張?zhí)m芳,錢殷慧,陸 薇,楊旻皓
(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海201804;2.國(guó)雙科技有限公司分析咨詢部,上海200040;3.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司道路與橋梁設(shè)計(jì)研究院,上海200125)
出匝換道行為引起的交通事故風(fēng)險(xiǎn)是影響城市快速路出口影響區(qū)行車安全的重要因素。城市快速路多為八車道或六車道且伴有常態(tài)化的交通擁擠,車輛通常無法進(jìn)行自由換道,駕駛?cè)送ǔ?huì)減速等待換道機(jī)會(huì)或冒著與周圍車輛發(fā)生碰撞的高風(fēng)險(xiǎn)而強(qiáng)行擠車換道,確保在出口前完成換道;部分直行車輛會(huì)因避免紊流而選擇向左側(cè)換道。駕駛?cè)祟l繁地調(diào)整車速和變換車道,造成出口影響區(qū)交通流擾動(dòng),增加了車輛運(yùn)行的復(fù)雜性和事故風(fēng)險(xiǎn)。合理的車道管理能夠規(guī)范出匝車輛的換道位置,減少交通沖突,提升通行效率,從而保障出口影響區(qū)交通運(yùn)行的安全有序。因此,深入研究出口影響區(qū)內(nèi)由換道行為引發(fā)的事故風(fēng)險(xiǎn),優(yōu)化車道管理,對(duì)提高城市快速路運(yùn)行的安全有序具有重要意義。
現(xiàn)階段出口影響區(qū)車道管理的主要手段為設(shè)置指示標(biāo)志、路面標(biāo)線等。在車道管理方式的研究中,管理手段主要針對(duì)于指示標(biāo)志的設(shè)置[1],對(duì)標(biāo)線的研究則相對(duì)較少。國(guó)外對(duì)于標(biāo)線的研究偏向于材料層面,如標(biāo)線的反射率[2]和耐久性[3]等指標(biāo);國(guó)內(nèi)多集中在減速標(biāo)線的設(shè)計(jì),如減速標(biāo)線的視認(rèn)性[4]、材料選取[5]以及參數(shù)設(shè)計(jì)[6]等;少量的研究人員對(duì)標(biāo)志標(biāo)線的設(shè)置位置和布設(shè)形式進(jìn)行了研究[7-9],但這些研究大多基于理論分析,很少考慮換道行為風(fēng)險(xiǎn)的影響。
在換道風(fēng)險(xiǎn)研究方面,自 1986 年 Gipps[10]提出第一個(gè)基于規(guī)則的換道模型以來,國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在換道行為特征與模型等方面開展了深入研究。Ahmed 等[11]用數(shù)學(xué)解析方法建立了換道決策模型;Worrall[12]最早提出了基于馬爾可夫鏈的換道模型;唐陽(yáng)山等[13]根據(jù)車輛實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,結(jié)合各車的初始橫向位置,運(yùn)用Matlab 對(duì)不同碰撞臨界時(shí)間順序的換道模型危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)進(jìn)行了仿真分析。盡管已經(jīng)開展了大量的換道特征和風(fēng)險(xiǎn)模型研究,但許多研究都集中于城市快速路基本路段[14]、匝道合流區(qū)[15]、高速公路[16]等路段,對(duì)城市快速路出口影響區(qū)的換道風(fēng)險(xiǎn)研究相對(duì)較少。
此外,目前用于分析換道行為的數(shù)據(jù)大多來源于視頻錄像[17]或模擬駕駛[18],由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境對(duì)駕駛?cè)诵袨榈母蓴_和心理暗示,很難反映實(shí)際道路環(huán)境下的駕駛行為;研究方法大多基于理論計(jì)算[19]或交通仿真[20],交通仿真無法精確再現(xiàn)復(fù)雜的交通環(huán)境,難以準(zhǔn)確地描述不同道路交通狀況下出匝車輛多次換道的行為規(guī)律。
本文主要基于上海自然駕駛實(shí)驗(yàn)(SH-NDS),自然駕駛實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谧匀粻顟B(tài)下(無實(shí)驗(yàn)人員出現(xiàn)、無干擾、日常駕駛狀態(tài)下)不間斷地記錄駕駛員行為、車輛運(yùn)行及周邊環(huán)境信息,實(shí)驗(yàn)共采集60 名中等技術(shù)駕駛員近三年的全天候近161 055 km的日常駕駛數(shù)據(jù),包括駕駛員操作信息、車輛的運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息以及周圍車輛和環(huán)境信息等。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法相比,自然駕駛實(shí)驗(yàn)采集的是駕駛員日常駕駛行為數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)具有真實(shí)性、完整性和高效性,是分析換道行為特征和風(fēng)險(xiǎn)研究的有力支撐。
本文基于上海市城市快速路自然駕駛數(shù)據(jù),提取出口影響區(qū)出匝換道行為樣本,建立出口影響區(qū)換道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),分析不同道路交通條件下的換道行車風(fēng)險(xiǎn),建立換道風(fēng)險(xiǎn)模型,預(yù)測(cè)一定條件下車輛存在換道風(fēng)險(xiǎn)的概率,基于實(shí)際道路交通狀況(包括換道車速、周圍車輛平均速度、換道持續(xù)時(shí)間),依據(jù)所建立的模型,提出有效的城市快速路出口車道管理方法,從而規(guī)范出口影響區(qū)駕駛員的換道行為,控制出匝車輛的換道風(fēng)險(xiǎn),減少由于車輛出匝換道引發(fā)的交通擁堵和交通事故。
自然駕駛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成毫米波雷達(dá)、三軸加速度儀、視頻采集設(shè)備、OBDⅡ標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄儀、全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊以及各類傳感器等,設(shè)備功能和精度要求分別見表1和表2,該系統(tǒng)還可以采集和標(biāo)定多個(gè)周圍車輛的相對(duì)位置、速度等特征。
表2 數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)定義Tab.2 Definition of data acquisition standard
自然駕駛實(shí)驗(yàn)的單次出行記錄包含實(shí)驗(yàn)車輛從點(diǎn)火到熄火全過程的駕駛行為數(shù)據(jù),駕駛員按照日常工作生活需求自主選擇行駛路線,數(shù)據(jù)時(shí)空分布高度離散且數(shù)據(jù)樣本量極其龐大,需要從龐雜的原始數(shù)據(jù)中提取出口影響區(qū)范圍內(nèi)的出匝換道樣本。
采集與提取過程主要分為4步,如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)采集與提取過程Fig.1 Procedure of data collection and extraction
基于Matlab 編程和Google Earth 路徑檢索,采用以K近鄰算法和軌跡點(diǎn)偏移距離計(jì)算為內(nèi)核的路徑匹配方法,篩選出城市快速路出口影響區(qū)的記錄,排除城市道路、高速公路、城市快速路基本路段的無關(guān)數(shù)據(jù)。
本文針對(duì)三種常見的雙向八車道城市快速路出口類型(出口形式簡(jiǎn)寫為“a-b+c”,a 表示出口區(qū)單向車道數(shù),b表示基本路段單向車道數(shù),c表示匝道車道數(shù)):?jiǎn)诬嚨莱隹冢?-4+1),雙車道出口(4-4+2)和設(shè)輔助車道的雙車道出口(5-4+2),分別提取快速路出匝樣本,共提取上海市中環(huán)路“4-4+1”、“4-4+2”、“5-4+2”出口的出匝換道樣本數(shù)量各 79、82 和76例。三種類型出口的示意如圖2所示。
圖2 各類型快速路出口示意圖Fig.2 Diagram of each type of expressway off-ramp areas
在篩選出出匝樣本的基礎(chǔ)上,需要針對(duì)各次出匝過程完成影響區(qū)范圍內(nèi)換道行為的識(shí)別。換道樣本的提取包含兩大關(guān)鍵點(diǎn):①識(shí)別目標(biāo)車輛在出口影響區(qū)范圍內(nèi)換道行為的發(fā)生;②確定換道實(shí)施過程的時(shí)空起終點(diǎn)。首先,根據(jù)張?zhí)m芳等[21]提出的利用車道偏移參數(shù)LO指標(biāo)進(jìn)行出口換道樣本識(shí)別;再采用車道偏移參數(shù)突變前后斜率為0 的拐點(diǎn),確定換道實(shí)施起點(diǎn)和換道完成終點(diǎn),而位于其間的車道偏移參數(shù)突變點(diǎn)定義為換道中點(diǎn)[22],如圖3所示。
圖3 換道實(shí)施過程時(shí)空起終點(diǎn)判斷示例Fig.3 An example of temporal and spatial venue of lane-change
本文將快速路出口上游段特定范圍內(nèi)車輛換道行為集中的區(qū)域定義為出口換道影響區(qū)。根據(jù)張?zhí)m芳等[16]提出的對(duì)于多車道高速公路出口影響區(qū)具體位置范圍的確定方法:首先將所有出匝車輛在不同車道的起始換道位置距出口的距離進(jìn)行升序排列,并作出相應(yīng)的累積頻率曲線圖,如圖4所示。其次,根據(jù)累積頻率圖可知,0~85%范圍能夠表征在不考慮交通狀態(tài)差異下自然駕駛實(shí)驗(yàn)中大多數(shù)駕駛員執(zhí)行出匝換道行為的位置分布,據(jù)此定義0~85%分位值區(qū)間范圍作為出口影響區(qū)范圍。作出三種類型出口的影響區(qū)示意圖,如圖5所示,圖中陰影部分即表示所劃定的出口影響區(qū)。由圖5 可以發(fā)現(xiàn),隨著出口的臨近,換道影響區(qū)域從內(nèi)側(cè)向外側(cè)車道逐漸擴(kuò)展;“4-4+2”出口和“4-4+1”出口集中換道區(qū)域基本相似,但“4-5+2”出口存在比較大的差異,靠近最右側(cè)輔助車道第4 車道換道影響長(zhǎng)度最長(zhǎng),一直擴(kuò)展到距出口40 m處,部分車輛未利用輔助車道而直接出匝,嚴(yán)重干擾主線交通流,輔助車道分離主線、出匝交通流的作用未完全發(fā)揮出來,恰好也說明在正常車道和輔助車道之間的車道管理不夠合理。
圖4 換道影響區(qū)范圍確定Fig.4 Determination of lane-change affected zone
為了確定快速路出口高風(fēng)險(xiǎn)換道行為的分布,首先要對(duì)影響區(qū)范圍內(nèi)單次換道行為的安全性進(jìn)行等級(jí)劃分。自然駕駛車輛記錄了目標(biāo)車輛、前車和相鄰車道車輛的信息,因此本文采用改進(jìn)的停車視距法,利用目標(biāo)車輛的換道車速和換道時(shí)前車的速度,計(jì)算目標(biāo)車輛相對(duì)前車的理論安全距離,分析車輛換道的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)反應(yīng)距離為S1,制動(dòng)距離為S2,停車視距為ST,具體計(jì)算過程為
式中:v1為車輛換道速度,km·h-1;v2為前車速度,km·h-1;φ為路面與輪胎的附著系數(shù),取潮濕的瀝青混凝土路面為0.4;ψ為道路阻力系數(shù),取0.03(ψ=f+i,其中f為路面滾動(dòng)阻力系數(shù),取 0.01;i為最大縱坡,取0.02)。
按照式(1)~(3)計(jì)算,可得到目標(biāo)車輛換道時(shí)相對(duì)前車的理論安全距離,理想安全距離由理論安全距離加上10 m的安全距離。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,將車輛換道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)按照:換道時(shí)目標(biāo)車輛與前車距離>理想安全距離、理論安全距離<與前車距離<理想安全距離、與前車距離<理論安全距離,分成A、B、C 三個(gè)級(jí)別,分別代表低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)。等級(jí)C 的樣本又稱為高風(fēng)險(xiǎn)換道樣本,對(duì)應(yīng)的換道風(fēng)險(xiǎn)最高。
從人、車、路域環(huán)境的角度出發(fā),將影響源分為駕駛員可控因素、其他車輛因素和路域環(huán)境因素,評(píng)價(jià)車輛換道的風(fēng)險(xiǎn),具體如表3所示。
圖5 三種出口換道影響區(qū)圖示Fig.5 Lane-change affected zones for three types of off-ramps
表3 換道影響因素分類Tab.3 Classification of lane-change influencing factors
本文針對(duì)不同類型的快速路出口、不同橫向換道位置,分別建立風(fēng)險(xiǎn)模型。對(duì)換道影響因素進(jìn)行顯著性分析和篩選后,確定模型建立所需的自變量為:縱向換道位置(距離出口)x1,m;換道持續(xù)時(shí)間x2,s;換道前車速x3,km·h-1;換道速度x4,km·h-1;換道后速度x5,km·h-1;周圍車輛平均速度x6,km·h-1。因變量為一次換道時(shí)發(fā)生高風(fēng)險(xiǎn)換道的概率(存在換道風(fēng)險(xiǎn)的概率)。各變量的具體信息如表4所示。
選擇采用二項(xiàng)logistic模型建立不同因素影響下的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)換道的概率模型,模型表達(dá)式可寫成式(4)的形式。
表4 自變量集Tab.4 Set of independent variables
式中:自變量x為 3.2 小節(jié)中提出的變量x1~x5;w為權(quán)重;b為偏置;Y=1指一次換道為高風(fēng)險(xiǎn)換道;P(Y=1)為高風(fēng)險(xiǎn)換道的概率。利用主成分分析和旋轉(zhuǎn)法將6個(gè)自變量轉(zhuǎn)換為綜合車速變量r1、換道位置變量r2,以及換道持續(xù)時(shí)間變量r3,三個(gè)新成分變量與原始自變量的具體關(guān)系如式(5)~(7)所示:
基于赤池信息準(zhǔn)則,剔除不顯著的變量r3,利用r1、r2兩個(gè)變量,分別對(duì)不同類型的快速路出口、不同橫向換道位置的出匝換道樣本建立二項(xiàng)logistic 模型,確定不同變量對(duì)換道風(fēng)險(xiǎn)的定量影響程度,并預(yù)測(cè)一次具體的出匝換道過程中,車輛存在換道風(fēng)險(xiǎn)的概率。下面以5-4+2出口橫向換道2-3為例,其參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
由表5可知,r1、r2對(duì)出匝車輛存在換道風(fēng)險(xiǎn)的概率影響顯著(p<0.05)。換道車速與周圍車輛的速度差越大,換道風(fēng)險(xiǎn)越高;縱向換道位置離出口越近,換道風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)地越高。
表5 5-4+2出口、橫向換道2-3的換道模型參數(shù)檢驗(yàn)Tab.5 Variable estimations of 2 to 3 lateral position of lane-change model at 5-4+2 off-ramp
將r1、r2分別用原始變量表示,可得到5-4+2 出口、橫向換道2-3的換道風(fēng)險(xiǎn)模型,如式(8)所示:
采用第2節(jié)中的方法提取不同風(fēng)險(xiǎn)程度的換道樣本作為測(cè)試集,計(jì)算測(cè)試樣本的換道風(fēng)險(xiǎn)概率,計(jì)算得出85%高風(fēng)險(xiǎn)換道樣本的換道風(fēng)險(xiǎn)概率大于30%。以30%的換道風(fēng)險(xiǎn)概率判斷測(cè)試樣本的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),正確率最高,故在對(duì)測(cè)試集樣本進(jìn)行判斷時(shí),把換道風(fēng)險(xiǎn)概率大于30%的樣本視為高風(fēng)險(xiǎn)換道樣本,剩余的樣本視為正常換道樣本。本文所建立的二項(xiàng)Logistic 模型對(duì)測(cè)試集樣本判斷的正確率高于80%,預(yù)測(cè)精度很高。如圖6所示,由受試者工作特征曲線(receiver operator characteristic curve,ROC)計(jì)算得到的5-4+2 出口、各橫向換道位置對(duì)應(yīng)的ROC 曲線下的面積(AUC)值均大于0.6,表示本文所建立的換道風(fēng)險(xiǎn)模型泛化能力相對(duì)較好,具有一定的預(yù)測(cè)價(jià)值,可以為城市快速路的車道管理提供有效的理論支撐。
由第3 節(jié)分析可得,縱向換道位置和換道車速是影響城市快速路出口影響區(qū)換道風(fēng)險(xiǎn)的兩個(gè)主要因素,而針對(duì)個(gè)體車輛的換道車速調(diào)控較難實(shí)現(xiàn),因此,本文的車道管理方法主要是先基于出口影響區(qū)的車輛運(yùn)行信息和換道風(fēng)險(xiǎn)模型,確定出匝車輛的合理?yè)Q道位置,再結(jié)合其現(xiàn)狀的車道管理,給出車道管理的具體改善方法。下面以5-4+2出口為例進(jìn)行說明。
圖6 模型評(píng)價(jià)ROC圖Fig.6 ROC evaluation
根據(jù)3.3 節(jié)建立的換道風(fēng)險(xiǎn)模型,若確定車輛的換道風(fēng)險(xiǎn)控制水平,在假定各變量取值的前提下,可推算出不同交通環(huán)境和車速條件下,在不同橫向車道上的車輛縱向換道位置參考值。車輛在此縱向位置前換道,發(fā)生換道風(fēng)險(xiǎn)的概率比較低,因此,也可稱為合理(最遲)換道位置。下面以5-4+2 出口,橫向換道2-3 為例,最遲換道位置計(jì)算公式如式(9)所示。式中,logit是指使用二項(xiàng)Logistic模型反解出對(duì)應(yīng)不同的因變量的自變量的取值范圍。
3.4節(jié)分析中將換道風(fēng)險(xiǎn)概率大于30%的樣本視為高風(fēng)險(xiǎn)換道樣本,為保證車輛換道的安全性,本文將車輛的換道風(fēng)險(xiǎn)控制在10%以內(nèi),故P(Y=1)取10%。假定換道持續(xù)時(shí)間x2取6 s(自然駕駛樣本中,車輛進(jìn)行換道的持續(xù)時(shí)間的中位數(shù)為6 s);考慮到工程運(yùn)用的方便性,假設(shè)換道前車速x3、換道車速x4、換道后車速x5三者數(shù)值相同,均取為換道車速值(換道車速比其他兩種速度值大,換道風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)更大,按換道車速計(jì)算,符合實(shí)際的安全需求)。當(dāng)換道車速x4和周圍車輛平均車速x6的取值確定時(shí),可計(jì)算不同橫向換道的最遲換道位置,如式(10)所示:
然而,在實(shí)際應(yīng)用中,快速路出口影響區(qū)的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)往往不能快速、完整地獲得,因此,本文針對(duì)三種車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取情況,分別提出車輛最遲換道位置的計(jì)算方法:①可獲得具體車輛運(yùn)行狀態(tài)和交通流狀態(tài)數(shù)據(jù)的快速路出口影響區(qū);②僅可獲得斷面平均車速的快速路出口影響區(qū);③未有車輛運(yùn)行相關(guān)信息的新建快速路出口影響區(qū)。
第①種情況可按式(10)計(jì)算出車輛在不同橫向換道時(shí)的縱向最遲換道位置;第②種情況可利用式(10)分別計(jì)算各類型出口、各橫向換道、不同交通擁擠程度(不同周圍車輛車速范圍)下的安全換道樣本的最遲換道位置,并取第15%(按照到出口的距離由大到小的順序排序)的換道位置作為該交通環(huán)境下的最遲換道位置。以5-4+2 出口在暢通條件下(周圍平均車速>78 km·h-1),橫向換道2-3、3-4 和4-5/6為例,計(jì)算結(jié)果如表6所示。
對(duì)于第③種情況,可根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[23],由新建城市快速路的服務(wù)水平查到對(duì)應(yīng)的平均車速,作為出口影響區(qū)的斷面平均車速,后續(xù)步驟參考第②種情況。表7 是設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km·h-1,道路服務(wù)水平為三級(jí)的城市快速路上,5-4+2 出口各橫向換道的縱向最遲換道位置。
表6 5-4+2 出口各橫向換道的最遲換道位置(基于斷面平均車速)Tab.6 Latest lane-change positions at different lateral positions of 5-4+2 off-ramp(based on sectional average speed)
表7 5-4+2 出口各橫向換道的最遲換道位置(基于服務(wù)水平等級(jí))Tab.7 Latest lane-change positions at different lateral positions of 5-4+2 off-ramp(based on level of service)
基于4.1 計(jì)算得到的車輛最遲換道位置,下面將從車道分界線的設(shè)置、出口引導(dǎo)標(biāo)志的設(shè)立和駕駛員個(gè)性化服務(wù)三個(gè)方面提出車道管理方法,對(duì)駕駛員的換道位置進(jìn)行管理,如圖7 所示。圖中,①~③表示4.1節(jié)中三種車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取情況。
圖7 基于換道風(fēng)險(xiǎn)模型的換道位置管理方法流程Fig.7 Flowchart of management methods of lane-change position based on lane-change risk model
最遲換道位置能夠?yàn)槌鞘锌焖俾烦隹诘能嚨婪纸缇€的設(shè)置提供依據(jù):將最遲換道位置到出口鼻端之間的車道分界線設(shè)置為實(shí)線;最遲換道位置之前的可換道區(qū)域的車道分界線設(shè)置為虛線。
對(duì)于多車道快速路,為確保車輛在出口前及時(shí)換道,可在最遲換道位置前的道路左側(cè)設(shè)立懸臂式或門架式出口引導(dǎo)標(biāo)志,提醒駕駛員及時(shí)進(jìn)行換道。
近幾年智能交通技術(shù)的逐漸成熟,未來基于換道位置的管理方法還可以為車輛駕駛員提供個(gè)性化的服務(wù),通過車路信息的實(shí)時(shí)交互,車載設(shè)備可提醒駕駛員在合理的位置進(jìn)行換道,更具有及時(shí)性和針對(duì)性。
本文基于自然駕駛數(shù)據(jù)提取了三種常見出口類型的城市快速路出匝換道行為樣本,提出了出匝換道風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)方法,建立了二項(xiàng)Logistic換道風(fēng)險(xiǎn)的概率模型,解析了各因素對(duì)換道風(fēng)險(xiǎn)的定量影響程度;在該模型基礎(chǔ)上,以5-4+2出口為例,提出了基于換道位置的具體車道管理方法。論文所提出的換道風(fēng)險(xiǎn)模型和車道管理方法適用不同的快速路出口類型和橫向換道位置,具有實(shí)用性和針對(duì)性。
由于論文研究采用的數(shù)據(jù)源于往期自然駕駛實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)樣本有限,后期可進(jìn)一步擴(kuò)展數(shù)據(jù)樣本,優(yōu)化換道風(fēng)險(xiǎn)模型的精度和可移植性。另外交通是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程,未來利用智能交通對(duì)道路進(jìn)行更有針對(duì)性的動(dòng)態(tài)車道管理,設(shè)置可變的標(biāo)線、標(biāo)志牌,也是今后研究的方向。