速度影響下次近鄰車輛換道安全性分析

鹿心寧傅白白李樹彬

(1.山東建筑大學 交通工程學院，山東 濟南250101；2.山東建筑大學 建筑城規(guī)學院，山東 濟南250101；3.建筑與城鄉(xiāng)空間設計數字仿真山東省高校重點實驗室，山東 濟南250101；4.山東警察學院 交通管理工程系，山東濟南250014)

0 引言

跟馳和換道是車輛在道路行駛中難以避免的駕駛行為。換道是駕駛員為達到特定行駛目的，通過觀察周邊車輛行駛情況和道路交通環(huán)境，進行綜合判斷并調整駕駛操作以完成車道變換的行為，與跟馳行為相比更為復雜[1-3]。在換道過程中，駕駛員需要觀察分析自身車輛前后方和側向區(qū)域內的道路狀況，并對自身與周圍車輛的相對運動關系及發(fā)生碰撞的可能性做出正確的判斷。

次近鄰車輛是影響駕駛員駕駛行為的重要因素。在現有換道安全性的研究中，通常僅考慮換道車輛與直接相鄰車輛之間的相互影響，未考慮對其次近鄰車輛安全造成的影響，默認在換道過程中未與周邊直接相鄰車輛發(fā)生碰撞即為安全換道。在實際駕駛過程中，特別是在交通流密度大、車輛間距較小的擁堵情況下，面臨前車發(fā)生換道的情況，直接相鄰車輛僅依據前車行駛狀況采取避讓措施，而不會顧及后續(xù)車輛；次近鄰車輛駕駛員雖有觀察前車行駛狀況的意識，卻常因未能及時預判前車運動趨勢或誤判而無法及時做出減速措施，進而導致不良后果，這也是實際道路中追尾交通事故發(fā)生的重要原因之一。在換道過程中，次近鄰車輛受到換道車輛、直接相鄰車輛共同影響。因此，研究次近鄰車輛換道安全具有重要意義。

近年來，換道行為對交通安全的負面影響日益受到關注[4-6]。在現有的換道影響研究中，對于安全性的研究占多數，不恰當的換道行為不僅會使其后續(xù)車輛面臨碰撞風險，同時會引起該車道交通流量下降，影響通行效率。換道影響中的安全性研究對于交通安全事故的預防及提升道路交通流效率具有重要意義。LI等[7]利用原車道和目標車道上的換道速度、間距和加速度等微觀交通變量預測了摩托車、卡車、乘用車的碰撞風險。YANG等[8]通過速度變化率、剎車時間和碰撞時間，研究了換道車輛后車的剎車特征和可接受換道間距?？讘椌甑萚9]利用元胞自動機描述了考慮次近鄰車輛的擁堵交通流，并模擬出了次近鄰車輛影響下擁堵的產生及消散的過程。ZHAO等[10]構建了次近鄰車輛影響下的復雜網絡，運用拓撲結構分析了次近鄰車輛影響下交通動態(tài)演化特征。可見，目前對于換道安全的研究多數集中在換道車輛本身和直接相鄰車輛之間的相互作用，沒有將次近鄰車輛考慮在影響范圍內，對于次近鄰車輛的研究沒有探討其安全問題。因此，采用數據分析方法，分析了次近鄰車輛安全問題，建立起速度指標與次近鄰車輛安全間的關聯性。

1 次近鄰車輛換道影響階段及參數分析

為了明確換道行為對后車產生的影響，將換道過程分為Ⅰ、Ⅱ兩個階段。如圖1所示，第Ⅰ階段是自換道車輛(Lane Changing Vehicle，LCV)在原車道發(fā)生車頭偏轉至其在目標車道被識別，此階段標志著換道行為的開始，該階段直接相鄰車輛(Following Vehicle，FV)開始采取減速措施。在第Ⅰ階段換道車輛未在次近鄰車輛可觀察的范圍內，即次近鄰車輛無法根據換道車輛調整自己的駕駛行為。第Ⅱ階段稱作趨于穩(wěn)定階段，在此階段，換道車輛開始采取相應加減速措施以進一步實現在目標車道的駕駛目的，此時次近鄰車輛(Next-nearest Following Vehicle，NFV)受到換道車輛傳遞的干擾，需感知前方車輛信息，以實現最終穩(wěn)定的駕駛狀態(tài)。在第Ⅱ階段換道車輛、直接相鄰車輛均對次近鄰車輛產生影響。

在實際交通流中，考慮到駕駛安全的因素，駕駛員通常會根據前車的速度變化和前車與自身車輛的距離來改變自己的行駛速度，因此次近鄰車輛在下一時刻的速度主要取決于其本時刻的速度、與前車的速度差、車頭間距[11]；針對次近鄰車輛進行換道安全分析，考慮到次近鄰車輛受前面兩車共同影響，故將換道車輛在換道初始狀態(tài)的速度、換道間距考慮在內。文章選取車輛速度、相鄰車輛速度差和車頭間距等參數用于分析，如圖1所示。其中，v1(t)為換道車速度，m/s；v2(t)為直接相鄰車輛速度，m/s；v3(t)為次近鄰車輛速度，m/s；Δv1(t)為換道車與直接相鄰車輛速度差，m/s；Δv2(t)為次近鄰車輛與直接相鄰車輛速度差，m/s；Δx1(t)為直接相鄰車輛和換道車之間車頭間距，m；Δx2(t)為次近鄰車輛和直接相鄰車輛之間車頭間距，m。

圖1 換道過程中換道車輛與次近鄰車輛關系圖

2 次近鄰車輛數據收集和處理

現使用的下一代仿真(Next Generation Simulation，NGSIM)數據已廣泛應用于各種交通流研究[12-14]。選取其中的I-80數據集，共有45 min的數據，分為3個15 min的時間段:16時至16時15分，17時至17時15分，17時15分至17時30分。這些時間段代表了路況從非擁堵狀態(tài)到高峰期完全擁堵狀態(tài)的變化。采集點位于美國加利福尼亞州埃默里維爾市舊金山灣區(qū)的I-80號公路上，采集長度為500 m，由6條高速公路車道組成，其中包括一條高占用率車道和一個入口匝道。

基于計算機編程語言Python的集成開發(fā)環(huán)境PyCharm和包管理工具Anaconda平臺，從原始數據中，經初步處理得到了317組含有次近鄰車輛的換道數據。初步處理即完成以下步驟:

(1)保留在數據記錄時間內車道ID不唯一的車輛；

(2)僅選用車輛類型為小汽車的數據；

(3)剔除在數據記錄時間內無后車的車輛；

(4)剔除與后車在相近時間內同時換道的車輛。

基于以上步驟，可以得到基本符合條件的換道車輛數據組，為保證用于分析的車輛軌跡數據包含充足、準確的換道信息，進一步處理原則如下:

(1)保證換道過程記錄在時間上的完整性，剔除換道車輛中換道時間跨度過大的異常值；

(2)觀察次近鄰車輛在換道發(fā)生后的駕駛特性，需選取換道事件發(fā)生后，次近鄰車輛仍然保持跟馳狀態(tài)的車輛組；

(3)換道起止時刻信息需對應，剔除次近鄰車輛未在換道起止時刻被記錄的車輛組；

(4)為消除匝道影響，不考慮5、6、7車道的換道車輛；

(5)考慮換道過程中潛在的安全問題，僅考慮后車速度大于前車速度的車輛組。

篩選次近鄰車輛信息流程如圖2所示，經二次篩選得到201組符合要求的換道車輛組數據。觀察得出，換道車輛被識別為換道至趨于穩(wěn)定狀態(tài)時長約為10 s，因此每一組數據分別包含換道車輛、直接相鄰車輛、次近鄰車輛在10 s內的軌跡數據。

圖2 篩選次近鄰車輛信息流程圖

依據NGSIM數據提供的信息，可以獲取車輛編號、時間、瞬時速度、車頭間距和車頭時距等參數。所用參數的統計值見表1，由于所用數據包含擁堵時段，因此速度均值較小。標準差較大，說明所用數據各車輛間差異性較強。

表1 影響次近鄰車輛換道安全參數的統計值表

3 速度影響下次近鄰車輛安全性分析

在跟馳狀態(tài)下，基于換道過程中車輛駕駛策略實時發(fā)生變化這一假設，可知前方車輛的速度是后方車輛調節(jié)自身運動所參考的重要信息。當后方車輛感知前車速度大于自身車速時，通常采取加速措施以便更緊密地跟隨前車；反之，則會減速與前車保持一定安全距離，以達到避免追尾碰撞的目的。這表明，后車對前車的速度感知會影響交通流的穩(wěn)定性。在實際換道行為中，次近鄰車輛受到換道車輛及直接相鄰車輛的共同影響，當次近鄰車輛感知前車的速度后，是否能夠及時采取有效的安全避讓措施決定了次近鄰車輛的安全性，同時也能夠說明此次換道事件的合理性。

3.1 次近鄰車輛對速度變化強度的響應

引入換道車輛的速度變化強度(Intensity of Velocity Variation，IVV)作為次近鄰車輛的分析指標。速度變化強度定義為在換道過程始末時刻速度變化量與換道時間的比值，由式(1)表示為

式中vr為換道車輛被識別為換道時刻的速度，即換道車輛的換道初始速度，m/s；vs為換道車輛換道穩(wěn)定時刻的速度，m/s；t為該時段所經歷的時間，s。

分析減速條件下換道車輛的速度變化強度對次近鄰車輛的影響，還需借助換道車輛的換道初始速度。兩值分布情況如圖3所示，由此可以看出，88.9%的vr值＜10.5 m/s、49.6%的vr值＜5.5 m/s，而88.4%的IVV值＜0.5 m/s2。

圖3 vr和IVV值分布圖

3.1.1 次近鄰車輛速度變化

通過分析201組換道事件，可以看出換道車輛駕駛員往往通過強制直接相鄰車輛減速來完成換道，次近鄰車輛感受到前車減速后也會采取相應的減速措施。為更清楚地觀察次近鄰車輛面臨前車換道做出的速度響應，按照速度變化強度以及換道初始速度將換道數據分類，分類依據參照換道初始速度值和速度變化強度值分布。分析可知，換道初始速度與速度變化強度對次近鄰車輛均有影響，其中速度變化強度是主要影響因素。當IVV＞0.5 m/s2時，換道發(fā)生后次近鄰車輛的速度變化多數趨于穩(wěn)定；當IVV≥0.5 m/s2時，換道初始速度對次近鄰車輛影響較大，次近鄰車輛速度變化幅度大且到達穩(wěn)定的時間較長。直接相鄰車輛與換道車輛的速度曲線變化較為相近，這表明直接相鄰車輛較次近鄰車輛能夠更加直接、準確地感知換道車輛的駕駛情況。各類數據中隨機選出的車輛對應的速度變化圖像如圖4所示。

圖4 LCV、FV、NFV速度變化圖

3.1.2 次近鄰車輛車頭時距響應

在正常的駕駛狀況下，駕駛員依據前車速度，實時調整自身駕駛速度，以保持緊密且安全的跟馳狀態(tài)。換道行為作為交通流的干擾因素，一旦發(fā)生，將會引起后車的震蕩、弛豫等消極影響。車頭時距表示前后兩輛車的前端通過同一地點的時間差，是評價駕駛安全性的重要指標，與交通流組成、駕駛行為密切相關。

圖5表示在不同速度變化強度條件下，NFV、FV車頭時距與速度差的關系。NFV車頭時距表示次近鄰車輛與直接相鄰車輛之間的車頭時距，FV車頭時距表示直接相鄰車輛與換道車輛之間的車頭時距。圖5(a)給出了177組滿足0≤IVV≤0.5 m/s2條件的NFV車頭時距與相應速度差的關系，速度差表示后車速度與前車速度的差值，需滿足后車速度大于前車速度。從總體趨勢上看，隨著速度差增大，NFV車頭時距增大，其最大值不超過8 s。圖5(b)給出相同條件下，FV車頭時距與相應速度差的關系，對比NFV和FV，在換道過程中，當速度差較小時，NFV車輛個體間車頭時距變化更加不均勻。滿足IVV＞0.5 m/s2條件的跟馳組也滿足這一趨勢，如圖5(c)和(d)所示，原因為直接相鄰車輛可以直觀地依據前車駕駛行為及時地采取措施，而次近鄰車輛不能及時感知換道車輛速度變化，且受到前車駕駛行為差異性的影響，導致個體間車頭時距呈現不均勻特征。對比圖5(a)和(c)，可以得出次近鄰車輛在不同速度變化強度下的車頭時距情況，滿足0≤IVV≤0.5 m/s2條件的次近鄰車輛均值為3.02 s，滿足IVV＞0.5 m/s2條件的次近鄰車輛均值為3.80 s；而圖5(b)和(d)中，直接相鄰車輛車頭時距均值分別為3.28和3.34 s。由此可知，速度變化強度對于次近鄰車輛車頭時距影響更明顯。

圖5 不同速度變化強度下FV、NFV車輛的車頭時距隨速度差變化圖

上述現象符合實際駕駛情況，當次近鄰車輛駕駛員感受到本身車速大于前車車速時，會降低速度以防止碰撞，但由于駕駛員的感知受前兩車共同影響，存在感知誤差，導致車頭時距變化沒有明確的規(guī)律性。因此，分析車頭時距與速度差之間的關系便于進一步提升次近鄰車輛安全。

3.2 次近鄰車輛的剎車響應

YANG等[8]通過對駕駛員的剎車響應分析得出變道對直接相鄰車輛的影響，44.0%的直接相鄰車輛駕駛員在換道車輛跨越車道線前就采取剎車措施，14.1%的駕駛員在換道車輛進入目標車道后采取剎車措施，41.9%的駕駛員選擇不采取任何措施。通過NGSIM數據觀察次近鄰車輛的剎車響應情況，可知在換道發(fā)生的第Ⅰ階段，次近鄰車輛已有明顯的剎車現象。

采用替代安全措施(Surrogate Safety Measures，SSMs)中的避免碰撞的減速率(Deceleration Rate to Avoid Collisions，DRAC)指標，進一步探究次近鄰車輛剎車的安全性。DRAC表示在單位時間內，后車為避免與前車發(fā)生碰撞所減少的速度值，該指標考慮了速度差異和減速措施在碰撞發(fā)生中的作用，表示為時間及空間的函數。

僅考慮車流方向的DRAC值，所選取數據需滿足后車速度大于前車，即存在碰撞風險的跟馳組合。以計算次近鄰車輛的DRAC值為例，計算式由式(2)表示為

式中vNFV、vFV分別為次近鄰車輛、直接相鄰車輛的速度，m/s；G為兩車之間的間距，m；k為某一時刻。由式(2)中可以看出，DRAC值不僅與前后兩輛車的速度差有關，同時也與兩車車頭間距有關。

直接相鄰車輛和次近鄰車輛DRAC值的分布情況如圖6所示，相應統計結果見表2?？芍苯酉噜徿囕v和次近鄰車輛的DRAC值分布相差較小，且均在安全范圍內。

圖6 FV、NFV的DRAC值分布圖

表2 FV和NFV車輛的DRAC頻率分布表

交通工程師學會建議汽車的最大減速率為3.0 m/s2，高速公路協會建議舒適減速率為3.4 m/s2，美國環(huán)保署標準的“城市”和“公路”輕型汽車的最大減速率均為1.5 m/s2[15]。

如圖7所示，對次近鄰車輛進行換道間距敏感性分析，其擾動設置為在換道均值(Mean)的基礎上減少、增加0.1倍的標準差(Standard Deviation，SD)，以確保變量的變化在合理范圍內(較大的擾動可能導致不符合現實的變量值)。發(fā)現在DRAC＜3.4 m/s2范圍內，曲線呈單調遞減趨勢，說明換道間距越大，次近鄰車輛到達碰撞所需的減速率越小，這與實際駕駛情況相符。

圖7 FV、NFV隨換道間距變化的DRAC值圖

4 結論

引入速度變化強度概念，結合換道車輛的初始換道速度，分析了次近鄰車輛速度變化、車頭時距變化、剎車響應，建立速度變化強度、初始速度、速度差與次近鄰車輛安全性之間的關系。由此得出以下結論:

(1)在換道發(fā)生后的一段時間內，次近鄰車輛受到換道車輛和直接相鄰車輛的共同作用。相較于直接相鄰車輛，次近鄰車輛對于速度變化強度影響更明顯，該影響體現在次近鄰車輛的車頭時距和速度變化，次近鄰車輛駕駛員的感知誤差是導致次近鄰車輛不安全因素的重要原因。

(2)為提升換道事件中次近鄰車輛的安全性，應使次近鄰車輛及時、準確獲取前車信息以保持車輛的穩(wěn)定控制。所需獲取的前方車輛信息包含車輛速度、相鄰車輛速度差和車頭間距等參數。