綠燈倒計時信號對駕駛員行為決策的影響

劉巖，丁嘉琦*，劉恩杰

1.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.國能黃大鐵路有限責(zé)任公司，山東 東營 257000

0 引言

倒計時信號是交通控制中的一種常見形式，能夠提示駕駛員信號變換的時刻，但同時也容易誘發(fā)危險駕駛行為。諸多學(xué)者就倒計時信號設(shè)置的必要性進行研究并取得了大量的成果，但仍未達成一致的結(jié)論。文獻[1-4]研究表明，由于駕駛員更加注重通行效率，倒計時信號會增加車輛在接近交叉口時的加速行為；文獻[5-9]通過研究車流特性發(fā)現(xiàn)，機動車駕駛員、非機動車駕駛員和行人都容易在信號倒計時期間產(chǎn)生趕綠燈或過早啟動車輛等不規(guī)范行為；董云鵬[10]通過分析駕駛員心理指出，設(shè)置倒計時信號更容易誘發(fā)交叉口的危險駕駛行為；文獻[11-14]從時間和空間的角度研究指出，倒計時信號對交叉口的通行效率有積極影響；文獻[15-21]研究發(fā)現(xiàn)，倒計時信號能夠減少交通沖突，有利于車輛平穩(wěn)減速，提升交叉口的安全性；文獻[22-24]研究表明，倒計時信號有利有弊，不能同時達到提升交通效率和保證交通安全的目的。

現(xiàn)有研究大部分通過車輛通過停止線時的速度(地點車速)或駕駛行為等單因素對倒計時信號進行評估，但交叉口的駕駛環(huán)境中往往包含地點車速、車隊是否連續(xù)等多種影響因素。本文通過對比分析綠燈倒計時信號和無倒計時信號交叉口駕駛員的行為決策與各影響因素之間的相關(guān)性，對綠燈分別倒計時5、4、3、2 s狀態(tài)下駕駛員各駕駛行為的概率進行分析，探討綠燈倒計時信號對交叉口通行效率及安全的影響。

1 車流行駛特性數(shù)據(jù)采集

為探究駕駛員在不同信號控制條件下的駕駛行為特性，采取有、無綠燈倒計時信號的2種交叉口的車流行駛特性數(shù)據(jù)，主要包括地點車速、車輛啟動時間和車頭時距數(shù)據(jù)等。為保證調(diào)查數(shù)據(jù)的實用性，需選取2條道路條件相似的交叉口作為實地觀測地點，其中一個交叉口安裝綠燈倒計時信號，另一交叉口不安裝綠燈倒計時信號，2個交叉口需具有以下特性：1)交叉口上游有充足的交通需求量，紅燈亮起期間排隊等待車輛能達到一定的數(shù)目；2)綠燈亮起期間，車輛能順利通過交叉口，不存在交叉口秩序混亂導(dǎo)致的溢流現(xiàn)象；3)紅燈亮起期間，停車等待的車輛中小汽車居多，遮擋視野的大型車輛少，非機動車、行人干擾性小；4)交叉口地勢平坦，沒有明顯的坡度和影響視線的障礙。

通過調(diào)查和篩選，選擇大連市虹港路與圣林街的交叉口作為設(shè)置綠燈倒計時信號的研究對象，虹韻路與圣林街的交叉口作為未設(shè)置綠燈倒計時信號的研究對象。

本文收集數(shù)據(jù)采用錄像方法，由于車速較快，如果以秒為單位觀測時間，觀測精度較差，故本文采用以幀為單位觀測時間，計算車輛速度。部分信號燈周期存在行人以及非機動車輛的干擾，為了保證數(shù)據(jù)的可比性，將不符合要求的數(shù)據(jù)予以剔除。數(shù)據(jù)采集時，有、無綠燈倒計時信號的交叉口分別從綠燈倒計時信號亮起、綠燈信號燈開始閃爍的時刻開始記錄。

2 綠燈倒計時信號交叉口駕駛員行為特性分析

2.1 地點車速的影響

在設(shè)置綠燈倒計時信號的交叉口獲取1021份有效樣本數(shù)據(jù)，在未設(shè)置綠燈倒計時信號的交叉口獲取917份有效樣本數(shù)據(jù)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理可知：未設(shè)置綠燈倒計時信號的交叉口平均地點車速為5.22 m/s，綠燈倒計時信號交叉口平均地點車速為4.35 m/s，可見，綠燈倒計時信號交叉口的平均地點車速比無綠燈倒計時信號交叉口低16.7%。2種信號交叉口不同地點車速的比例如表1所示。

表1 2種交叉口不同地點車速的比例

由表1可知：地點車速大于8 m/s時，綠燈倒計時信號交叉口通過車輛的比例遠小于未設(shè)置綠燈倒計時信號的交叉口；地點車速為3～8 m/s時，2種交叉口通過車輛的比例基本相當(dāng)；地點車速小于3 m/s時，綠燈倒計時信號交叉口通過車輛的比例遠大于未設(shè)置倒計時信號的交叉口。這是由于駕駛員通過未設(shè)置綠燈倒計時信號的交叉口停止線時，無法提前知曉信號變換時刻，為避免出現(xiàn)遇到紅燈而增加延誤的情況，通常會采用較高的速度通過停車線。而綠燈倒計時信號為駕駛員提供信號變換的信息，駕駛員通常會采用比較從容的駕駛方式通過停止線。當(dāng)顯示剩余時間較多時，駕駛員可能選擇以正常行駛速度通過交叉口，若顯示剩余時間較少，駕駛員有可能選擇加速通過，也可能選擇減速停車，提高了行車安全性。

當(dāng)?shù)攸c車速小于3 m/s時，距離綠燈倒計時信號交叉口較近的車輛采用從容的駕駛方式通過停止線，降低了后續(xù)車輛的通過速度，減少了以正常速度或高速通過交叉口的車輛，降低了通行效率。無綠燈倒計時信號的交叉口，無論駕駛員距交叉口遠近，都希望盡快通過交叉口，地點車速小于3 m/s的比例占總體通過量較少，整體上提升了交叉口的通行效率。

2.2 平均車頭時距的影響

有、無綠燈倒計時信號的交叉口車頭時距散點圖如圖1所示。圖中圓點表示某一輛車與前車通過某一斷面時的時間間隔，即車頭時距。

a)有綠燈倒計時信號交叉口 b)無綠燈倒計時信號交叉口 圖1 交叉口車頭時距散點圖

由圖1可以看出：綠燈倒計時信號交叉口的車頭時距分布相對分散且數(shù)值偏小，說明由于綠燈倒計時信號的存在，駕駛員心態(tài)相對比較放松，每個車頭時距數(shù)據(jù)都是相對獨立的個體，車輛之間很少互相影響，駕駛員行為較穩(wěn)定。而無綠燈倒計時信號的交叉口，由于駕駛員無法獲知信號變換時間，心態(tài)較為緊張，車頭時距呈現(xiàn)“聚堆”現(xiàn)象，車輛容易互相影響，易發(fā)生追尾事故，不利于交叉口的安全。

對排隊車輛進行平均車頭時距分析，可得出有、無綠燈倒計時信號的交叉口對平均車頭時距的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 車頭時距折線統(tǒng)計

由圖2可知：綠燈倒計時條件下的車頭時距峰值為3.72 s，至第6輛車時，車頭時距為2.81 s，之后該值有回升的趨勢，回升后開始逐漸下降并緩緩趨于平穩(wěn)，至第8輛車時基本達到了飽和車頭時距2.50 s。無綠燈倒計時信號交叉口的車頭時距先增加后減小，車頭時距峰值為3.95 s，第8輛車時仍未達到飽和車頭時距，表明是否設(shè)置綠燈倒計時信號對排隊車流車頭時距有明顯影響。

3 信號交叉口駕駛員行為決策模型建立

3.1 駕駛員行為決策產(chǎn)生機理

駕駛員在信號控制交叉口所做的決策屬于風(fēng)險決策。為節(jié)省時間，駕駛員希望能在信號變換前通過交叉口，但由于無法預(yù)測信號燈的狀態(tài)和前、后方車輛的駕駛狀態(tài)等環(huán)境因素，在進入交叉口后存在與對向車輛發(fā)生碰撞的風(fēng)險，因此駕駛員要在合理判定后，再決定駕駛行為，特別是在黃燈亮起的時間內(nèi)，車輛處于不確定狀態(tài)，可能通過也可能停車，駕駛員需要一定的加速或減速響應(yīng)時間、剎車時間等，不同的駕駛員會做出不同的決定。在此過程中所做的決定將會保存在駕駛員的記憶中，影響其在下一個交叉口駕駛行為的決定[25-26]。

3.2 建立行為決策模型

3.2.1 模型結(jié)構(gòu)

結(jié)合行為決策產(chǎn)生機理與綠燈倒計時交叉口駕駛員的行為，本文把加速行駛、減速行駛、勻速行駛、停車作為駕駛員通過交叉口的駕駛行為，收集地點車速、綠燈倒計時信號剩余時間、距離停止線距離等數(shù)據(jù)，建立駕駛行為決策模型。通過該模型分析道路交通信息與駕駛員行為之間的關(guān)系，找出影響駕駛行為的主要因素。

選擇Logistic模型尋找不同駕駛行為的主要影響因素和相關(guān)性，預(yù)測綠燈倒計時5、4、3、2 s及無綠燈倒計時信號情況下發(fā)生各駕駛行為的概率。設(shè)以選擇枝加速行駛、減速行駛、勻速行駛、停車中的停車行為為參照類，此時Logistic模型為：

(1)

式中：ln(Pi/P4)為第i個選擇枝第k種影響因素的效用函數(shù)，Pi為各駕駛行為的概率，P4為停車行為的概率，xk為交叉口交通環(huán)境內(nèi)可觀測到的影響駕駛員駕駛行為決策的因素，ai和bk為待估計系數(shù)。

3.2.2 影響因素xk的確定

駕駛員在交叉口的駕駛行為決策由自身車輛因素、道路中其他車輛、道路環(huán)境以及駕駛員自身因素決定。因此選取是否為連續(xù)車隊x1、綠燈倒計時信號剩余時間x2、是否綠燈閃爍x2′、駕駛?cè)嗽诰嚯x停止線15 m處的地點車速x3(受試驗條件限制，距離停止線的可觀察距離取15 m)、是否營運車輛x4(由于駕駛員自身因素較為主觀，沒有直接數(shù)據(jù)可以使用，因此本文選擇是否是營運車輛這一影響因素側(cè)面反映倒計時信號對不同駕駛狀態(tài)下的行為決策影響)等影響駕駛員決策的因素，通過這些影響因素判斷駕駛員在交叉口處的駕駛行為差異。

本文從車輛加速行駛、減速行駛、勻速行駛、停車4種車輛狀態(tài)來體現(xiàn)駕駛員的決策差異性。表2、3為有、無綠燈倒計時信號交叉口的部分觀測數(shù)據(jù)。表2、3“車輛狀態(tài)”欄中的數(shù)字1、2、3分別表示加速、減速、勻速，第x1、x2′、x4欄中的數(shù)字1、0分別表示是、否。

表2 綠燈倒計時信號交叉口的部分觀測數(shù)據(jù)

表3 無綠燈倒計時信號交叉口的部分觀測數(shù)據(jù)

3.2.3 參數(shù)估計結(jié)果

采用SPSS軟件進行模型求解，求解過程中，使用t檢驗進行x1、x2、x2′、x3、x4對駕駛行為影響的顯著性檢驗，置信水平為95%。

表4 綠燈倒計時信號交叉口的bk及Psig

將表2、3中的觀測數(shù)據(jù)輸入到SPSS軟件中，得到駕駛員做出不同駕駛決策(加速行駛、減速行駛、勻速行駛、停車)的概率Psig，Psig>0.05表示自變量與因變量不具有顯著性相關(guān)，Psig≤0.05則表示具有顯著性相關(guān)。

車輛通過2種信號交叉口的參數(shù)估計結(jié)果及駕駛員不同駕駛決策的概率如表4、5所示。

表5 無綠燈倒計時信號交叉口的bk及Psig

3.2.4 相關(guān)性對比分析

由表4、5可知：

1)x1與綠燈倒計時信號中的駕駛行為不具有顯著性相關(guān)，與無綠燈倒計時信號中的駕駛行為具有顯著性相關(guān)。這是因為有綠燈倒計時信號時駕駛員通過判斷剩余時間可以直接決定駕駛行為，后車可以超越前車；而無綠燈倒計時信號情況下，駕駛員不知道交叉口信號變換時刻，更多的是跟隨從眾心理，后車超越前車的幾率變小。

2)x2只與勻速行為顯著性相關(guān)，這是由于駕駛員通過對倒計時信號的分析，及時調(diào)整駕駛行為，不會在交叉口突然加、減速，而是保持勻速行駛。x2′與3種駕駛行為都不具有顯著性相關(guān)，這是由于在無綠燈倒計時信號的交叉口，駕駛員由于不知曉信號變換的時刻，駕駛行為更多與駕駛員本人性格相關(guān)。

3)x3與2種交叉口都顯著性相關(guān)，這是由于此時距離交叉口較近，無論是否能夠通過交叉口，駕駛員都會根據(jù)此時的車速相應(yīng)調(diào)整駕駛行為。

4)x4與綠燈倒計時信號中的駕駛行為不具有顯著性相關(guān)，與無綠燈倒計時信號中的駕駛行為具有顯著性相關(guān)，這是因為無綠燈倒計時信號交叉口的營運車輛駕駛員憑借經(jīng)驗調(diào)整駕駛行為，但綠燈倒計時信號交叉口駕駛員更多的是憑借綠燈倒計時信號調(diào)整駕駛行為。這與通常人們認為的出租車司機在交叉口綠燈倒計時信號快結(jié)束時加速通過交叉口的現(xiàn)象不相一致。

3.2.5 計算結(jié)果與分析

將表4、5中各估計參數(shù)代入式(1)，得到2種交叉口的Logistic模型。

綠燈倒計時信號交叉口的Logistic模型：

(2)

式中：P1～P4分別為駕駛員加速、減速、勻速及停車4種駕駛行為的概率。

無綠燈倒計時信號交叉口的Logistic模型：

(3)

根據(jù)實測車輛的地點車速5 m/s，分別設(shè)x2為5、4、3、2 s和無綠燈倒計時信號，將各參數(shù)帶入式(2)(3)計算P1/P4、P2/P4、P3/P4的值，因P1+P2+P3+P4=100%，故求得駕駛員各駕駛行為決策的概率P1～P4，如表6所示。

表6 各駕駛行為決策的概率

由表6可知：綠燈倒計時信號交叉口，駕駛員選擇減速行駛的概率較大；無綠燈倒計時信號的交叉口，大部分駕駛員選擇勻速行駛。

綠燈倒計時信號顯示分別為5、4、3、2 s時，車輛減速行駛的概率分別為72.65%、67.17%、59.18%和46.44%，遠大于無倒計時信號時減速行駛的概率35.00%，說明綠燈倒計時信號可以提示駕駛員減速，提升交叉口的安全性；綠燈倒計時信號交叉口車輛加速行為的概率較無綠燈倒計時信號交叉口小，停車行為的概率較無綠燈倒計時信號交叉口大，倒計時顯示為2 s時，加速行為和停車行為的概率都突然增大，這是由于此時的駕駛員決策受自身個性影響較大。整體看來，綠燈倒計時信號對交叉口駕駛的安全性以及通行效率有一定的積極作用。

4 結(jié)論

1)綠燈倒計時交叉口，駕駛員選擇減速行駛的概率較大；而無綠燈倒計時信號的交叉口，大部分駕駛員選擇勻速行駛。當(dāng)綠燈倒計時顯示時間大于2 s時，駕駛員減速行駛的概率遠大于無綠燈倒計時信號時的概率。

2)是否連續(xù)車隊與綠燈倒計時信號中的駕駛行為不顯著性相關(guān)，與無綠燈倒計時信號中的駕駛行為具有顯著性相關(guān)。倒計時顯示時間只與勻速行駛顯著性相關(guān)；車輛在距停止線15 m處的地點車速與有無綠燈倒計時信號都顯著相關(guān)；是否為營運車輛與綠燈倒計時信號交叉口的駕駛行為不顯著性相關(guān)，與無綠燈倒計時信號中的駕駛行為顯著性相關(guān)。

3)駕駛員的駕駛行為不僅受到倒計時信號的外部影響，也受到心理和生理的影響。在后續(xù)研究中，可以通過借助一些更先進的儀器觀測駕駛員生理和心理的數(shù)據(jù)，對比分析有、無綠燈倒計時信號交叉口駕駛員生理、心理的變化規(guī)律，得到綠燈倒計時信號對駕駛員駕駛行為影響的理論依據(jù)。