基于非對稱理論的微觀駕駛員行為特征分析

劉華磊，謝振友，林初染，龍朝黨

(桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004)

0 前 言

近年來人們對交通行為的非對稱性特征進(jìn)行了研究，以解釋微觀交通流的不穩(wěn)定性。即駕駛員在經(jīng)歷遲滯影響后的駕駛行為振蕩和換道通常與以前不同。Yeo和Skabardonis分析了擁堵期間單個車輛的運(yùn)動軌跡，發(fā)現(xiàn)了駕駛行為的異質(zhì)性特征，但未研究操作不當(dāng)和駕駛行為改變過程之間的關(guān)系。以及不對稱性與駕駛類別之間的機(jī)理關(guān)系還不是很清楚。Laval和Leclercq將交通振蕩的形成和傳播建立了模型，并認(rèn)為是由于駕駛員的激進(jìn)或保守行為引起的。但是該模型中假設(shè)的行為模型仍缺少實(shí)例數(shù)據(jù)驗(yàn)證。Zheng等人利用小波變換方法對車輛軌跡進(jìn)行分析，通過對換道行為的研究，展示了駕駛員的激進(jìn)和保守駕駛行為特征。他們證明了換道會改變駕駛員行駛特征(改變可能是暫時(shí)的)。但是他們的主要是對駕駛員在換道時(shí)行為特征的比較，而且沒有實(shí)證數(shù)據(jù)支撐研究車輛換道前后有不同駕駛員行為特征的分布。Chen等人通過分析NGSIM中的車輛軌跡，提出了一種非對稱行為模型來捕捉擁擠交通條件下駕駛員的行為。該模型為研究非對稱駕駛行為提供了一種很好的方法。但是他們只關(guān)注振蕩前駕駛員特性的分布，而沒有實(shí)證數(shù)據(jù)展示振蕩后駕駛員特性的分布以及駕駛員特性變化的結(jié)果。盛鵬等人利用元胞自動機(jī)模型描述了不對稱換道和瓶頸搶道行為產(chǎn)生的復(fù)雜交通現(xiàn)象。

國內(nèi)外研究普遍認(rèn)為換道行為駕駛員的行為特征會誘發(fā)擾動和促使擁堵波傳播，即駕駛員的行為特征會影響交通流，而交通流狀態(tài)的改變同樣會對駕駛員的駕駛行為造成影響，但對于具體的關(guān)聯(lián)性卻沒有一個統(tǒng)一的結(jié)論，仍然需要更多的研究來證實(shí)。

基于Chen等人的非對稱理論，研究了換道前后駕駛員特征的分布和變化不同，以及其轉(zhuǎn)化過程，從換道行為方面分析了振蕩時(shí)駕駛員特征的非均勻分布和反應(yīng)模式。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文的研究數(shù)據(jù)來源于www.seutraffic.com網(wǎng)站公開的數(shù)據(jù)集，研究對象是南京雙橋門城市高架高速公路中的瓶頸路段。本文只研究圖片下方的車道(虛線矩形內(nèi))，這是一個入口匝道瓶頸，如圖1所示。

圖1 無人機(jī)視頻上的一幀，研究的路段(黃色虛線框)和被識別跟蹤車輛(紅色虛線框)

數(shù)據(jù)采集上，本文使用無人機(jī)來拍攝視野更廣、鳥瞰視野更通暢的空中視頻。然后從視頻中提取被測路段上所有車輛的軌跡數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)交通流的完整時(shí)空重構(gòu)。采集到的視頻是通過圖像識別與跟蹤技術(shù)進(jìn)行軌跡提取，技術(shù)流程如圖2所示。每個車輛樣本包括瞬時(shí)加速度或減速度、速度、縱向和橫向位置以及換道時(shí)的準(zhǔn)確位置等信息，獲得高準(zhǔn)確率微觀的車輛軌跡數(shù)據(jù)。

圖2 圖像識別與軌跡提取流程圖

2 非對稱模型基本原理

圖3 振蕩過程中的行為模式變化，即ηi(t)的演化

在非平衡前

(1)

在平衡時(shí)

(2)

平衡后

(3)

圖4本文的數(shù)據(jù)中換道行為的數(shù)據(jù)實(shí)例，虛線表示不插入換道車輛的后車的理想軌跡，以及被換道車輛改變后的理論軌跡(τ，-τw)

圖4

3 研究分析與結(jié)果

以往研究的觀察，換道過程通常持續(xù)5秒以上。利用NGSIM車輛軌跡，Zheng等人發(fā)現(xiàn)開始(t0～tT)和結(jié)束(tT～t1)過程的平均時(shí)間周期分別為8～14 s和10～15 s。

本研究的換道抽樣標(biāo)準(zhǔn)為：前車和后車的軌跡時(shí)間周期大于40 s(>35 s，即開始和結(jié)束)，換道車輛插入后的軌跡時(shí)間周期大于30 s(大于上述結(jié)束周期)。本文分析的一個經(jīng)驗(yàn)換道樣本如圖4所示?？偣卜治隽?1組(每三輛車組成一組，即前車、換道車和后車)。

圖5 后車駕駛員特征變化與平均駕駛行為的偏差

表1 車道變換前后參數(shù)配對t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)描述

圖6 車道變換中的行為分類統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

(1)駕駛員在交通擁擠中表現(xiàn)出顯著的異質(zhì)性。駕駛員在平衡狀態(tài)下的特性在一定程度上決定了其對交通振蕩的反應(yīng)方式。因此，由于駕駛員的異質(zhì)性，由駕駛行為引起的交通振蕩的形成和傳播似乎是不可避免的，這是駕駛員的本質(zhì)特征。這意味著與駕駛行為相關(guān)的振蕩誘發(fā)將成為駕駛員控制和管理研究的重點(diǎn)。

(2)展示了中國駕駛員的一些典型特征，如道路上駕駛員類別的兩極分化比較明顯，激進(jìn)駕駛員比例較高。這個為交通安全駕駛行為研究提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。