道路虛線與實(shí)線間過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度影響因素分析*

齊亞妮 楊 軫

(1.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； 2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 烏魯木齊 830046)

換道是駕駛?cè)诵熊囘^(guò)程中最基本的駕駛行為之一，換道車輛會(huì)對(duì)平穩(wěn)的交通流造成擾動(dòng)，尤其對(duì)目標(biāo)車道的交通流產(chǎn)生較大的負(fù)面作用[1]，目標(biāo)車道的后隨車輛為避免碰撞，須制動(dòng)減速，由原來(lái)較為平穩(wěn)車速的行駛狀態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴▌?dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致道路通行能力下降，甚至交通擁堵[2]。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于視距受限的駕駛?cè)双@取前方道路通行權(quán)力信息的問(wèn)題尚無(wú)針對(duì)性的研究。但輔助駕駛領(lǐng)域開(kāi)展的一些研究技術(shù)可以借鑒，如道路交通標(biāo)線檢測(cè)識(shí)別技術(shù)[3-5]，作為自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)，服務(wù)于車道保持、車道偏離安全預(yù)警系統(tǒng)，主要是基于機(jī)器視覺(jué)[6]，對(duì)車輛軌跡進(jìn)行采集[7]，利用路側(cè)及車載智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和信息交互，這項(xiàng)技術(shù)可以為視距受限的駕駛?cè)颂峁┣胺降缆窐?biāo)線的信息。但這需要借助于較為復(fù)雜的車載及路側(cè)智能感知、通訊設(shè)備，以及車路協(xié)同技術(shù)。以目前道路基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)水平，技術(shù)成熟度不足，實(shí)施和推廣需要一個(gè)較長(zhǎng)的周期和較高的經(jīng)濟(jì)成本。

為了解決駕駛?cè)艘蛞暰€受限而造成的換道過(guò)程中壓實(shí)線的問(wèn)題，本研究從道路交通標(biāo)線著手，提出一種新的解決方法：在道路原有白色虛線與白色實(shí)線標(biāo)線之間增設(shè)一段虛-實(shí)線過(guò)渡標(biāo)線。將過(guò)渡標(biāo)線作為信息載體，提醒駕駛?cè)?，前方道路?biāo)線即將由虛線變?yōu)閷?shí)線，便于其選擇合適時(shí)機(jī)進(jìn)行換道操作。

過(guò)渡標(biāo)線的設(shè)置，必須保證駕駛?cè)酥灰谶^(guò)渡標(biāo)線起點(diǎn)前開(kāi)始準(zhǔn)備換道，即可順利完成換道操作(不壓實(shí)線)，所以過(guò)渡標(biāo)線的長(zhǎng)度如何確定非常重要。故本研究將重點(diǎn)探索分析過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的影響因素。

1 過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度定義

1.1 過(guò)渡標(biāo)線的位置

過(guò)渡標(biāo)線的具體位置見(jiàn)圖1，設(shè)置在道路原有白色虛線與白色實(shí)線標(biāo)線之間，其終點(diǎn)與原有道路的實(shí)線起點(diǎn)相接，過(guò)渡標(biāo)線起點(diǎn)根據(jù)其長(zhǎng)度倒推，并與道路虛線相接。

圖1 過(guò)渡標(biāo)線的位置

1.2 過(guò)渡標(biāo)線的長(zhǎng)度

過(guò)渡標(biāo)線的長(zhǎng)度是要保證駕駛?cè)嗽诳吹竭^(guò)渡標(biāo)線起點(diǎn)時(shí)開(kāi)始換道，并在實(shí)線起點(diǎn)前完成換道操作的長(zhǎng)度。多數(shù)學(xué)者根據(jù)換道軌跡將換道過(guò)程分為3個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、執(zhí)行階段、調(diào)整階段[8]，其示意見(jiàn)圖2。

圖2 換道過(guò)程與過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度示意圖

準(zhǔn)備階段AB。駕駛?cè)嗽诳吹椒至髦甘緲?biāo)志時(shí)，根據(jù)當(dāng)前交通運(yùn)行條件，做出換道決策并為換道做準(zhǔn)備。此階段車輛的外在行為特征與跟馳階段沒(méi)有太大的變化。

執(zhí)行階段BC。駕駛?cè)碎_(kāi)始調(diào)整車身行駛方向，跨越車道線，直至車身邊緣初次跨越車道線，視為順利完成車道切換任務(wù)。

調(diào)整階段CD。車輛切換至目標(biāo)車道后，駕駛?cè)苏{(diào)整車身方向，使其與當(dāng)前車道相匹配，調(diào)整階段結(jié)束。

為了便于理解過(guò)渡標(biāo)線的長(zhǎng)度，對(duì)照?qǐng)D2：其中A點(diǎn)即駕駛?cè)水a(chǎn)生換道意圖時(shí)刻(看到過(guò)渡標(biāo)線起點(diǎn)時(shí)刻)的位置。DL、DR為駕駛?cè)说淖笥乙暰?，而駕駛?cè)艘暰啾磺胺酱筌囌趽?，受與前車車距的影響。駕駛?cè)俗笥乙暰嘤?jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 視距計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中：DL、DR分別為駕駛?cè)说淖?、右視距，m；LL、LR分別為駕駛?cè)艘朁c(diǎn)距離左、右車道線的距離，m；HL、HR分別為視點(diǎn)垂直投影點(diǎn)距車身左右邊緣的距離，m；d為前車車尾與后車車頭間距，m。

考慮極限狀態(tài)下，若前方大車車身寬度H接近于車道寬度W，或前導(dǎo)車車輛向左或者右偏，則駕駛?cè)说囊暰郉L或DR近似于等于車距d。

2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

過(guò)渡標(biāo)線的長(zhǎng)度可能受到車道寬度、車距，以及車速的影響。相較于實(shí)車實(shí)驗(yàn)，駕駛模擬器具有重復(fù)性好、場(chǎng)景再現(xiàn)容易、成本低等優(yōu)點(diǎn)，故本研究主要通過(guò)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)探索過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的影響因素。

2.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

1) 道路基本場(chǎng)景。道路橫斷面為雙向六車道，車道寬度為W，全長(zhǎng)為6 km直線路段公路，道路標(biāo)線由白色虛線、過(guò)渡標(biāo)線和實(shí)線組成。

2) 交通環(huán)境。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中側(cè)向無(wú)環(huán)境車輛干擾，測(cè)試車輛前方設(shè)置了1輛車身寬度與車道寬度相近的前導(dǎo)車，前導(dǎo)車的橫向位置一直保持在測(cè)試車所在車道正中央行駛，用以遮擋駕駛?cè)说囊暰€。使用駕駛模擬軟件中行為模型函數(shù)鎖定測(cè)試車與前導(dǎo)車車距d，使其始終與測(cè)試車保持固定車距d行駛。

3) 參數(shù)設(shè)置。為了研究車道寬度及車距對(duì)過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的影響，設(shè)定車道寬度4級(jí)水平，W=3.0，3.25，3.5，3.75 m，車距7級(jí)水平，d=15，25，35，45，55，65，75 m。為了避免駕駛?cè)嗽隈{駛場(chǎng)景中，駕駛操作固化，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，車距d根據(jù)選定數(shù)值隨機(jī)變化。

4) 駕駛?cè)蝿?wù)。提前告知駕駛?cè)诉^(guò)渡標(biāo)線的意義，將過(guò)渡標(biāo)線的起點(diǎn)視為換道提醒信號(hào)。要求駕駛?cè)藛T開(kāi)始保持在當(dāng)前車道行駛，一旦看到換道信號(hào)，即可準(zhǔn)備換道操作，換道至相鄰車道，后保持當(dāng)前車道行駛，直至再次看到換道信號(hào)，換道至相鄰車道，如此往復(fù)，駕駛?cè)塑囁倏刂圃?0～120 km/h。駕駛模擬實(shí)驗(yàn)招募的駕駛?cè)?，男、女比?∶3，平均年齡32歲，標(biāo)準(zhǔn)差4.9，平均駕齡7年，標(biāo)準(zhǔn)差為2.5。

2.2 數(shù)據(jù)采集

采集的數(shù)據(jù)主要有車速、車距、行駛距離、車輛偏航角、車身邊緣與道路標(biāo)線間的橫向距離，數(shù)據(jù)采集頻率為20 Hz。車輛偏航角(psi)是指車身方向與車輛前進(jìn)方向的夾角。車身邊緣與道路標(biāo)線間的橫向距離(lanegapleft , lanegapright)是指車身左(右)側(cè)邊緣與當(dāng)前車道左(右)側(cè)車道線間的距離，其參數(shù)示意見(jiàn)圖4。

圖4 參數(shù)示意圖

車輛在跟馳階段，3個(gè)參數(shù)psi，lanegapleft，lanegapright會(huì)小幅波動(dòng)，而在換道過(guò)程中會(huì)有較大的變化。

圖5展示了1次向右換道過(guò)程中psi的變化。偏航角psi負(fù)值表示向左偏，正值表示向右偏。車輛在跟馳時(shí)，psi較為穩(wěn)定或小幅波動(dòng)，在換道執(zhí)行階段開(kāi)始時(shí)，psi開(kāi)始連續(xù)增大，增大到極值，psi回調(diào)，完成換道后再小幅波動(dòng)跟馳行駛。圖6展示了1次向右換道過(guò)程中2個(gè)參數(shù)lanegapleft、lanegapright的變化。車輛在跟馳階段，2個(gè)參數(shù)lanegapleft、lanegapright較為穩(wěn)定或小幅波動(dòng)。車輛向右換道過(guò)程中，如圖6中極值點(diǎn)所示，是車輛重心跨越車道線時(shí)刻，而后lanegapleft開(kāi)始增大，當(dāng)lanegapleft增大為0時(shí)，表示車身左側(cè)邊緣與左車道線的間距為0，表示車身已完全切換到目標(biāo)車道，視為向右換道執(zhí)行階段結(jié)束，如圖6中零點(diǎn)所示。根據(jù)提取的換道執(zhí)行階段結(jié)束點(diǎn)的位置與換道信號(hào)位置之差，即為過(guò)渡標(biāo)線的長(zhǎng)度。

圖5 換道過(guò)程中psi的變化

圖6 換道過(guò)程中參數(shù)lanegapright/lanegapleft的變化

3 過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的影響分析

3.1 模型自變量篩選

采用逐步回歸法探索各自變量對(duì)過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的影響，此法選擇變量是以赤池信息準(zhǔn)則(Akaike’s information criterion, AIC)為選擇標(biāo)準(zhǔn)，AIC值越小，表示擬合的模型精度越高越簡(jiǎn)潔[9]。

為了減少試驗(yàn)工作量，采用控制變量法，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先探索車道寬度W和車速V對(duì)過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的影響。限定車距d為75 m，車道寬度W為3.0，3.25，3.5，3.75 m。逐步回歸，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1逐步回歸結(jié)果來(lái)看，選擇全部自變量W和V時(shí)AIC=965.2。剔除變量W后，模型的AIC會(huì)減小，AIC=960.7，去掉變量V后，模型的AIC會(huì)增大，AIC=1 054.1。說(shuō)明剔除變量車道寬度W后的模型是最優(yōu)模型。

表1 過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度L0～車道寬度W+車速V逐步回歸結(jié)果(AIC=965.2)

由上述結(jié)果已知，車道寬度W不是影響過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的關(guān)鍵變量，限定車道寬度W為3.5 m，車距d為15，25，35，45，55，65，75 m，探究車距d和車速V對(duì)過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的影響。逐步回歸結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度L0～車距d+車速V逐步回歸結(jié)果(AIC=2 893.5)

由表2可見(jiàn)，采用全部自變量V和d回歸時(shí)，AIC=2 893.5，無(wú)論剔除V或d，均會(huì)使AIC增大，所以2個(gè)自變量V和d對(duì)因變量L0都有顯著影響。

3.2 回歸模型評(píng)價(jià)

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)一步擬合得到回歸模型，見(jiàn)表3。

表3 過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度L0 ～車距d+車速V回歸方程及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果

3.3 自變量的相對(duì)重要程度

表4 標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化回歸方程

3.4 回歸模型的診斷

由于線性回歸模型有若干的前提假設(shè)條件，如殘差正態(tài)性、線性關(guān)系、同方差、非共線性等。對(duì)回歸模型的診斷，主要是對(duì)上述各項(xiàng)假定的檢驗(yàn)。繪制模型診斷圖，見(jiàn)圖7～圖10。

圖7 線性關(guān)系檢驗(yàn)——?dú)埐顖D

圖8 殘差正態(tài)性檢驗(yàn)——標(biāo)準(zhǔn)化殘差正態(tài)Q-Q圖

圖9 同方差檢驗(yàn)——標(biāo)準(zhǔn)化殘差圖

圖10 強(qiáng)影響點(diǎn)檢驗(yàn)——Cook距離

1) 線性關(guān)系檢驗(yàn)。由圖7可見(jiàn)，圖中橫坐標(biāo)是模型的擬合值，縱坐標(biāo)是預(yù)測(cè)殘差，可以看出，擬合值和殘差的散點(diǎn)隨機(jī)分布，而且其離散程度基本一樣，表示其滿足方差齊性的假定，并且擬合值與殘差值的觀測(cè)點(diǎn)在一條水平線附近波動(dòng)，紅線與水平線比較接近，且沒(méi)有明顯的趨勢(shì)，說(shuō)明自變量與因變量之間的線性關(guān)系假定成立。

2) 殘差正態(tài)性檢驗(yàn)，圖8為標(biāo)準(zhǔn)化殘差的正態(tài)Q-Q圖，各個(gè)點(diǎn)基本在直線周邊分布，沒(méi)有顯著趨勢(shì)，可以認(rèn)為正態(tài)性假定基本成立。

3) 同方差假設(shè)檢驗(yàn)。圖9為標(biāo)準(zhǔn)化殘差圖，由圖9可見(jiàn)，x軸是回歸模型的預(yù)測(cè)值，y軸是標(biāo)準(zhǔn)化殘差絕對(duì)值開(kāi)方，散點(diǎn)圖中實(shí)線沒(méi)有特別明顯的趨勢(shì)，可以認(rèn)為是滿足同方差假設(shè)。

4) 強(qiáng)影響點(diǎn)檢驗(yàn)。圖10中標(biāo)注了Cook距離最大的3個(gè)點(diǎn)，但其最大的Cook距離也小于0.5，可以認(rèn)為沒(méi)有強(qiáng)影響點(diǎn)。

過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度等于換道準(zhǔn)備階段與執(zhí)行階段的總長(zhǎng)度減去視距，而車距會(huì)影響駕駛?cè)说囊暰?，車速影響換道執(zhí)行階段的長(zhǎng)度，故車距和車速是影響過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的關(guān)鍵變量[10]。而車道寬度會(huì)影響駕駛?cè)说穆穫?cè)視覺(jué)感覺(jué)，直接影響駕駛?cè)说能囁?，進(jìn)而影響換道執(zhí)行階段的長(zhǎng)度。而車道寬度又在一定程度上影響駕駛?cè)说囊暰嚅L(zhǎng)度，鑒于車道寬度3.0～3.75 m之間的差距并不大，對(duì)車速和視距的影響較小，進(jìn)而對(duì)過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的間接影響此消彼長(zhǎng)，影響不再顯著。

4 結(jié)論

本文針對(duì)道路行車過(guò)程中，駕駛?cè)艘蛞暰嗍芟迣?dǎo)致?lián)Q道過(guò)程中壓實(shí)線違章的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，從道路交通標(biāo)線著手，提出設(shè)置過(guò)渡標(biāo)線的方案。結(jié)合駕駛?cè)藫Q道過(guò)程中車輛的行為特征，給出了過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的定義。并通過(guò)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，研究了過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的影響因素，初步建立了過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的線性回歸模型，并對(duì)回歸模型進(jìn)行了檢驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，車距與車速是影響過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的關(guān)鍵變量，而車道寬度對(duì)過(guò)渡標(biāo)線的長(zhǎng)度無(wú)顯著影響?；貧w模型中，自變量車距相對(duì)重要性高于自變量車速，且過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度與車距為負(fù)相關(guān)，與車速正相關(guān)?；貧w模型可為過(guò)渡標(biāo)線長(zhǎng)度的設(shè)置提供參考。

過(guò)渡標(biāo)線作為信息載體，提醒駕駛?cè)饲胺降缆窐?biāo)線即將由虛線變?yōu)閷?shí)線，便于其選擇合適時(shí)機(jī)進(jìn)行換道操作，引導(dǎo)其有秩序地使用道路，理論上應(yīng)能避免司機(jī)因視距受限而產(chǎn)生換道壓線違章情況，進(jìn)而促進(jìn)道路交通安全，提高道路運(yùn)行效率。而過(guò)渡標(biāo)線作為一種區(qū)別于現(xiàn)有標(biāo)線的新標(biāo)線，駕駛?cè)藢?duì)其辨識(shí)結(jié)果有待進(jìn)行研究，因此，下一步需要對(duì)過(guò)渡標(biāo)線的形式進(jìn)行深入分析，并對(duì)其有效性進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)證。