基于軌跡數(shù)據(jù)的車輛超速行為識(shí)別方法研究

摘要 車輛超速行為是造成交通事故的主要原因之一，嚴(yán)重影響交通安全，目前主要通過固定速度閾值對(duì)車輛超速行為進(jìn)行識(shí)別。文章利用GPS數(shù)據(jù)獲取較為便捷，且能夠貫穿車輛整個(gè)行駛時(shí)段的特點(diǎn)，提出了一種基于軌跡數(shù)據(jù)的車輛超速行為識(shí)別方法。首先，對(duì)使用的GPS軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。其次，利用處理后的數(shù)據(jù)，以研究區(qū)域內(nèi)的瞬時(shí)超速事件為對(duì)象，在結(jié)合GPS軌跡點(diǎn)所在時(shí)間信息數(shù)據(jù)及車輛超速事件界定規(guī)則的基礎(chǔ)上，篩選出道路持續(xù)超速行為的發(fā)生情況，最后通過分析持續(xù)超速行為的時(shí)間分布情況得到超速行為的常發(fā)時(shí)段，并提出了相應(yīng)的治超措施。結(jié)果表明，上述方法可以有效地識(shí)別出車輛的持續(xù)超速行為，對(duì)交通管理部門進(jìn)行道路安全監(jiān)督管理具有一定意義。

關(guān)鍵詞 交通安全；軌跡數(shù)據(jù)；超速行為

中圖分類號(hào) U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0001-03

0 引言

近年來，交通事故一直是影響人們生命和財(cái)產(chǎn)安全的主要原因之一，超速駕駛是導(dǎo)致交通事故的一個(gè)重要因素。駕駛?cè)说鸟{駛行為，特別是超速駕駛，直接影響道路交通安全，通過相關(guān)策略方法規(guī)范駕駛?cè)说鸟{駛行為是保障道路交通安全的重要舉措之一。

目前，相關(guān)領(lǐng)域?qū)︸{駛?cè)说鸟{駛行為做了較多研究，在超速駕駛方面，主要通過超速執(zhí)法和車輛管理兩個(gè)方面進(jìn)行超速干預(yù)。超速執(zhí)法是通過安裝的抓拍、測速等設(shè)備對(duì)車輛進(jìn)行監(jiān)控；而車輛管理則是通過在車輛本身設(shè)置相應(yīng)的測速裝置，全程監(jiān)控車輛的行駛速度，在車輛超速時(shí)，對(duì)駕駛員作出相應(yīng)的預(yù)警提示。由于車輛超速管理機(jī)制并不健全，以及超速執(zhí)法不能全程監(jiān)控車輛，所以一些學(xué)者利用車輛駕駛過程中產(chǎn)生的自然駕駛數(shù)據(jù)進(jìn)行超速駕駛行為的識(shí)別。任慧君等人[1]利用GPS軌跡數(shù)據(jù)對(duì)車輛駕駛安全性進(jìn)行了分析，從軌跡數(shù)據(jù)中提取了超速、急加減速等行為，對(duì)駕駛安全性進(jìn)行了評(píng)估；Guo等人[2]利用混合無監(jiān)督深度學(xué)習(xí)模型識(shí)別車輛的超速駕駛行為；李開放等人[3]利用k-means算法和高斯混合聚類算法對(duì)駕駛數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行了訓(xùn)練，最終實(shí)現(xiàn)了超速行為識(shí)別；許佳鑫[4]通過分析海量軌跡數(shù)據(jù)，建立危險(xiǎn)駕駛行為識(shí)別算法，對(duì)超速、急加減速等八個(gè)不良駕駛行為進(jìn)行量化，同時(shí)還對(duì)危險(xiǎn)駕駛行為的發(fā)生頻率進(jìn)行分析；惠飛等人[5]利用GPS數(shù)據(jù)特征構(gòu)建車輛駕駛行為特征，包括時(shí)間、速度、轉(zhuǎn)向角等，并利用以上集中特征對(duì)現(xiàn)有車輛GPS軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，提出了一種基于GPS軌跡數(shù)據(jù)的車輛駕駛員異常駕駛行為檢測方法，得到了局部異常駕駛行為的檢測結(jié)果，該方法能夠準(zhǔn)確判斷待測車輛典型的駕駛錯(cuò)誤行為。

綜上所述，基于GPS數(shù)據(jù)的車輛超速行為識(shí)別方法的相關(guān)研究側(cè)重于對(duì)駕駛?cè)说鸟{駛行為進(jìn)行分類識(shí)別，一部分學(xué)者利用GPS超速數(shù)據(jù)進(jìn)行了聚類分析，得到研究區(qū)域的車輛超速規(guī)律。該文利用GPS軌跡獲取成本低廉及便捷的優(yōu)勢，提出了一種基于軌跡數(shù)據(jù)的車輛超速行為識(shí)別方法，該方法結(jié)合車輛GPS軌跡數(shù)據(jù)、超速事件界定規(guī)則及行車軌跡所在的時(shí)間等信息，識(shí)別并篩選出車輛在行駛過程中的超速行為，為后續(xù)交通管理部門進(jìn)行交通管理提供一定的參考依據(jù)。

1 基于軌跡數(shù)據(jù)的車輛超速行為識(shí)別方法

1.1 超速事件判定方法

超速駕駛通常是指駕駛員在行駛過程中，車速超出法定的道路限速值。這種行為可以分為兩類：一種是瞬時(shí)超速行車，通常發(fā)生在車輛突然加速的時(shí)候，例如超車，持續(xù)時(shí)間比較短；另一種是持續(xù)超速，即車輛在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)超過限速值的行駛。目前對(duì)于超速駕駛行為的識(shí)別，主要通過設(shè)置相應(yīng)速度閾值判斷車輛是否發(fā)生超速行為，該方法可能會(huì)導(dǎo)致一些瞬時(shí)超速行為被識(shí)別為超速行為，如短時(shí)間內(nèi)的超車行為，也有可能導(dǎo)致一些超速行為無法被識(shí)別出來，所以該文將連續(xù)兩個(gè)及以上軌跡點(diǎn)均超速的軌跡序列視為超速行為。如圖1所示，在一條完整的行駛軌跡中，如果只有一個(gè)軌跡點(diǎn)發(fā)生超速，且前后軌跡點(diǎn)都在正常的速度范圍內(nèi)，則將該點(diǎn)視為瞬時(shí)超速行為；如果前后連續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)或以上的超速軌跡點(diǎn)，則將其視為持續(xù)超速行為。

1.2 超速行為識(shí)別流程

該文的超速研究主要分為兩個(gè)方面，首先是瞬時(shí)超速行為的提取，其次是持續(xù)超速行為的判定，具體識(shí)別流程如圖2所示。

基于軌跡數(shù)據(jù)的車輛超速行為識(shí)別方法的具體內(nèi)容如下：

（1）瞬時(shí)超速軌跡點(diǎn)識(shí)別。將GPS軌跡點(diǎn)速度與所在道路速度限速閾值進(jìn)行對(duì)比，得到車輛的瞬時(shí)超速行為；

（2）持續(xù)超速軌跡點(diǎn)識(shí)別。（1）中識(shí)別出來的超速軌跡點(diǎn)為瞬時(shí)超速數(shù)據(jù)，利用連續(xù)兩個(gè)及以上的軌跡點(diǎn)均超過道路速度限速閾值的方法，將持續(xù)超速軌跡點(diǎn)提取出來；

（3）持續(xù)超速行為統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)（2）中被識(shí)別為超速的軌跡點(diǎn)數(shù)量，再將（2）中識(shí)別出來的持續(xù)超速行為的附屬信息提取出來，主要包括車輛編號(hào)、時(shí)間、經(jīng)緯度等；

（4）持續(xù)超速行為的時(shí)間分布情況。通過統(tǒng)計(jì)分析一天中各個(gè)小時(shí)的超速次數(shù)，分析該區(qū)域的超速時(shí)間分布情況。

識(shí)別超速行為的關(guān)鍵步驟包括以下幾個(gè)方面：（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理；（2）道路速度限速閾值；（3）瞬時(shí)超速行為識(shí)別；（4）超速事件判定方法；（5）持續(xù)超速行為識(shí)別；（6）超速駕駛行為數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

2 基于軌跡數(shù)據(jù)的車輛超速行為識(shí)別方法算例驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)介紹及預(yù)處理

該文使用的數(shù)據(jù)分別是GPS軌跡數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)。GPS軌跡數(shù)據(jù)是某地區(qū)33輛出租車的12萬條GPS軌跡數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時(shí)長為24 h，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括車輛編號(hào)、時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度等，分布在該地區(qū)的15條道路上。地圖數(shù)據(jù)包含了大量的地理空間信息，是交通行業(yè)研究道路問題的重要工具，也是后續(xù)進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)處理的參照依據(jù)。該文是從OpenStreetMap平臺(tái)中獲取的地圖數(shù)據(jù)，OpenStreetMap是一個(gè)開源地圖。

雖然定位技術(shù)在不斷發(fā)展，但是由于交通擁堵、信號(hào)管控和站點(diǎn)停留等原因造成短時(shí)間停留或在有建筑物遮擋的區(qū)域進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，收集到的數(shù)據(jù)將出現(xiàn)短時(shí)間的數(shù)據(jù)空白區(qū)。數(shù)據(jù)的漂移主要發(fā)生在高架橋等有建筑物遮擋或外界信號(hào)干擾較為嚴(yán)重的地方，需要通過不同的方法對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)，對(duì)漂移數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

（1）缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)。在數(shù)據(jù)缺失問題中，該文的GPS軌跡點(diǎn)缺失屬于隨機(jī)缺失，利用線性插補(bǔ)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)，這種方法操作簡單，可以快速地處理數(shù)據(jù)。首先將GPS軌跡點(diǎn)中不合理的數(shù)據(jù)剔除，該文使用的GPS軌跡數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為15 s，所以將兩軌跡點(diǎn)間時(shí)間間隔超過15 s的數(shù)據(jù)認(rèn)定為缺失數(shù)據(jù)，然后利用線性插值的方法進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)的插補(bǔ)。假設(shè)缺失點(diǎn)相鄰的兩個(gè)軌跡節(jié)點(diǎn)分別為（xm，ym）和（xn，yn），則缺失點(diǎn)的數(shù)值y的計(jì)算方法如公式（1）所示：

y= x?xn " "xm?xn ym+ x?xm " "xn?xm yn （1）

式中，x、y——缺失插值點(diǎn)的數(shù)值；xm、ym——缺失點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)1的數(shù)值；xn、yn——缺失點(diǎn)相鄰節(jié)點(diǎn)2的數(shù)值。

對(duì)于大量的數(shù)據(jù)缺失，缺失時(shí)間較大可能是由設(shè)備故障或數(shù)據(jù)傳輸異常導(dǎo)致，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的研究可行性較低，插補(bǔ)意義較小，所以將這部分?jǐn)?shù)據(jù)剔除，防止其影響后續(xù)的識(shí)別。

（2）漂移數(shù)據(jù)處理。將GPS軌跡點(diǎn)導(dǎo)入路網(wǎng)中會(huì)發(fā)現(xiàn)有部分軌跡點(diǎn)偏離路段，與實(shí)際行駛路線不符，漂移的數(shù)據(jù)會(huì)影響后續(xù)軌跡速度與路段限速閾值的比較。該文利用地圖匹配方法進(jìn)行漂移數(shù)據(jù)的處理，主要通過漂移軌跡段與路段之間的幾何關(guān)系，將漂移點(diǎn)匹配到正確的路段上，該方法的思路如下：

首先構(gòu)建待匹配路段庫，該文使用的路段庫為研究區(qū)域內(nèi)的15條道路，通過計(jì)算漂移軌跡點(diǎn)到待匹配路段的距離及角度，得出其基本概率分配情況，最后將漂移點(diǎn)的位置信息用投影點(diǎn)的信息進(jìn)行替換，并填補(bǔ)到數(shù)據(jù)表中。

2.2 基于軌跡數(shù)據(jù)的超速行為識(shí)別

首先按照上述方法進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)和漂移數(shù)據(jù)的處理，并統(tǒng)計(jì)每條路段的道路限速閾值，然后將獲取的GPS軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)到不同的路段上，將每個(gè)GPS軌跡點(diǎn)的速度與當(dāng)前道路限速閾值進(jìn)行比較，得到車輛的全部瞬時(shí)超速行為，具體見表1所示。由于瞬時(shí)超速數(shù)據(jù)不能很好地體現(xiàn)車輛的車速行為，所以還需要進(jìn)一步研究車輛的持續(xù)超速數(shù)據(jù)。

利用將連續(xù)兩個(gè)及以上的超速軌跡點(diǎn)視為持續(xù)超速行為的方法，對(duì)篩選出來的瞬時(shí)超速行為進(jìn)行識(shí)別，共識(shí)別出8 471起超速事件，具體數(shù)據(jù)見表1所示，持續(xù)超速行為與瞬時(shí)超速行為對(duì)比情況如圖3所示。

從表1中可以看出，與第一次識(shí)別出來的瞬時(shí)超速數(shù)據(jù)相比，持續(xù)超速行為篩選掉了大概30%的瞬時(shí)超速數(shù)據(jù)。相較于最原始的基于速度閾值的方法，該文的方法對(duì)最終超速行為的識(shí)別起到了一定的篩選作用。

2.3 超速行為分布

為了對(duì)后續(xù)超速行為的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，該文從時(shí)間維度對(duì)篩選出來的持續(xù)超速行為進(jìn)行分析，以一個(gè)小時(shí)為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將時(shí)間研究區(qū)域分為24個(gè)節(jié)點(diǎn)，可以得到研究區(qū)域內(nèi)的超速行為分布情況，如表2所示：

從持續(xù)超速事件的時(shí)間分布可以看出，研究區(qū)域內(nèi)的超速行為主要分布在晚上11點(diǎn)至凌晨2點(diǎn)，交通管理部門可以在這個(gè)時(shí)間段加大交警巡邏力度，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行實(shí)地考察，分析觀察該地段出現(xiàn)交通違法行為的原因，比如是否存在道路交通標(biāo)志標(biāo)線的缺失、損壞等現(xiàn)象，可在該地設(shè)置典型的移動(dòng)式超速抓拍設(shè)施，此外還可以考慮在研究區(qū)域張貼反超速標(biāo)語等措施。

3 結(jié)論

在交通領(lǐng)域，車輛超速行為對(duì)社會(huì)安全造成了極大影響。該文從車輛行駛過程中產(chǎn)生的GPS軌跡數(shù)據(jù)，進(jìn)行車輛的超速行為研究，通過將相鄰兩個(gè)及以上的軌跡點(diǎn)均超速的數(shù)據(jù)識(shí)別為持續(xù)超速行為，篩選了基于固定速度閾值方法識(shí)別出的瞬時(shí)超速行為，能夠避免將車輛因超車等因素造成的瞬時(shí)超速行為識(shí)別為持續(xù)超速行為，并分析了超速行為的常發(fā)時(shí)段，相關(guān)管理部門可以在這個(gè)時(shí)間段加大管理力度。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-09-02

作者簡介：崔懷煜（1978—），男，本科，研究方向：交通執(zhí)法。

基金項(xiàng)目：道路交通安全公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題“多源信息融合的?；愤\(yùn)輸車輛異常駕駛行為識(shí)別與預(yù)警”（2023ZDSYSK FKT06）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于視頻檢測的高速公路拋灑物識(shí)別及預(yù)警系統(tǒng)研究”（202310755044）。