基于K-means的貨車(chē)駕駛行為分析

吳梓欽

（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名525000）

0 引言

本文主要是對(duì)貨運(yùn)車(chē)輛駕駛行為進(jìn)行聚類(lèi)研究分析，數(shù)據(jù)來(lái)源于車(chē)聯(lián)網(wǎng)記錄的營(yíng)運(yùn)車(chē)輛行駛狀態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包含從2018年7月1日至2018年10月31日的100輛貨運(yùn)車(chē)輛駕駛行為數(shù)據(jù)和自然氣象因素?cái)?shù)據(jù)?？紤]到對(duì)車(chē)輛駕駛行為進(jìn)行建模研究是研究貨運(yùn)車(chē)輛駕駛行為聚類(lèi)研究的有效方法[1]，其中安全駕駛是駕駛過(guò)程中很受關(guān)注且關(guān)鍵的部分，不良駕駛行為研究車(chē)輛駕駛行為的重要組成部分，因此需要構(gòu)建不良駕駛行為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)貨運(yùn)車(chē)輛的行車(chē)安全進(jìn)行分析，現(xiàn)擬構(gòu)建以下8個(gè)[2]不良駕駛行為安全評(píng)價(jià)指標(biāo)：疲勞駕駛、急加速、急減速、怠速預(yù)熱、超長(zhǎng)怠速、熄火滑行、超速和急變道[3]。

1 貨車(chē)不良駕駛行為評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 疲勞駕駛

疲勞駕駛是指駕駛員在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)行車(chē)后，產(chǎn)生生理機(jī)能和心理機(jī)能的失調(diào)，而在客觀上出現(xiàn)駕駛技能下降的現(xiàn)象。駕駛?cè)怂哔|(zhì)量差或不足，長(zhǎng)時(shí)間駕駛車(chē)輛，容易出現(xiàn)疲勞，影響到駕駛員的知行意合等諸多方面。

1.2 急加速

急加速就是在駕駛過(guò)程中，短時(shí)間內(nèi)或瞬時(shí)間油門(mén)加油，噴油量瞬間增加，加速踏板加大力度發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，使車(chē)的速度迅速提高。急加速行為會(huì)導(dǎo)致燃油混合氣變得濃稠，油耗燃燒不夠充分，從而耗費(fèi)更多油，不僅浪費(fèi)燃油資源，還會(huì)加重生態(tài)環(huán)境中的尾氣污染。在實(shí)際的運(yùn)輸過(guò)程中，通過(guò)相鄰兩次數(shù)據(jù)的GPS速度差可以反映車(chē)輛的速度變化情況，當(dāng)速度變化量大于0時(shí)即為加速，判定貨運(yùn)車(chē)輛是否產(chǎn)生急加速行為，需要通過(guò)參數(shù)設(shè)定一個(gè)急加速的判定閾值。急加速會(huì)增加輪胎與地面的摩擦力，輪胎容易磨損，可能對(duì)前方的運(yùn)輸車(chē)輛或物體造成影響，增加追尾風(fēng)險(xiǎn)，容易引發(fā)交通事故。結(jié)合學(xué)者的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，可以設(shè)定為當(dāng)車(chē)輛的前后速度變化閾值為4 km/h時(shí)劃分為急加速行為。

1.3 急減速

急減速就是在駕駛過(guò)程中，短時(shí)間內(nèi)或瞬時(shí)間減小油門(mén)，噴油量瞬間減小，急剎車(chē)，急踩離合，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間減小，使車(chē)的速度迅速降低。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和剎車(chē)有影響，在實(shí)際的運(yùn)輸過(guò)程中，通過(guò)相鄰兩次數(shù)據(jù)的GPS速度差可以反映車(chē)輛的速度變化情況，當(dāng)速度變化量大于0時(shí)即為減速，判定貨運(yùn)車(chē)輛是否產(chǎn)生急減速行為，需要通過(guò)參數(shù)設(shè)定一個(gè)急減速的判定閾值。

1.4 怠速預(yù)熱

怠速是指發(fā)動(dòng)機(jī)在空檔情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，指速度和加速度均為0時(shí)，機(jī)動(dòng)車(chē)仍在燃油維持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的一種工作狀態(tài)，如發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)完全放松油門(mén)踏板。

短暫的怠速預(yù)熱對(duì)車(chē)輛啟動(dòng)有良好的作用，而長(zhǎng)時(shí)間怠速會(huì)影響油耗，影響交通安全和車(chē)輛自身的機(jī)械安全。車(chē)輛剛啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)溫度還沒(méi)有達(dá)到正常工作時(shí)的溫度，如果這時(shí)就行駛，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)燃油燃燒不充分，耗油更多，還會(huì)積累許多未充分燃盡的雜質(zhì)，損壞車(chē)輛。所以車(chē)輛剛啟動(dòng)時(shí)，約控制在1分鐘時(shí)間內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，對(duì)車(chē)輛也會(huì)有良好的保養(yǎng)效果。

1.5 超長(zhǎng)怠速

長(zhǎng)時(shí)間怠速由怠速的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)定義，通常認(rèn)為2分鐘以?xún)?nèi)怠速為正常情況，可能是在等紅燈，在2到10分鐘之間為長(zhǎng)時(shí)間怠速，超過(guò)10分鐘為超長(zhǎng)怠速。再考慮到正常怠速預(yù)熱時(shí)間應(yīng)控制在1分鐘內(nèi)，超過(guò)1分鐘可能會(huì)損壞車(chē)輛，綜合考慮怠速狀態(tài)與怠速時(shí)間來(lái)評(píng)判駕駛行為的安全性與節(jié)能性，并結(jié)合學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)研究，所以定義當(dāng)一次怠速時(shí)長(zhǎng)超過(guò)60 s時(shí)即為一次長(zhǎng)時(shí)間怠速，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不為0但是車(chē)輛本身速度為0時(shí)，表明該車(chē)輛超長(zhǎng)怠速。

1.6 熄火滑行

熄火滑行是指機(jī)動(dòng)車(chē)在行駛過(guò)程中，駕駛員將變速桿置于空檔位置，使發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪的離合器分離開(kāi)，車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)引擎處于熄火狀態(tài)，而車(chē)輛會(huì)按照慣性繼續(xù)向前滑行的狀態(tài)。ACC狀態(tài)為車(chē)輛引擎點(diǎn)火和熄火狀態(tài)的標(biāo)志，當(dāng)ACC狀態(tài)為1表示車(chē)輛引擎處于點(diǎn)火狀態(tài)，當(dāng)ACC狀態(tài)為0表示車(chē)輛引擎處于熄火的狀態(tài)。

1.7 超速行駛

超速行駛是指駕駛員以超過(guò)法律、法規(guī)規(guī)定的行駛速度駕駛，是一種違反交通規(guī)則的異常駕駛行為，也是衡量車(chē)輛安全行駛的一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。超速行駛?cè)菀自谡{(diào)速和保護(hù)系統(tǒng)故障及本身的缺陷中造成嚴(yán)重交通事故，直接威脅著駕駛員和他人的生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)于超速行駛，主要根據(jù)車(chē)輛當(dāng)前經(jīng)緯度坐標(biāo)，判斷出車(chē)輛當(dāng)前行駛道路，并根據(jù)當(dāng)前道路限速要求，來(lái)判斷車(chē)輛當(dāng)前速度是否超速。

1.8 急變道

急變道，是駕駛員在正常行駛過(guò)程中，由于某種原因，突然切換行車(chē)車(chē)道，變道后仍然沿原先道路方向行駛的一種行為。急變道與急變速相似，是行駛過(guò)程中的一種應(yīng)激反應(yīng)，往往發(fā)生于超車(chē)、避讓、堵車(chē)時(shí)切換車(chē)道等情形，是一種不安全的駕駛行為。

2 K-m e an s的貨車(chē)駕駛行為分析

如單獨(dú)分析AA00003車(chē)輛的行車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，觀察行車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)集中的時(shí)間項(xiàng)記錄有日期（年月日）和時(shí)間（時(shí)分），精確到分鐘，而同一分鐘有多條行車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)是隨著時(shí)間逐秒增加而記錄，但時(shí)間項(xiàng)沒(méi)有顯示秒，考慮到在后續(xù)計(jì)算和分析的過(guò)程中如果再詳細(xì)劃分秒會(huì)耗費(fèi)較大的工作量，故考慮按分鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，對(duì)車(chē)速等數(shù)據(jù)，聚合時(shí)采用平均值。里程數(shù)據(jù)是個(gè)累計(jì)值，應(yīng)該取每分鐘內(nèi)的最后一個(gè)數(shù)值，為了計(jì)算簡(jiǎn)單，也都用平均值。運(yùn)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，得到相同分鐘時(shí)間下的速度、行車(chē)?yán)锍痰鹊钠骄?，如圖1所示。圖中新增加了一項(xiàng)加速度a，單位是m/s2。

圖1 AA00003數(shù)據(jù)按秒?yún)R總聚合表

駕駛行為聚類(lèi)分析。分析貨運(yùn)車(chē)輛的駕駛行為的常用方法有K-means聚類(lèi)、高斯混合聚類(lèi)、譜聚類(lèi)方法等數(shù)學(xué)建模的方法，而常用的是K-means聚類(lèi)，且具有較好的聚類(lèi)效果，因此考慮運(yùn)用K-means聚類(lèi)對(duì)駕駛行為進(jìn)行分類(lèi)，建立行車(chē)安全的數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)貨運(yùn)車(chē)輛的駕駛行為進(jìn)行評(píng)分。

K均值聚類(lèi)算法是一種迭代求解的基于原型的目標(biāo)函數(shù)聚類(lèi)分析算法，它是數(shù)據(jù)點(diǎn)到原型的某種距離作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，利用函數(shù)求極值的方法得到迭代運(yùn)算的調(diào)整規(guī)則。K-means算法采用歐式距離作為相似度測(cè)量，以誤差平方和準(zhǔn)則函數(shù)作為聚類(lèi)準(zhǔn)則函數(shù)[4]。

K-means聚類(lèi)算法的優(yōu)點(diǎn)：（1）原理比較簡(jiǎn)單，收斂速度快，容易實(shí)現(xiàn)，是經(jīng)典聚類(lèi)算法。（2）對(duì)于密集接近高斯分布的簇，聚類(lèi)效果較好。（3）主要需要調(diào)參的參數(shù)僅是簇?cái)?shù)k。（4）對(duì)于大數(shù)據(jù)集，依然能夠高效運(yùn)行聚類(lèi)。

K-means聚類(lèi)算法的缺點(diǎn)：（1）k值需要預(yù)先給定，很多情況下k值難以估計(jì)。

（2）需要先選取一個(gè)初始聚類(lèi)中心（質(zhì)心點(diǎn)）來(lái)確定初始聚類(lèi)劃分，再對(duì)初始劃分進(jìn)行優(yōu)化。因此Kmeans算法對(duì)初始選取的質(zhì)心點(diǎn)敏感，不同的隨機(jī)種子點(diǎn)得到的聚類(lèi)結(jié)果完全不同，影響聚類(lèi)結(jié)果。（3）對(duì)噪聲和異常點(diǎn)敏感，常用來(lái)檢測(cè)異常值。（4）采用迭代方法，可能只能得到局部最優(yōu)解，無(wú)法得到全局最優(yōu)解。

通過(guò)將提取的每秒記錄的數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，去除量綱的影響，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行K-means，發(fā)現(xiàn)分成3類(lèi)比較合適，分別得到速度和加速度聚類(lèi)分析圖，如圖2和圖3所示。

圖2 速度K-means聚類(lèi)分析圖

圖3 加速度K-means聚類(lèi)分析圖

從平均速度的關(guān)系圖中可以看出駕駛行為能夠較好地分成三個(gè)類(lèi)別：（1）藍(lán)色可以代表穩(wěn)健型駕駛，表示車(chē)輛在運(yùn)輸過(guò)程中的平均速度處于20~60 km/h的中等速度范圍，速度比較集中。（2）灰色可以代表激進(jìn)型駕駛，表示車(chē)輛的平均速度較大，在60~80 km/h的范圍，在行駛過(guò)程中車(chē)輛駕駛員傾向于行駛速度過(guò)快，頻繁急加速急減速。（3）綠色可以代表疲勞型駕駛，表示車(chē)輛在駕駛時(shí)速度比較小，也可能是疲勞時(shí)速度較小。

從加速度的關(guān)系圖中可以看出駕駛行為能夠與速度比較接近地分成三類(lèi)：（1）灰色可以代表穩(wěn)健型駕駛，表示車(chē)輛的加速度變化比較集中分布在0附件，表示駕駛比較穩(wěn)定。（2）藍(lán)色可以代表激進(jìn)型駕駛，表示車(chē)輛的加速度變化較大，在行駛過(guò)程中車(chē)輛駕駛員傾向于急變速，頻繁急加速急減速。（3）綠色可以代表疲勞型駕駛表示車(chē)輛在駕駛時(shí)加速度比較分散，時(shí)而穩(wěn)定，時(shí)而急變速。

3 結(jié)語(yǔ)

本文首先構(gòu)建分析了8種影響安全駕駛的不良駕駛指標(biāo)（如疲勞駕駛、急加速、急減速、怠速預(yù)熱、超長(zhǎng)怠速、熄火滑行、超速、急變道），再運(yùn)用K-means聚類(lèi)模型對(duì)駕駛行為進(jìn)行聚類(lèi)，主要可以分為穩(wěn)健型駕駛、激進(jìn)型駕駛、和疲勞型駕駛3種。