城市道路多车道交织区的微观驾驶行为特性*

2020-11-13张雪榆潘存书

交通信息与安全 2020年3期

张雪榆潘存书徐进,2▲

(1.重庆交通大学交通运输学院重庆400074;2.重庆交通大学山区复杂道路环境“人-车-路”协同与安全重庆市重点实验室重庆400074)

0 引言

2 个或者多个方向的交通流在交织区仅靠交通引导设施的前提下以相同方向行驶，并通过车道转换完成了车流的交叉运行，即进入交织区的各方向，交通流需要通过路径变换以及方向转移来完成预定路线。在城市道路中，互通立交合流区与分流区之间间隔通常在200 m 以内，处于交织区影响范围内的交织车辆，会发生大量的换道行为，导致交通流周期性拥堵形成瓶颈，影响除交织区外更大范围的路段通畅性。驾驶员在交织区内会进行车道变换的必要操作，通常经历3 个阶段：换道准备阶段，换道阶段，换道完成阶段。在这3 个阶段中，驾驶员对于车辆周边环境的把控尤为重要，除了要关注本车道前方车流的运行状态（如前车行驶速度、加减速情况等），也需要及时判断进入目标车道的安全时机，其驾驶操作包含车辆纵向和横向的双重控制。不同的驾驶员在进入交织区之后的操作也会不同，会影响到交织区内的车辆运行状态和整体运行速度。

因此，有必要针对驾驶员的性别差异、驾驶风格差异、驾驶经验差异等因素来开展交织区驾驶行为特性的定量分析。

1 研究现状

在城市道路的换道驾驶以及互通立交的汽车驾驶行为方面，刘瑞等[1]通过自然驾驶数据对驾驶人的驾驶行为特征参数进行研究，结果表明驾驶特征参数均近似服从帕累托分布。杨曼等[2]进行驾驶行为相关研究，表明驾驶人的特征（性别，经验，驾驶风格）与驾驶行为和行车安全密切相关。杨丰羽等[3]利用统计方法对杭州某典型互通立交运行速度特征与驾驶行为进行分析。霍克[4]基于城市道路环境，并结合不同熟练程度驾驶员换道过程注视转移特性进行量化分析，结果表明熟练组驾驶人相较于非熟练组驾驶人而言，在车道转换过程中能迅速、完整的进行信息决策，做到安全、有效的掌握车辆。刘洁莹[5]通过各种方法进行驾驶风格分类对比，最终采用主成分分析法与K-均值聚类法将驾驶人风格分为激进型与非激进型，并进行各类驾驶人轨道数据拟合分析。黄晶等[6]采用主成分分析法与K-means 聚类分析对212 份驾驶人问卷进行分类：谨慎型、普通型和激进型，通过模拟器试验获得了不同驾驶人的不同驾驶特点。

驾驶行为研究表明，驾驶员特征类似于性别[7]，经验[8-9]和驾驶风格[10]与驾驶行为和交通安全密切相关。Miller 等[11]指出可以通过驾驶经验来实现驾驶风格的形成。Rong Jian等[12]将驾驶人分为积极型、保守型、中间型3种类型，利用驾驶模拟器搜集数据，并结合交通仿真方法，分析不同驾驶行为对交通流量的影响。Lyu等[13]采集了46名驾驶员现场操测试数据，以性别、职业与驾驶经验作为影响因素，结合所获取速度曲线和轨迹信息，分析驾驶行为差异性。Deng等[14]的分析表明违规得分较高的驾驶员倾向于快速行驶，根据这一发现，将24 名经验丰富的职业驾驶员依照违规量表的分数，分为中立和激进2种进行仿真。

在道路交织区方面，现有的研究主要集中在交织区的通行能力计算[15]，涉及交织区微观运行行为的研究比较少，其中孙剑等[16]根据北京和上海的线圈检测数据对HCM2010 手册中的交织区运行速度模型进行了标定；陈宽民等[17]将出租车GPS 数据与空间路网GIS 数据进行匹配，分析了小间距互通分流区与合流区附近分合流车辆对主线运行速度的影响；谢寒等[18]从成都市三环路4座立交的视频数据中提取了换道次数、车速和交通流密度，分析了三者之间的关系；裴玉龙等[19]使用路测设备和视频图像提取了交织区的交通量和车头时距，分析了车头时距的分布特征以及随断面流率动态的变化特征。郭瑞军等[20]对环形交叉口的摄影图像进行参数提取，分析了环形交叉口交织区的速度分布、换道位置分布以及车头时距分布。

综上，通过自然驾驶以及实车路试获取真实驾驶数据是研究驾驶行为尤其是微观行为特征的有效手段，但现有关于微观层面驾驶行为以及驾驶风格的研究主要是面向城市道路和山区道路的基本路段或者互通立交匝道，鲜有涉及道路交织区。而关于交织区车辆运行行为的研究都是使用视频图像分析、线圈检测等方法，此种方法的特点是可以获取大样本数据，但局限是无法获取驾驶人的具体信息，因此无法分析驾驶人因素对车辆运行行为的影响。

为此，笔者开展开放道路交织区的实车实验，采集自然驾驶习惯下的车辆运行数据，从33名被试的数据中提取车速、加速度、车辆轨迹线、车辆-车道线距离等行为参数，结合性别、风格等差异因素，分析不同驾驶人在面对相同交通场景条件下，所表现出来的不同的驾驶行为。这项研究工作可以为车道设计，驾驶员能力训练和匝道外交通管理提供真实数据。

2 研究方法和实验方案

2.1 实验车辆及车载仪器

本次实验车辆为现代胜达七座SUV，车辆前窗和右车窗各安装1 个行车记录仪，拍摄前向与右向实际行驶环境。采用非接触式车速传感器Speedbox采集汽车轨迹线和行驶速度，用前向碰撞预警系统Mobileye采集道路曲率和“车轮-车道线”横向距离，同时Mobileye 还从CAN 总线读取汽车实时速度数据。Speedbox 轨迹依赖于经纬度数据，山地道路长距离连续采集情况下，道路两旁有树木遮挡或者道路上方有明显障碍物会造成数据缺失和准确性问题。用Mobileye的速度数据与GPS数据进行融合，保证数据的完整性与可靠性。试验车辆和车载仪器见图1。

图1 试验车辆及车载仪器Fig.1 Test vehicles and on-board instruments

2.2 被试人员

本次实车试验为2019 年5 月17 日—2019 年5月24 日，试验时间为09：00—17：00。此次从社会上共招募了33 位驾驶人参与试验，均符合文献里有关具有熟练驾驶经验[16]的要求，其中18 名男驾驶员，15 名女驾驶员，基本信息见表1。由于其中1 名女驾驶员信息缺失，有效驾驶员信息数据为32名。试验前告知被试行驶路线，所有驾驶员均按照规定线路行驶，行驶过程中不对驾驶员行为做任何暗示。

表1 被试者信息Tab.1 Participants'information

所有驾驶人在进行实车试验之前，填写一份关于气质类型的测试问卷，根据测试问卷的结果将驾驶人分为4 个类型：多血质，胆汁质，抑郁质以及粘液质，具体情况见表2。按照这4类驾驶人的行为表现，将多血质和胆汁型合并，称其为外向型，共有8人；将粘液型和抑郁质合并为一类，共有24人，称之为内敛型。外向型驾驶人驾驶车辆车速较快，处理复杂交通状况能力较弱；内敛型驾驶人行驶稳妥，能够冷静面对复杂交通状况，但对突发事件处理能力较差。

表2 驾驶人气质测试结果Tab.2 Test results of driver temperament

2.3 实验地点

选择重庆主城区南山立交作为此次实车试验的地点，路面状况与行驶条件均良好。选取的数据为南山立交实车试验数据的一部分，具体交织区位置见图2。该交织区为典型的A类交织区，每条车道上的车流需要经过至少1 次变换车道才能完成交织。按照交织区长度计算要求，将入口三角区上车道右边缘至汇合车道左边缘的距离为0.6 m的位置作为交织区起点，以出口三角区车道右边缘至分离车道最边缘距离3.7 m 的位置作为终点，所得到的实际测量交织区长度为130 m。为保证交织区数据前后连贯性，将实验数据提取范围定为200 m至300 m。

图2 试验地点Fig.2 Test sites

2.4 实验流程和数据处理

本文的实验地点为重庆南山立交，驾驶实验的行驶路径为匝道C→匝道D→匝道E，从匝道C驶出须经过交织区方能进入匝道D。每位驾驶人沿行驶路径行驶3次，剔出掉异常或者无效数据之后，每位被试将会输出2～3组交织区行为数据。

不同的车载设备的数据采集频率有所差别，Speedbox 采样频率为20 Hz，Mobileye 为10 Hz。由于不同驾驶人的速度幅值存在差异性，将时间轴转换为里程轴后，里程值为不定间隔并且不同驾驶员之间不一致。为此，用插值方法对数据进行等间隔处理，间隔值为1 m。

3 交织区的速度特征

3.1 速度的整体特性

从驾驶数据中截取交织区以及前后一定距离范围内的各驾驶人每次行驶的速度数据，然后将全部的速度曲线叠加在同一坐标系内（见图3（a）），可以看到速度在交织区内（13～143 m 范围内）整体上呈下降趋势，起始速度主要集中在38～52 km/h之间，而离开交织区时的速度集中在30～43 km/h之间。

在每个1 m间隔点上提取出85 th分位车速、平均车速和15 th 分位车速，见图3（b）。从中能看到速度离散性（85 分位速度与15 分位速度之间的差值）在进入交织区时先是有所增加，然后逐渐减弱。85 th分位速度呈单调下降趋势，而均值速度在交织区内降低至36 km/h左右然后维持不变。

车辆行驶是高度动态的过程，尤其是小客车。利用滤波程序对Mobileye输出的速度数据进行平滑处理消除毛刺，然后在进行差值处理，按照0.1 s 的间隔提取实验车辆的加减速瞬态值，得到车辆纵向加速度分布，见图4。可以看到车辆加、减速度值在± 0.5 m/s2范围内分布。

提取驾驶人在交织区入口和出口的地点速度，按驾驶人序号排列（见图5（a）），绝大部分驾驶人的进口速度要高于出口速度。在正常情况下，驾驶人在驶入2股或多股以上交通流交织区域时，会依据驾驶经验进行速度调整，以便更好地完成车辆换道操作。该交织区分流位置衔接为匝道，限速40 km/h，因此驾驶人驶出交织区时速度维持在40 km/h附近。图5（b）是交织区入口和出口的累计频率曲线，以85th百分位速度为例，入口速度比出口速度高10 km/h左右。

图3 驾驶人连续行驶速度曲线Fig.3 Drivers'continuous driving speed curve

图4 交织区内的纵向加速度分布Fig.4 Longitudinal Acceleration Distribution within weaving areas

3.2 速度选择行为的性别差异性

将行驶速度按照驾驶人性别进行分组，以速度作为检验变量进行独立样本T 检验，结果见表3，由表中可以看出不同性别的行驶速度在交织区内具有显著差异性（显著性＜0.05），男性驾驶人略大于女性驾驶人，平均车速相差2.3 km/h。为了更好的分析二者之间的差异，利用SPSS 软件获得以性别为横坐标，速度为纵坐标的箱形图6（a）。在图6 中男性驾驶人无离散值，女性驾驶人的离散值更多集中出现在交织区出口。男驾驶人在各20 m 分段处的最高车速均大于女性，这表明男驾驶人更喜欢以较高的速度行驶。

图5 驾驶人进出口速度分布Fig.5 Drivers'import and export speed distribution

图6 交织区以及邻近路段的车辆速度箱线图Fig.6 box diagram of vehicle speed within weaving section and adjacent sections

过快的车速意味驾驶员未按照设计预期进行减速操作，会对其他进入匝道的车辆的交通安全构成严重威胁。因此建议在匝道进口处设立限速标志牌，加强驾驶员的速度控制意识。

表3 T 检验结果Table 3 T-Test results

3.3 气质类型的影响

将行驶速度按照驾驶人气质类型进行分组，以速度作为变量进行独立样本T 检验，结果见表4，不同气质驾驶人的行驶速度是具有显著差异性（显著性＜0.05），外向型与内敛型驾驶人在交织区内的平均车速相差0.8 km/h，外向型性驾驶人的速度值略大，驾驶风格更为大胆。利用SPSS 软件获得以驾驶风格为横坐标，以速度为纵坐标的箱线图6（b），外向型驾驶人在进入交织区的前40 m 的速度小于内敛型驾驶人，但在后面的160 m 外向型驾驶人的速度大于内敛型驾驶人。

表4 T 检验结果Tab.4 T-Test results

3.4 交织区减速长度

一些驾驶人进入交织区会经历“减速-加速”的过程，见图7(a)。按性别和气质类型分别提取出交织区内的减速长度，并以10 m 为1 个长度单位，得到减速长度频数分布，从图7(b)～(c)能发现，性别因素对减速长度无显著影响；而驾驶风格对减速长度的影响则非常显著，外向型驾驶人习惯的减速距离非常短，即更愿意以较高的速度完成车辆换道。

统计出减速长度的特征百分位值，结果见表5。在前50 百分位的减速长度中，男性驾驶人的减速长度值都是大于女性驾驶人，而在后50 百分位值均小于女性驾驶人。不同风格驾驶人在各百分位值上则表现出来的是内敛型驾驶人均高于外向型驾驶人。

图7 车辆减速行为特性分布Fig.7 Distribution characteristics of vehicle deceleration speed behavior

表5 减速特征点长度Tab.5 Deceleration feature point

4 交织区的车辆运行轨迹

车载Mobileye 数据中包含道路曲率数据，以及两侧车轮的“轮迹线-车道边线”横向距离数据，分别为dyL 和dyR，进而可以准确判别出车辆在行车道内的横向位置以及车辆的换道行为。根据dyL 和dyR 可以计算出车辆形心位置，进而得到车辆轨迹线。实验结束后从行车轨迹中提取每名驾驶人在通过交织区时的横向位置变化，共得到78条行驶轨迹线。为了能够更清楚的掌握轨迹线在交织区以及前后范围内的变化特征，轨迹截取范围延展至驶入匝道之后50 m。

4.1 行驶轨迹的性别差异性

图8（a）是车辆在交织区范围内的轨迹线，并依照男、女性别对轨迹线做了颜色标记，男、女性驾驶人的行驶轨迹线分别为40 和38 条。图中的纵坐标为行驶距离，交织区范围为13～143 m，其余为邻近路段。纵坐标中0～3.75 m 为最内侧车道（也是驾驶人经过车辆交织后的目标车道），3.75～7.5 m 为中间车道，7.5～11.25 m 为驾驶人进入交织区时的车道，即初始车道。

将行车轨迹分为3 个阶段：准备阶段、换道阶段、汇入阶段，由图8（a）中可以明显看出男、女驾驶人在驾驶车辆通过交织区的差异性。从起始位置来看，处于准备阶段的男驾驶人与女驾驶人都更倾向于将车靠近车道右边缘行驶，但女驾驶人的轨迹束更集中。从换道轨迹来看，男性驾驶人在进入交织区后，更早启动换道操作汇入目标车流，汇入位置集中于120～135 m处，而女性驾驶员则会在准备阶段花费更多的时间对周围环境进行感知，再决定开始换道操作，汇入位置集中于130～140 m 处。因此，男驾驶人比女驾驶人出现更多的交通冲突，比如旁边车道驶入车辆会导致正在转向的本车突然减速，或者是前方车辆速度下降使换道操作中止等，都会导致实际的换道轨迹严重偏离预期轨迹。

在汇入目标车道阶段，男驾驶人的轨迹线分布比女性要更分散，回看行驶过程视频时发现，男驾驶人在汇入时出现了更多的穿越三角区行为，而压三角导流线是非常危险的驾驶行为，极易引起交通拥堵以及交通事故的发生。

4.2 驾驶人气质类型差异

提取78条行车轨迹线，按照驾驶人气质类型进行分类，外向型驾驶人与内敛型驾驶人分别有19条和59条轨迹线，得到图8（b）。

对比外向型与内敛型驾驶人的行车轨迹线，能看出：处于准备阶段时，外向型驾驶人起始位置与内敛型驾驶人相同，主要集中在道路中间偏右位置，但存在个别驾驶人的轨迹线过于靠右；在换道阶段，外向型驾驶人汇入位置集中在110～120 m，140～150 m 这2 个区间，占比为31.6%，36.8%；而内敛型驾驶人集中于110～120 m,130～150 m 这2个区间之内，占比为28.7%和48.7%，其中140～150 m之间汇入目标车道的行车轨迹总共有15条，占总行车轨迹数的32.2%。

图8 交织区以及邻近路段的车辆行驶轨迹线Fig.8 Vehicles track in weaving areas and adjacent sections

140～150 m是危险汇入位置，此时车辆已经靠近匝道入口位置，有极大概率需要压过三角导流线进行最后的汇入。如果驾驶人未能控制好车速或者是盲目信任自己的驾驶经验而忽略实际情况，都会导致车辆汇入不及时，出现交通事故。因此，应该加强对驾驶人行驶安全意识的培训，尤其是外向型驾驶人。

5 车辆汇入行为特性

汇入位置（见图9）是车辆汇入行为的重要参数，而车辆的汇入行为也会对交织区车流的正常运行产生不同的影响。驾驶人进入交织区的适应性可以用换道持续时间来表示，换道持续时间是指目标车辆从原车道开始偏移到完全汇入目标车道的过程，较短的换道时间侧面表明驾驶人能够更快的融入交织区行驶环境，降低对直行车流的影响。

图9 汇入行为示意图Fig.9 Import behaviors

5.1 驾驶人汇入行为的性别差异

男性和女性驾驶人的汇入位置及换道时间见图10。根据交织区的长度范围（距起点13～143 m），安全汇入位置不得超过143 m，因此高于143 m 的汇入为危险驾驶行为。在图10 中能看到男性驾驶人汇入位置超过143 m 的占20%，而女性驾驶人占2.63%，即男性显著高于女性，在一定程度上解释了交通事故率男性高于女性的原因。

使用独立样本T 检验分析男性、女性驾驶人的汇入行为，因变量分别为汇入目标车道的纵向位置与换道时间，自变量是驾驶人性别。独立样本T 检验结果见表6，检验结果表明，车辆汇入位置以及换道时间在性别方面具有显著差异（显著性＜0.05）。一方面，男性驾驶人的平均汇入位置比女性驾驶人提前5.75 m，换道过程持续时间平均减少近0.5 s，表明男性驾驶人在提前换道意识要强于女性驾驶人；另一方面，标准偏差的增加表明男性驾驶员汇入位置的不定性更高，比女性更易出现危险驾驶行为。

表6 T 检验结果Tab.6 T-Test results

为保证交织区驾驶安全性，驾驶人须在交织长度范围内汇入目标车流。该交织区长度较短，驾驶人需要在130 m内完成判断换道类型，寻找可穿越间隙，执行换道操作等，这对驾驶人的驾驶经验以及驾驶适应性提出了更高的要求。因此，在利用动静态交通标志、标线或人车路协同控制的方式提前梳理交通，排除隐患外，还建议对驾驶人进行针对性的驾驶安全培训，保证交织区驾驶意识熟练，提高驾驶安全性。

5.2 驾驶人气质类型差异

外向型、内敛型驾驶人汇入位置及换道时间见图11。外向型驾驶人汇入位置超过143 m 的占26.3%，而内敛型驾驶人占6.8%。对比2种类型驾驶人汇入时的车速，外向性驾驶人车速普遍维持在40～50 km/h，而内敛型驾驶人将车速控制在匝道安全车速以下。因此，外向型驾驶人出现危险驾驶行为的情况高于内敛型驾驶人。

图10 车辆汇入行为的性别差异Fig.10 The impact of driver's gender on vehicle merging behaviors

图11 气质类型对车辆汇入行为的影响Fig.11 The impact of driver's disposition on vehicle merging behaviors

使用独立样本T检验分析不同气质类型驾驶人的汇入行为，因变量分别为车辆汇入目标车道纵向位置与换道时间，自变量是气质类型，检验结果见表7，结果表明车辆汇入位置在性别方面无显著差异（显著性＞0.05），换道时间有显著性差异（显著性＜0.05）。

表7 T 检验结果Tab.7 T-Test results

从汇入位置来看，外向型驾驶人平均汇入位置与标准偏差比内敛型驾驶人都有所增加。从换道时间来看，外向型驾驶人平均换道时间为9.395 s，较之于内敛型驾驶人减少了近1.7 s，表明气质的驾驶人在换道意识上有明显的不同，外向型驾驶人往往会较为快速的进行换道操作，而内敛型驾驶人会考虑多方面因素，导致换道时间迟缓。这个结果反映出来的问题是双面的：一方面，迅速的换道能够更好的为进入匝道做足准备，但也容易出现观察不足造成的突然减速，中断当前所在车道的正常行驶；另一方面，充足的换道准备可以使车辆安全的进入目标车道，但也会出现因素考虑过多而导致以危险距离汇入车流。在城市道路立交中分流区与合流区之间间隔一般不超过200 m，这就造成了驾驶人在交织区域必须迅速的完成换道操作，否则会有极大的可能产生交通拥堵以及路线偏差。

综合车辆汇入特性与车辆速度特性实车数据，不同气质的驾驶员差异较大，外向型驾驶员车速较快，换道时间短；内敛型则相反，速度普遍较小，且需要更长的换道时间。