駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)穩(wěn)定跟車行為的影響

朱興林，王 媚

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830052)

跟車過(guò)程中駕駛員的駕駛經(jīng)驗(yàn)是影響交通行為的重要原因。人-車-路-環(huán)境四要素組成的道路交通系統(tǒng)中，人(尤其是駕駛員)作為處理交通信息的判斷者和決策者，其反應(yīng)能力影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，是道路交通系統(tǒng)中最重要和最活躍的因素[1]，反應(yīng)時(shí)間是衡量駕駛經(jīng)驗(yàn)的主要指標(biāo)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)駕駛員反應(yīng)能力的研究做了很多拓展性工作，Ossen等[2]利用反應(yīng)時(shí)間和敏感度量化了駕駛員的反應(yīng)能力，分析了個(gè)體駕駛員之間的跟車行為差異；王福建等[3]基于實(shí)際的駕駛行為特性，將駕駛員的駕駛狀態(tài)分為強(qiáng)跟馳、弱跟馳和自由流三種狀態(tài)，建立能夠描述這三種狀態(tài)的車頭時(shí)距三元混合分布模型；Piao等[4]根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)跟車距離隨速度的增加而增加，且在高速路段行駛時(shí)的跟車距離相較于低速時(shí)存在較大的波動(dòng)；張智勇等[5]利用基于GPS的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)車輛跟馳數(shù)據(jù)采集方法，較好地解決了跟車狀態(tài)下駕駛員行為和車輛運(yùn)行特征的時(shí)間序列實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集問(wèn)題；李廣玉[6]，王亞培[7]等利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，結(jié)合模糊控制規(guī)則給出高速公路上車輛跟馳行為的一種仿真。袁偉等[8]通過(guò)實(shí)測(cè)高速公路上駕駛員的跟車數(shù)據(jù)，探討了穩(wěn)速跟車階段駕駛員的期望跟車間距與跟車速度之間的關(guān)系；菅美英等[9]基于駕駛模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析老年駕駛員的跟馳行為特征，并深入研究駕駛員跟馳行為的影響因素。

以上跟車行為的研究側(cè)重于根據(jù)模型進(jìn)行理論分析，對(duì)駕駛經(jīng)驗(yàn)差異考慮較少。鑒于此，本文利用車載激光雷達(dá)設(shè)備，以不同經(jīng)驗(yàn)的駕駛員為試驗(yàn)對(duì)象，在實(shí)際交通流中獲得有無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員穩(wěn)定狀態(tài)下的行車特征，從而給研究不同經(jīng)驗(yàn)駕駛員的跟車行為提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

Hi-Drive10跟車駕駛行為分析系統(tǒng)由北京奧澤爾科技發(fā)展有限公司研制，不僅能夠采集跟車狀態(tài)下的各類數(shù)據(jù)，還可用于交通流量計(jì)算、微觀交通仿真、道路通行能力分析和交通安全影響評(píng)價(jià)等交通工程學(xué)的研究。Hi-Drive10跟車駕駛行為分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)分析軟件、硬件設(shè)備及輔助裝置三部分組成。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

本試驗(yàn)總共招募非職業(yè)性且持有中華人民共和國(guó)C1駕照的駕駛員56名，身體健康，無(wú)明顯影響交通行為的身體特征，其從事的職業(yè)主要有學(xué)生、教師、職員、個(gè)體戶及自由職業(yè)者，年齡20歲～55歲，其中女性駕駛員16名，男性駕駛員40名。因駕駛經(jīng)驗(yàn)無(wú)法用駕齡進(jìn)行科學(xué)地衡量，為突出駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)時(shí)間的影響，選擇駕駛里程數(shù)作為分組標(biāo)準(zhǔn)，將試驗(yàn)對(duì)象分為無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員和有經(jīng)驗(yàn)駕駛員兩組，其中無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員的駕駛里程在10萬(wàn)km以下(駕齡小于或等于5年)，有經(jīng)驗(yàn)駕駛員的行駛里程在20萬(wàn)km以上(駕齡大于或等于10年)[10]，無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員和有經(jīng)驗(yàn)駕駛員各28名。受試駕駛員基本情況如表1所示。

1.3 試驗(yàn)道路

選取烏魯木齊市河灘快速路新醫(yī)路入口到米東區(qū)出口作為試驗(yàn)路段，全長(zhǎng)約15 km，雙向6車道，小客車限速100 km/h。該路段路面情況良好，以小汽車為主，車輛跟車狀態(tài)穩(wěn)定，該路段能在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下突出駕駛員的駕駛行為特點(diǎn)。

表1 受試駕駛員基本情況

1.4 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)假定影響跟車行為的主要因素是由駕駛經(jīng)驗(yàn)決定，車輛的選擇上盡量為駕駛員創(chuàng)造相似的行駛環(huán)境，排除車輛因素對(duì)駕駛員跟車行為的影響，是本次試驗(yàn)的首要條件，故試驗(yàn)車輛選擇家用小型汽車。

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)從2016年4月開(kāi)始至2016年6月結(jié)束，每次試驗(yàn)前期會(huì)尋找符合試驗(yàn)條件的駕駛?cè)藛T、試驗(yàn)車輛及其他準(zhǔn)備事項(xiàng)，除去為了測(cè)試設(shè)備是否正常運(yùn)行的2次實(shí)地試驗(yàn)，可使用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)總共有先后7次。另外，試驗(yàn)均選擇天氣及道路交通條件良好的白天進(jìn)行。

2 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)跟車距離的影響

穩(wěn)定跟車狀態(tài)是指車輛在進(jìn)行跟車行為時(shí)，在一定的時(shí)間內(nèi)保持恒定的行駛狀態(tài)，是交通流中最常見(jiàn)、占據(jù)時(shí)間比例最大的一種交通狀態(tài)，影響到交通流的整體運(yùn)行狀況，對(duì)交通流的影響至關(guān)重要[11]。判斷穩(wěn)定跟車狀態(tài)的方法一般有兩種：一種是定義速度差Δv=0時(shí)為穩(wěn)定跟車狀態(tài)。另一種定義方法以加速度為判斷標(biāo)準(zhǔn)。Ozaki[12]定義車輛加/減速度在±0.5 m/s2內(nèi)的行駛狀態(tài)為穩(wěn)定跟車狀態(tài)，而Sultan[13]確定的加/減速標(biāo)準(zhǔn)為±0.6 m/s2。張智勇[14]根據(jù)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)利用聚類分析法將跟車過(guò)程分為加速啟動(dòng)、穩(wěn)定跟車和減速停車三個(gè)部分，結(jié)果表明加/減速度在[-0.677 m/s2，0.533 m/s2]為穩(wěn)定跟車狀態(tài)，這一結(jié)果與Ozaki和Sultan的結(jié)果比較接近。考慮到駕駛員對(duì)速度的判斷誤差和駕駛操作的不穩(wěn)定性，本文將加/減速度在[0.6 m/s2，-0.6 m/s2]時(shí)的跟車行為定義為穩(wěn)定跟車狀態(tài)，選取符合加/減速度特征的跟車數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 符合穩(wěn)定跟車條件的加速度

2.1 跟車距離統(tǒng)計(jì)分析

由于試驗(yàn)道路在烏魯木齊市河灘快速路進(jìn)行，小型汽車限速100 km/h，兩類駕駛員在不同跟車速度下跟車距離反應(yīng)的規(guī)律大致相同，故選取跟車速度為80 km/h的跟車距離作為試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，跟車距離統(tǒng)計(jì)描述及箱形圖如表2、圖2所示。

表2 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員跟車距離的均值最大最小值均比有經(jīng)驗(yàn)駕駛員要高。由圖2跟車距離箱形圖來(lái)看，無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員的跟車距離普遍比有經(jīng)驗(yàn)駕駛員高，這與無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員駕駛技能不熟練、心理素質(zhì)差等因素有關(guān)，符合駕駛員個(gè)人特性。

圖2 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離箱形圖

2.2 相關(guān)性分析

由于駕駛里程是衡量駕駛經(jīng)驗(yàn)的重要指標(biāo)，駕駛里程越長(zhǎng)相應(yīng)的駕駛經(jīng)驗(yàn)也越豐富，為定性分析穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)跟車距離的影響，將每位駕駛員的跟車距離均值列出，并與累計(jì)行駛里程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 駕駛里程與跟車距離相關(guān)性分析

由表3相關(guān)性分析結(jié)果可知：在置信度(雙側(cè))為0.01時(shí)，駕駛里程與跟車距離的相關(guān)性非常顯著，相關(guān)系數(shù)顯著不為0(Pr=0.00<0.05，且相關(guān)系數(shù)-0.626為負(fù)值，說(shuō)明駕駛里程與跟車距離存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即駕駛里程越長(zhǎng)，跟車距離越小，駕駛里程越短，跟車距離越大。

2.3 跟車距離分布函數(shù)

考慮到樣本中少量噪聲點(diǎn)對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，本文采用隨機(jī)抽樣的方法。每次隨機(jī)抽取100個(gè)樣本，重復(fù)抽取100次，并對(duì)每次抽取的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和檢驗(yàn)，從而得到穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離分布函數(shù)的參數(shù)擬合如表4所示。

由表4可知，擬合得到的Gamma分布函數(shù)的參數(shù)變異系數(shù)范圍為[0.1，0.3]，而對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的參數(shù)變異系數(shù)范圍為[0.03，0.09]，對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的參數(shù)變異系數(shù)在10-2等級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Gamma分布函數(shù)，故對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)更能符合穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離的分布規(guī)律。穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離的頻數(shù)分布圖如圖3所示。

表4 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離分布函數(shù)擬合

圖3 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離頻率統(tǒng)計(jì)圖

由圖3可知無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員跟車距離主要分布在55～75 m，有經(jīng)驗(yàn)駕駛員則主要分布在45～65 m，無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員頻數(shù)峰值最高的跟車距離要高于有經(jīng)驗(yàn)駕駛員。根據(jù)隨機(jī)抽樣的方法得知，對(duì)數(shù)分布函數(shù)能很好地反映穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛員的跟車距離特性，故無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員和有經(jīng)驗(yàn)駕駛員分別服從lnN(2.985，0.828)和lnN(2.874，0.954)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，密度函數(shù)如式1、式2所示。

(1)

(2)

綜合以上分析可知駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)跟車距離有以下影響作用：穩(wěn)定跟車狀態(tài)下，無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員的跟車距離普遍比有經(jīng)驗(yàn)駕駛員高；駕駛里程與跟車距離有著明顯的相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明駕駛里程越短跟車距離越大，駕駛里程越長(zhǎng)跟車距離越小。

3 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)車頭時(shí)距的影響

3.1 車頭時(shí)距統(tǒng)計(jì)分析

穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時(shí)距的定義為跟車距離與跟隨車(試驗(yàn)車)速度的比值[15]，如式3所示。在穩(wěn)定的交通流中，駕駛員完成相關(guān)反應(yīng)和操作是以車頭時(shí)距為控制要素的，而反應(yīng)能力和操作能力與駕駛員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，故研究駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)車頭時(shí)距的影響，能更好地理解跟車過(guò)程中駕駛員個(gè)人特性與跟車行為的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(3)

式中：ht為t時(shí)刻駕駛員的車頭時(shí)距；Δx(t)為t時(shí)刻前導(dǎo)車與跟隨車相對(duì)距離；v(n+1)(t)為t時(shí)刻跟隨車的瞬時(shí)速度。

由于速度過(guò)低時(shí)影響駕駛員跟車行為的因素增多，以此為衡量駕駛員反應(yīng)能力和操作能力存在較大誤差，而速度過(guò)高車頭時(shí)距過(guò)小，跟車行為特征減弱，根據(jù)車頭時(shí)距的定義，選取跟車速度為20 km/h～80 km/h的車頭時(shí)距作為試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，車頭時(shí)距統(tǒng)計(jì)描述及箱形圖如表5、圖4所示。

由表5可知，無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員車頭時(shí)距的均值及最大值比有經(jīng)驗(yàn)駕駛員要高，最小值相同。由圖4可看出，無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員的車頭時(shí)距普遍比有經(jīng)驗(yàn)駕駛員高，說(shuō)明無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員為了自身行車安全會(huì)對(duì)前導(dǎo)車的排斥性更強(qiáng)，且相對(duì)有經(jīng)驗(yàn)駕駛員會(huì)保持較大車頭時(shí)距，符合駕駛員個(gè)人特性。

3.2 相關(guān)性分析

同樣，為了進(jìn)一步分析穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)車頭時(shí)距的影響，將累計(jì)行駛里程與車頭時(shí)距進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時(shí)距統(tǒng)計(jì)描述

圖4 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時(shí)距圖

車頭時(shí)距駕駛里程車頭時(shí)距Pearson相關(guān)性1-0.281顯著性(雙側(cè))0.000.039N5656駕駛里程Pearson相關(guān)性-0.5311顯著性(雙側(cè))0.0390.00N5656

由表6可知，置信度(雙側(cè))為0.01時(shí)，駕駛里程與車頭時(shí)距的相關(guān)性較顯著，相關(guān)系數(shù)顯著不為0(Pr=0.039<0.05)，且相關(guān)系數(shù)為負(fù)值-0.281，說(shuō)明駕駛里程與車頭時(shí)距存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，即駕駛里程越長(zhǎng)，車頭時(shí)距越小，駕駛里程越短，車頭時(shí)距越大。

3.3 車頭時(shí)距分布函數(shù)

同樣對(duì)所有車頭時(shí)距數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣，每次隨機(jī)抽取100個(gè)樣本，重復(fù)抽取100次，對(duì)每次抽取的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和檢驗(yàn)，將所有抽取到的跟車距離的平均值作為擬合參數(shù)，得到穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時(shí)距頻率分布如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時(shí)距頻率統(tǒng)計(jì)圖

由圖5可知無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員的車頭時(shí)距集中在5.6 s～6.2 s，有經(jīng)驗(yàn)駕駛員則在5.4 s～6.0 s。圖5顯示的頻率曲線分布規(guī)律類似于正態(tài)分布，并對(duì)該分布進(jìn)行檢驗(yàn)。利用矩估計(jì)法計(jì)算無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員的期望值μ=6.062，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.349；有經(jīng)驗(yàn)駕駛員的期望值μ=5.900，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.250。對(duì)擬合后的模型進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)：H0：假設(shè)車頭時(shí)距服從參數(shù)為[μ，σ]的正態(tài)分布；H1：假設(shè)不服從參數(shù)為[μ，σ]的正態(tài)分布。分別進(jìn)行單樣本的K-S檢驗(yàn)得無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員檢驗(yàn)值車頭時(shí)距p=0.585，有經(jīng)驗(yàn)駕駛員反應(yīng)時(shí)間p=0.328，故兩類駕駛員反應(yīng)時(shí)間均接受原假設(shè)H0(0.05的顯著水平下)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證H0的假設(shè)，通過(guò)Q～Q圖進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖6所示。

綜合K-S檢驗(yàn)的值和圖6可知，擬合的正態(tài)分布模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較好的匹配度，故無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員和有經(jīng)驗(yàn)駕駛員的車頭時(shí)距分別服從N(6.092，0.349)和N(5.900，0.250)的正態(tài)分布，密度函數(shù)表達(dá)式如式4、式5所示。

(4)

(5)

圖6 車頭時(shí)距Q～Q圖分布檢驗(yàn)

綜合以上分析可知駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)車頭時(shí)距有以下影響：穩(wěn)定跟車狀態(tài)下，無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員的車頭時(shí)距普遍比有經(jīng)驗(yàn)駕駛員高；駕駛里程與車頭時(shí)距有著明顯的相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明駕駛里程越短車頭時(shí)距越大，駕駛里程越長(zhǎng)時(shí)間將越小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在特定的交通環(huán)境下，利用車載激光雷達(dá)設(shè)備分析了穩(wěn)定跟車狀態(tài)下有無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員跟車行為特性，研究結(jié)果表明穩(wěn)定跟車狀態(tài)下，無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員的跟車距離普遍比有經(jīng)驗(yàn)駕駛員高，駕駛員的累計(jì)駕駛里程與跟車距離有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明隨著累計(jì)駕駛里程的增加跟車距離隨之減小；無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員的車頭時(shí)距也普遍比有經(jīng)驗(yàn)駕駛員高，駕駛員的累計(jì)駕駛里程與車頭時(shí)距有顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)亦為負(fù)值，說(shuō)明隨著累計(jì)駕駛里程的增加車頭時(shí)距隨之減小。探究駕駛經(jīng)驗(yàn)對(duì)穩(wěn)定跟車行為影響可了解不同駕駛員的跟車行為差異，從而能有針對(duì)性地對(duì)無(wú)經(jīng)驗(yàn)駕駛員進(jìn)行反應(yīng)能力訓(xùn)練，提高其在實(shí)際道路上的應(yīng)急水平，進(jìn)而提高行車安全性。