行人過街安全研究進(jìn)展

陳鑫，宋臻，高藝軒，彭金栓

(重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074)

1 引言

行人無其他交通工具庇護(hù)直接暴露于交通環(huán)境中，一旦發(fā)生交通事故往往會(huì)受到嚴(yán)重的傷害甚至死亡，威脅行人的生命財(cái)產(chǎn)安全。在交通系統(tǒng)中,行人過街是行人最直接與車輛交互的情況，當(dāng)行人與車輛產(chǎn)生沖突時(shí)，行人的安全則無法得到保障，且不合理的行人過街行為可能會(huì)阻斷交通流造成交通擁堵，降低路網(wǎng)的通行能力，因此對(duì)行人過街的安全進(jìn)行研究顯得十分必要。

在實(shí)際的行人過街行為中,其過街目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作,而是包括位置的選擇、觀察、感知、判斷、決策、最終完成過街的一個(gè)復(fù)雜、連續(xù)的過程。在信號(hào)控制交叉口，行人可以借助斑馬線、信號(hào)燈等設(shè)施的保護(hù)穿越機(jī)動(dòng)車道，較無行人保護(hù)措施的其他環(huán)境過街而言，依然存在與機(jī)動(dòng)車流、非機(jī)動(dòng)車流產(chǎn)生沖突的問題。通過探索行人過街規(guī)律，合理配置行人過街基礎(chǔ)設(shè)施、優(yōu)化行人過街信號(hào)配時(shí)、加強(qiáng)行人交通管理可以提高行人過街的效率和安全性，減少行人道路交通傷亡。針對(duì)行人過街安全方面的研究，從行人過街交通特性和行人與車輛沖突兩個(gè)方面進(jìn)行梳理，首先探索行人過街速度影響因素，剖析典型的違章過街行為和使用手機(jī)過街行為的行人過街心理，介紹行人過街與車輛產(chǎn)生的交通沖突和常用的人車沖突安全指標(biāo)，擬從行人與自動(dòng)駕駛汽車交互著手對(duì)行人過街安全研究進(jìn)行展望。

2 行人過街交通特性

2.1 行人速度特性

行人過街速度是交通工程中信號(hào)交叉口基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，一直是行人交通特性的研究熱點(diǎn)。行人必須根據(jù)過街的時(shí)間和空間限制做出過街決定，對(duì)行人過街速度估計(jì)過高或過低都會(huì)影響交叉口的通行效率。因此，研究行人過街速度可以了解行人過街的交通特征，進(jìn)而探索行人過街行走規(guī)律，對(duì)提高信號(hào)交叉口的安全性和效率也十分重要。

針對(duì)行人過街速度的影響因素的研究，許多學(xué)者將年齡因素作為主要的分析對(duì)象。研究發(fā)現(xiàn)中青年群體的過街速度大于老年群體的過街速度[2-3]。針對(duì)老年人的過街速度特性，張惠玲等[4]建議當(dāng)老年行人的比例大于14%的時(shí)候，為滿足老年人過街舒適性和安全性的要求，應(yīng)該采取0.97 m/s的速度設(shè)計(jì)值。性別因素對(duì)過街行人速度的影響，則存在男性比女性快[2-3]和無顯著影響[4]兩種結(jié)論。另外，過街人群規(guī)模也對(duì)行人過街速度影響也較為顯著，行人過街速度隨著行人的數(shù)量的增加而降低[3]。

考慮其他因素對(duì)行人過街速度的影響，馮樹民等人[5]通過調(diào)查得到信號(hào)交叉口綠燈后期行人過街速度達(dá)到1.84 m/s。Muley等人[6]通過研究發(fā)現(xiàn)行人進(jìn)入街道的速度受行人信號(hào)燈指示的顯著影響，離開街道的速度與人行橫道長(zhǎng)度無關(guān)，但受過街方向影響顯著。裴玉龍等人[7]發(fā)現(xiàn)冬季行人的過街速度大于夏季，Al-Musawi等人[8]發(fā)現(xiàn)穿西式服裝的男性行人比穿阿拉伯風(fēng)格的男性行人的過街速度快11%，服裝風(fēng)格對(duì)女性行人的影響不顯著。Goh等人[9]發(fā)現(xiàn)不攜帶任何物品的行人比攜帶物品的行人走得更快。

行人過街影響因素涉及人、車、路等多方面，年齡因素的行人過街速度研究較多，但是過街行人規(guī)模、性別、行人過街信號(hào)、季節(jié)等因素也都被考慮。但是在不同城市、不同交叉口，行人速度特性也會(huì)存在差異，如何將行人過街速度匹配不同場(chǎng)景條件，為城市信號(hào)控制設(shè)計(jì)和過街基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)提供相關(guān)量化數(shù)據(jù)也是未來研究的一個(gè)方向。

2.2 行人視覺特性

眼球追蹤是一種運(yùn)用眼動(dòng)追蹤設(shè)備通過記錄眼睛位置及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并進(jìn)行視線測(cè)量的技術(shù)。如今眼動(dòng)追蹤技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到人類步行領(lǐng)域，行人過街作為一種特定的步行形式，了解行人過街的眼動(dòng)特性，進(jìn)而分析行人過街的視覺搜索過程，對(duì)交叉口設(shè)施設(shè)計(jì)及信號(hào)控制配時(shí)設(shè)計(jì)具有重要參考意義。

行人過街視覺搜索主要是為了收集周圍交通環(huán)境視覺信息，從而為過街決策提供參考信息。通過研究發(fā)現(xiàn)，年齡因素對(duì)過街行人視覺特性的影響顯著，表1總結(jié)了部分探索行人年齡因素對(duì)行人過街視覺特性影響的眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兒童更關(guān)注突出的無關(guān)過街的因素，成年人能更好地通過視覺搜索獲取各個(gè)方向的信息，而老年人過街時(shí)則更關(guān)注過街路徑。

表1 年齡對(duì)過街行人視覺特性的影響

此外，交叉口信號(hào)控制方式以及行人手機(jī)使用情況也對(duì)行人過街眼動(dòng)特性有影響。丁袁[15]通過在信號(hào)控制交叉口和無信號(hào)控制交叉口的行人眼動(dòng)探索實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)無信號(hào)控制下行人更多地關(guān)注左側(cè)注視區(qū)域，信號(hào)控制下行人則偏向于中部注視區(qū)域，無信號(hào)控制行人過街比較緊張，視負(fù)荷大于信號(hào)控制。Tapiro[16]發(fā)現(xiàn)使用手機(jī)會(huì)使行人對(duì)是否能安全過街的反應(yīng)較慢，并且對(duì)場(chǎng)景外圍區(qū)域的視覺注意力分配較少。凌飛陽[17]得出聽音樂、打電話和發(fā)信息能夠分散的行人的注意力，導(dǎo)致行人左右觀察交通情況和掃視頻率降低的結(jié)論。

利用眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)探索行人過街視覺特性，目前從行人的角度出發(fā)的研究較少。大部分的研究都是探索年齡因素對(duì)行人過街眼動(dòng)特性的影響，而交叉口信號(hào)控制方式、行人過街狀態(tài)等也是重要影響因素。另外眼動(dòng)追蹤實(shí)驗(yàn)應(yīng)該合理選擇實(shí)驗(yàn)條件，真實(shí)過街的實(shí)驗(yàn)條件能夠較好地采集行人過街眼動(dòng)數(shù)據(jù)，而虛擬現(xiàn)實(shí)模擬則更加安全。后續(xù)對(duì)行人視覺特性的研究應(yīng)該結(jié)合行人的其他交通特性，比如行人過街速度。

2.3 行人心理特征

行人過街存在典型的違章和使用手機(jī)兩種不安全過街行為。在信號(hào)控制交叉口，如果行人紅燈時(shí)間過長(zhǎng)且出現(xiàn)可穿越間隙時(shí)，行人會(huì)違章過街。而過街時(shí)使用手機(jī)則是行人分心的一種體現(xiàn)，會(huì)忽略潛在的沖突隱患。從行人的心理特性方面剖析兩種過街行為能夠了解行人過街決策心理以及為減少行人過街事故而提出相應(yīng)解決措施。

對(duì)于行人違章過街，“中國式過馬路”就是體現(xiàn)了從眾心理，張國強(qiáng)等人[18]發(fā)現(xiàn)當(dāng)較多行人一起過街時(shí)，擁有共同的行為目標(biāo)，會(huì)形成心理學(xué)上的群體，會(huì)獲得了更加安全的心理感受?；趶谋娦睦韯?dòng)態(tài)群體決策理論，過街人群中冒險(xiǎn)型人群居多時(shí)，會(huì)帶動(dòng)其他過街行人違章過街[19]。陸百川等人[20]等將行人的心理認(rèn)知意識(shí)以及行人感受到的環(huán)境通過場(chǎng)的形式，去判斷客體對(duì)行人的作用強(qiáng)弱，因此，行人違章過街心理受其他行人和外界環(huán)境的影響，大多都不是故意而為之[21]。

對(duì)于行人使用手機(jī)過街的行為，Horberry等人[22]在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)20%的行人在過街時(shí)使用智能手機(jī)，而聽音樂和發(fā)短信或與設(shè)備交互是觀察到的行人智能手機(jī)設(shè)備使用最多的功能。Zhang等人[23]發(fā)現(xiàn)在無信號(hào)控制交叉口使用手機(jī)過街的行人中64.1%是年輕行人。從心理角度而言，邊過街邊使用手機(jī)是由心理依賴引起的一種過街分心現(xiàn)象，而在短短的過街期間，行人使用手機(jī)最可能是在與關(guān)系親密的人進(jìn)行社交，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，31.2%的行人最有可能與朋友交流，24.5%與配偶交流[24]。Appel[25]將行人走路頻繁地使用手機(jī)歸因于社交恐懼，認(rèn)為他們使用手機(jī)是為了避免錯(cuò)過社交。對(duì)該行為進(jìn)行干預(yù)，應(yīng)該同時(shí)考慮行人和他們社交對(duì)象。

行人違章過街與行人使用手機(jī)過街都屬于不安全過街行為，從心理層面講，研究較多的是行人違章過街的從眾心理，而行人使用手機(jī)則被描述為社交心理依賴。結(jié)合行人的過街心理，針對(duì)性地采取管理、干預(yù)措施，能夠有效地減少行人過街安全隱患，所以結(jié)合過街設(shè)施形式、過街信號(hào)控制方式以及周圍行人影響等不同交通場(chǎng)景信息全面地分析行人過街的交通心理是必要的。

3 過街行人與車輛沖突

3.1 交通沖突技術(shù)

交通沖突是用于評(píng)估交通安全提出的替代安全措施最常用的指標(biāo)，就是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的道路使用者，在時(shí)間或空間維度上相互接近，如果一方采取轉(zhuǎn)換方向、突然停車等交通行為，另一方若不采取避險(xiǎn)措施，在某一程度就會(huì)產(chǎn)生碰撞的一種現(xiàn)象。利用CiteSpace軟件分析近五年交通沖突相關(guān)文獻(xiàn)，通過圖1能夠得到交通沖突是交通安全研究的重要問題，并且主要是圍繞城市交通以及交叉口進(jìn)行的研究，交通沖突技術(shù)是進(jìn)行交通安全評(píng)價(jià)的有效手段。

圖1 交通沖突研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

在城市交通中行人和車輛共享道路，駕駛員與行人之間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)分析問題。行人在交叉口過街時(shí)與各個(gè)方向的來車都會(huì)產(chǎn)生沖突，如圖2所示。在信號(hào)控制的條件下，雖然通過信號(hào)相位從時(shí)間上分隔了行人與機(jī)動(dòng)車流，但是不受信號(hào)控制的右轉(zhuǎn)車輛與過街行人仍然存在明顯的沖突，另外當(dāng)行人無法在綠燈時(shí)間完成過街，就會(huì)與下個(gè)相位獲得路權(quán)的其他方向車輛產(chǎn)生沖突。人車沖突隨著交通量的增長(zhǎng)而增加，在分析交叉口的安全性時(shí)需要更多地關(guān)注人車之間的交互作用。

圖2 交叉口人車沖突示意圖

3.2 人車沖突指標(biāo)應(yīng)用

為了交通沖突進(jìn)行分析處理，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多交通安全指標(biāo)。而人車沖突安全指標(biāo)使用頻率最高的是基于時(shí)間近端的碰撞時(shí)間(Time-To-Collision,TTC)和后侵犯時(shí)間(Post-Encroachment-Time,PET)。圖3展示了兩種指標(biāo)的應(yīng)用情景，具體計(jì)算如式(1)、(2)、(3)。TTC是當(dāng)兩個(gè)道路使用者在同一路徑上保持當(dāng)前的交通行為，不采取任何的規(guī)避措施會(huì)發(fā)生碰撞的時(shí)間。而PET則是一個(gè)道路使用者離開潛在碰撞區(qū)域到另一個(gè)道路使用者到達(dá)碰撞區(qū)域的時(shí)間。對(duì)比兩種指標(biāo)，TTC比PET更常用，適用于追尾、轉(zhuǎn)彎、行人過街與行人的碰撞。而PET只有在直角碰撞的情況下使用,較TTC而言更適合交叉沖突。

圖3 人車沖突指標(biāo)PET和TTC示意圖[26-27]

PET=t1-t2

(1)

(2)

(3)

式中：t1車輛通過沖突點(diǎn)的時(shí)刻；t2為行人到達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)刻；V1、V2分別為車輛和行人的速度；D1為車頭到?jīng)_突點(diǎn)的距離；D2為行人到?jīng)_突點(diǎn)的距離；L、W分別為車長(zhǎng)和車寬。

針對(duì)PET和TTC指標(biāo),Chen等人[28]選取了PET和速度指標(biāo)進(jìn)行仿真再現(xiàn)車輛和行人在不同幾何布局和操作條件下的隨機(jī)行為，發(fā)現(xiàn)交叉口尺寸和轉(zhuǎn)角越大，交叉口的安全性能就越差。Kumar等人[29]選取了PET指標(biāo)來分析信號(hào)交叉口行人與右轉(zhuǎn)車輛的沖突情況，當(dāng)PET值較低時(shí)，發(fā)生沖突的概率較高。另外，Wu等人[30]使用仿真模型(VISSIM)和替代安全評(píng)估模型(SSAM)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)最大TTC和PET閾值分別為2.7 s和8 s時(shí)平均絕對(duì)百分比誤差值最低，但是VISSIM模型可能會(huì)忽略行人的違章行為。Zheng等人[31]發(fā)現(xiàn)結(jié)合TTC和PET的二元極值模型的估計(jì)精度最高，比選用單一指標(biāo)分析更可靠。

除此之外，大多數(shù)現(xiàn)有的交通沖突指標(biāo)沒有充分考慮發(fā)生碰撞后造成的傷害的嚴(yán)重程度，大多數(shù)已開發(fā)的指標(biāo)將交通事故的嚴(yán)重程度表示為它們與碰撞在時(shí)間或空間上的接近程度。而單一的指標(biāo)也都存在各自的局限，在研究過程中應(yīng)該更多地去選擇合適的安全指標(biāo)，并結(jié)合多種安全指標(biāo)建立綜合模型進(jìn)行預(yù)測(cè)或評(píng)估，能夠有效地去保留各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)并合理地走出局限，并且能針對(duì)新的發(fā)現(xiàn)提出新的指標(biāo)。

4 行人過街安全研究展望

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)蓬勃發(fā)展，未來的交通環(huán)境混合而復(fù)雜。自動(dòng)駕駛汽車與其他道路使用者之間的安全互動(dòng)是一個(gè)亟需解決的問題，車輛行駛過程中的機(jī)械故障和駕駛員駕駛行為差錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致人車交互失衡[32]，增加交通事故發(fā)生的概率，僅靠對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的精準(zhǔn)控制和對(duì)所有交通規(guī)則的精確掌握不足以保證其在城市環(huán)境中安全駕駛。在傳統(tǒng)的交通場(chǎng)景中，車輛與行人之間主要是通過眼神、手勢(shì)等非語言線索進(jìn)行信息交互的，自動(dòng)駕駛汽車則需要更多行人交互信息和環(huán)境交互信息進(jìn)行相關(guān)駕駛決策。

為了更安全地進(jìn)行行人與自動(dòng)駕駛汽車交互實(shí)驗(yàn)研究，國外學(xué)者提出了一種讓駕駛員穿上類似座椅的服裝駕駛汽車的“幽靈司機(jī)”方法[33]，并且要考慮行人過街可接受距離、行人速度以及車輛等交互因素對(duì)行人的影響。自動(dòng)駕駛汽車外部的人機(jī)界面可以指示車輛的預(yù)期動(dòng)作，協(xié)助行人與自動(dòng)駕駛汽車交互。Bindschadel等[34]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)行人在遇到帶有外部人機(jī)界面的自動(dòng)駕駛汽車時(shí)，過街時(shí)會(huì)感覺更安全。關(guān)于外部人機(jī)界面顯示信息，Bazilinskyy等[35]調(diào)查得到以行人為中心的綠色文本信息是最清晰的，但是需要考慮文本指示信息的技術(shù)可行性，對(duì)于人機(jī)界面的位置，保險(xiǎn)杠和車頂比擋風(fēng)玻璃好。

雖然有越來越多的關(guān)于自動(dòng)駕駛技術(shù)相關(guān)的研究，但是自動(dòng)駕駛汽車引入真實(shí)道路環(huán)境還需要一段時(shí)間，現(xiàn)階段行人過街安全的研究能夠作為后續(xù)研究行人與自動(dòng)駕駛汽車交互安全的基礎(chǔ)。行人過街速度用于行人軌跡預(yù)測(cè)進(jìn)而作為自動(dòng)駕駛軌跡規(guī)劃的依據(jù)；行人過街視覺特性能夠了解行人獲取交通信息的特點(diǎn)，為外部人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)提供參考；行人過街心理則可以作為自動(dòng)駕駛汽車與行人交互的特殊情況的判斷依據(jù)，進(jìn)而可以研究行人違章或是其他特殊過街情況下自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的處理技術(shù)；人車沖突研究可為未來過街行人與自動(dòng)駕駛汽車沖突分析提供參考。

5 結(jié)語

(1)大多數(shù)研究中行人過街速度僅取決于行人過街時(shí)間和人行橫道長(zhǎng)度，缺乏對(duì)行人過街過程中速度變化特征的體現(xiàn)。通過眼球追蹤實(shí)驗(yàn)探索行人的視覺特性，從行人的角度出發(fā)進(jìn)行的研究較少。而行人心理特性的研究能夠解釋行人的過街行為，其他交通特性的變化規(guī)律很大部分都取決于行人過街心理，后續(xù)的研究中應(yīng)該合理地結(jié)合行人的速度特性、視覺特性、心理特性、生理特性等特性，探討各種特性之間的內(nèi)在聯(lián)系。

(2)交通沖突技術(shù)是分析交通安全的重要技術(shù)，TTC和PET是最常選用的安全指標(biāo)，現(xiàn)有研究較多地獨(dú)立分析各項(xiàng)指標(biāo)的影響，結(jié)合不同指標(biāo)能夠得到更好的評(píng)價(jià)和預(yù)估效果，在現(xiàn)有指標(biāo)的基礎(chǔ)之上，新指標(biāo)的提出能夠完善交通安全評(píng)價(jià)體系。

(3)自動(dòng)駕駛汽車與行人的安全交互可以保證交通環(huán)境的安全，外部人機(jī)界面能夠幫助行人在有自動(dòng)駕駛車輛的情況下做出過街決策。未來行人過街安全方面的研究應(yīng)在當(dāng)前研究的基礎(chǔ)之上更多地去考慮自動(dòng)駕駛汽車引入城市道路后對(duì)過街行人的影響。