 變道特征點(diǎn)示意Fig. 2 Schematic diagram of lane-changing feature points

2.1.2 特征斷面間距Δd

特征斷面間距Δd指變道特征點(diǎn)與施工路段過渡段起點(diǎn)(以下簡稱“施工路段起點(diǎn)”)之間沿道路中線的距離，按式(1)計(jì)算：

Δd=dend-dstart

(1)

式中：dstart、dend分別為變道特征點(diǎn)、施工路段起點(diǎn)斷面的樁號(hào)，m。

2.1.3 特征斷面時(shí)距Δt

特征斷面時(shí)距Δt指車輛通過變道特征點(diǎn)與施工路段起點(diǎn)的行駛時(shí)間差，按式(2)計(jì)算：

Δt=tend-tstart

(2)

式中：tstart、tend分別為車輛通過變道特征點(diǎn)、施工路段起點(diǎn)斷面時(shí)刻的時(shí)間，s。

2.2 變道特征點(diǎn)識(shí)別

變道特征點(diǎn)可通過車輛橫向位置進(jìn)行識(shí)別[14-15]。筆者結(jié)合GPS、模擬平臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和行車記錄儀采集的視頻資料，對(duì)車輛橫向位置數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以識(shí)別變道特征點(diǎn)。

按式(3)進(jìn)行變道開始點(diǎn)和變道結(jié)束點(diǎn)識(shí)別：

{i|i∈Pstart}={i|y′i-1·y′i<0}

(3)

按式(4)進(jìn)行越線點(diǎn)識(shí)別：

{i|i∈Pend}={i|yi=ylane}

(4)

式中：Pstart為減速起始點(diǎn)集合；Pend為減速終止點(diǎn)集合；y′i-1、y′i分別為i-1、i時(shí)刻車輛橫向偏移率，m/s；yi為i時(shí)刻車輛橫向位置，m；ylane為車道線的橫向位置，m。

2.3 有效性判別方法

指標(biāo)的有效性包括絕對(duì)有效性和相對(duì)有效性2種。

1)絕對(duì)有效性即實(shí)車實(shí)驗(yàn)獲得的分析指標(biāo)值與駕駛模擬實(shí)驗(yàn)獲取的分析指標(biāo)值相等，筆者采用非參數(shù)Wilcox檢驗(yàn)進(jìn)行指標(biāo)的絕對(duì)有效性判斷。Wilcox檢驗(yàn)的原假設(shè)為2種駕駛環(huán)境中駕駛行為無顯著差異。

2)相對(duì)有效性即駕駛模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有與實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似或相同的趨勢，筆者采用多元線性回歸模型檢驗(yàn)進(jìn)行指標(biāo)的相對(duì)有效性判斷。當(dāng)2種駕駛環(huán)境自變量回歸系數(shù)符號(hào)相同時(shí)，駕駛行為隨自變量的變化趨勢相同，則認(rèn)為該行為指標(biāo)具有相對(duì)有效性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1)斷面車速、特征斷面間距及特征斷面時(shí)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3。

圖3 斷面車速v、特征斷面間距Δd及特征斷面時(shí)距Δt實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Test results of spot speed v, spot spacing Δd and headway Δt

2)斷面車速、特征斷面間距及特征斷面時(shí)距絕對(duì)有效性分析結(jié)果如表1。

表1 斷面車速v、特征斷面間距Δd及特征斷面時(shí)距Δt絕對(duì)有效性分析結(jié)果Table 1 Analysis result of absolute validily of spot speed v, spot spacing Δd and headway Δt

3)斷面車速、特征斷面間距及特征斷面時(shí)距相對(duì)有效性分析結(jié)果如表2。

表2 斷面車速v、特征斷面間距Δd及特征斷面時(shí)距Δt相對(duì)有效性分析結(jié)果Table 2 Analysis result of relative validily of spot speed v, spot spacing Δd and headway Δt

4 分 析

4.1 斷面車速v

4.1.1 斷面車速實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3(a)可見：

1)各斷面在不同駕駛環(huán)境中的斷面車速v差距均較小，如：在變道開始斷面，實(shí)車實(shí)驗(yàn)的比駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的小5.6%；在越線斷面，實(shí)車駕駛的比駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的大1.7%；在變道結(jié)束斷面，實(shí)車駕駛的比駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的大0.8%。

2)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)中駕駛?cè)嗽谶M(jìn)行強(qiáng)制變道行為時(shí)減速較劇烈，變道過程中車速較高，表現(xiàn)出相對(duì)激進(jìn)的駕駛行為。

4.1.2 斷面車速絕對(duì)有效性分析

由表1可見：在變道開始斷面，2種駕駛環(huán)境的斷面車速具有顯著的差別(P=0.012 4)；越線斷面及變道結(jié)束斷面，2種駕駛環(huán)境的斷面車速的差異均不顯著，即具備統(tǒng)計(jì)顯著的絕對(duì)有效性。

4.1.3 斷面車速相對(duì)有效性分析

由表2可見：在變道開始斷面，工作區(qū)長度、圓曲線方向?qū)嗝孳囁儆绊懖伙@著。因此，不可通過所選自變量來判斷變道開始斷面車速的相對(duì)有效性。模擬環(huán)境中變道開始斷面車速較高，分析原因可能是駕駛?cè)嗽谙鄬?duì)寬松和安全的模擬環(huán)境中表現(xiàn)出相對(duì)激進(jìn)的駕駛行為。

4.2 特征斷面間距Δ d

4.2.1 特征斷面間距實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3(b)可見：

1)在變道開始斷面，實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)的Δd比駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的小11.2%；在越線斷面，實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)的Δd比駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的大77.94%。

2)2種駕駛實(shí)驗(yàn)中，變道結(jié)束斷面分別位于上游過渡段起點(diǎn)斷面的上游和下游。駕駛模擬實(shí)驗(yàn)中，駕駛?cè)嗽诟拷┕ぢ范喂ぷ鲄^(qū)的地方結(jié)束變道行為，這可能造成車輛與交通附屬設(shè)施的碰撞，表現(xiàn)出較為激進(jìn)的駕駛行為。分析原因可能是由于相對(duì)安全的模擬駕駛環(huán)境影響了駕駛?cè)藢?duì)行車風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知而造成的。該結(jié)論與H.B.EKANAYAKE等[16]的研究結(jié)論相符。

4.2.2 特征斷面間距絕對(duì)有效性分析

由表1可見：不同駕駛環(huán)境中變道開始斷面至施工路段開始斷面之間間距沒有顯著差異(P=0.368 1)，變道開始斷面的特征斷面間距Δd具有絕對(duì)有效性。

4.2.3 特征斷面間距相對(duì)有效性分析

由表2可見：不同駕駛環(huán)境中越線斷面至施工路段起點(diǎn)斷面之間的間距均受圓曲線方向的顯著影響，且影響趨勢相同。說明越線斷面、變道結(jié)束斷面的特征斷面間距Δd具有相對(duì)有效性。

4.3 特征斷面時(shí)距Δ t

4.3.1 特征斷面時(shí)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3(c)可見：

1)在變道開始斷面，實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)的Δt比駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的小9.8%；在越線斷面，實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)的Δt比駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的大78.8%；在變道結(jié)束斷面，實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)的Δt比駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的大91.8%。

2)不同駕駛環(huán)境中特征斷面時(shí)距Δt差別較大。同樣，駕駛模擬實(shí)驗(yàn)中駕駛?cè)吮憩F(xiàn)出了更加激進(jìn)的駕駛行為。

4.3.2 特征斷面時(shí)距絕對(duì)有效性分析

由表1可見：不同駕駛環(huán)境中變道開始斷面至施工路段開始斷面之間時(shí)距沒有顯著差異(P=0.339 3)，變道開始斷面的特征斷面時(shí)距Δt具有絕對(duì)有效性。

4.3.3 特征斷面時(shí)距相對(duì)有效性分析

由表2可見：不同駕駛環(huán)境中越線斷面至施工路段起點(diǎn)斷面之間的時(shí)距均受圓曲線方向的顯著影響，且影響趨勢相同。說明越線斷面、變道結(jié)束斷面的特征斷面時(shí)距Δt具有相對(duì)有效性。

4 結(jié) 語

筆者開展了實(shí)車駕駛實(shí)驗(yàn)和駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，分析了高速公路改擴(kuò)建期間強(qiáng)制變道行為駕駛模擬的有效性，得到以下主要結(jié)論：

1)斷面車速、特征斷面間距以及特征斷面時(shí)距均在一定程度上表現(xiàn)出了駕駛模擬有效性。其中：越線斷面、變道結(jié)束斷面的斷面車速具有絕對(duì)有效性；變道開始斷面的特征斷面間距、時(shí)距具有絕對(duì)有效性，越線斷面、變道結(jié)束斷面的特征斷面間距、時(shí)距具有相對(duì)有效性。從而驗(yàn)證了駕駛模擬器在高速公路改擴(kuò)建強(qiáng)制變道行為研究中的有效性。

2)駕駛?cè)嗽隈{駛模擬環(huán)境中表現(xiàn)出了較為激進(jìn)的駕駛行為，例如急減速、較高車速等。