吳宇晟，馬永磊，李孟暉

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027)

隨著交通流量的持續(xù)增長，高速公路服務(wù)水平不斷降低，個別路段擁堵嚴重，已不能適應(yīng)區(qū)域交通運輸需求。京滬(北京—上海)高速公路是高速公路網(wǎng)絡(luò)中主干線，承擔(dān)著南北方向的主要交通運輸任務(wù)，其改擴建具有大交通量的工程施工、影響路網(wǎng)的規(guī)模較大的特征，有必要科學(xué)系統(tǒng)地探究京滬高速公路改擴建施工期間的通行安全。

道路沖突技術(shù)于20世紀50年代應(yīng)用于交通安全領(lǐng)域。張南等基于后侵入時間將交通沖突劃分為3個等級，并對影響交通沖突嚴重程度的因素進行了分析。Guo Yanyong等基于交通沖突技術(shù)對交叉口左轉(zhuǎn)車輛的交通沖突和嚴重程度進行分析，確定了左轉(zhuǎn)彎車道沖突車輛百分比。Suwarto F.等通過分析城市交叉口的交通沖突數(shù)，提出了基于距離事故發(fā)生時間的道路沖突嚴重程度劃分方法。Shen Li等使用替代安全評估模型和VISSIM對高速公路合并區(qū)進行了安全評估。李燊使用碰撞時間作為交通沖突評價指標劃分交通沖突嚴重程度。鄭展驥等運用間隙接受理論研究了道路行駛沖突對車頭時距和交通流特性的影響，并確定了道路沖突區(qū)間。Mahmud S.M.S.等分析了發(fā)展中國家道路安全問題和現(xiàn)有碰撞數(shù)據(jù)庫的局限性，認為使用交通沖突技術(shù)評價道路安全已相當(dāng)成熟。丁柏群等基于交通沖突數(shù)據(jù)提出了沖突嚴重度模型，并采用道路沖突技術(shù)確定了交叉口的潛在危險狀況。張詩雯等基于交通沖突指標距離碰撞時間和后侵入時間構(gòu)建間接交通沖突模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊系統(tǒng)模型，判別貨車比例與交通沖突的關(guān)系。林蘭平通過量化車頭時距、交通量，提出后侵入時間的概念，并據(jù)此判別交通沖突嚴重程度。上述對施工作業(yè)區(qū)交通安全的研究大多忽略了車輛危險駕駛行為，而這些行為對周邊車輛會產(chǎn)生較大沖突。該文采用京滬高速公路揚州段視頻數(shù)據(jù)獲取車輛的行駛速度特征，識別危險駕駛行為車輛，并對交通沖突模型進行測試。

1 高速公路施工作業(yè)區(qū)危險駕駛識別

危險駕駛行為的檢測設(shè)備包括：1) 用戶隨身攜帶的設(shè)備即手機。手機中包含GPS、藍牙、Wi-Fi等多種傳感設(shè)備，通過這些傳感器可獲得多種駕駛行為數(shù)據(jù)。2) 道路監(jiān)控設(shè)備。當(dāng)前高速公路上布設(shè)了雷達、攝像頭等信息設(shè)備，可有效采集車輛行駛狀況，如車輛速度、軌跡等，為危險駕駛行為分析提供數(shù)據(jù)支撐。3) 車載信息設(shè)備。隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，車載設(shè)備越來越智能化，可實時記錄車輛行駛速度、加速度、轉(zhuǎn)角速率等數(shù)據(jù)，保障高速公路施工作業(yè)區(qū)危險駕駛行為的可靠識別。

該文基于高速公路監(jiān)控設(shè)備視頻數(shù)據(jù)分析和識別危險駕駛行為，將危險駕駛行為分為分心駕駛、超速駕駛和魯莽駕駛3類。分心駕駛主要表現(xiàn)為駕駛員在高速公路施工作業(yè)區(qū)邊開車邊使用手機，如觀看網(wǎng)頁、看視頻、打電話等，這些行為嚴重阻礙駕駛員對車輛的正常操作，給道路通行安全帶來很大隱患。超速駕駛的識別主要根據(jù)施工區(qū)當(dāng)前限速狀況，通過監(jiān)測車輛行駛速度確定車輛是否超速。魯莽駕駛主要通過判別車輛運行狀況進行識別，如是否急變道、急變速等。

1.1 分心駕駛的識別

通過監(jiān)測高速公路施工作業(yè)區(qū)駕駛員實時狀態(tài)(是否使用手機)識別分心駕駛行為。設(shè)當(dāng)前時間窗口內(nèi)車輛行駛狀態(tài)為Kt，Kt=1為車輛在道路上正常行駛，Kt=0為車輛停止在道路上。以Ft表示駕駛員當(dāng)前特征，F(xiàn)t=1表示正在查看手機，F(xiàn)t=-1表示未查看手機。采用連續(xù)10個窗口(樣本數(shù)N)的數(shù)據(jù)進行分析，滑動窗口之間重疊1 s，保證算法的穩(wěn)定性。分辨率和總識別窗口分別設(shè)為1 s、10 s。分心駕駛概率Pt按下式計算：

(1)

根據(jù)式(1)，駕駛員使用手機(Ft=1)時分心駕駛概率Pt增大，反之Pt減??；車輛處于停止狀態(tài)(Kt=0)時Pt=0，表示駕駛員未在行駛過程中使用手機，因而未識別為分心狀態(tài)。設(shè)定：若Pt≤0.4，分心駕駛程度較低，危險性較?。蝗?.40.6，分心駕駛程度較高，危險性較高。

1.2 超速駕駛的識別

通過獲取作業(yè)區(qū)車輛當(dāng)前位置的速度、路口狀況和限速等信息進行超速駕駛識別(見圖1)。

圖1 超速及違停識別流程

1.3 魯莽駕駛的識別

1.3.1 模型分析與特征提取

與正常行駛的車輛相比，魯莽駕駛車輛的行駛速度、加速度等會出現(xiàn)差異，如急變道、急變速等。通過現(xiàn)代車載信息技術(shù)實時監(jiān)測車輛速度、加速度等行駛特征數(shù)據(jù)，分析車輛急變速、急變道特征。與正常行駛車輛狀況相比，急變速車輛的縱向加速度具有更大的震蕩方差和幅值，急變道車輛的橫向加速度具有更大的震蕩方差和幅值，可通過車輛縱橫向加速度震蕩范圍和方差分析識別魯莽駕駛行為。魯莽駕駛特征提取指標見表1，其中幅值定義為：

表1 魯莽駕駛特征提取指標

Range(x)=Mean[Top10max(x)]-

Mean[Top10min(x)]

(2)

1.3.2 有監(jiān)督分類模型

設(shè)計有監(jiān)督分類算法研究行駛車輛的魯莽駕駛行為，主要包括急變速和急變道。運用支持向量機判別魯莽駕駛行為，包括正常駕駛模式、急變速模式和急變道模式，并采用軟間隔最大分類方法，以增強分類模型的抗噪能力。表達式如下：

(3)

式中：ω為權(quán)重；b為截距；ζi為噪聲擾動；C為軟間隔懲罰系數(shù)；N為觀測樣本數(shù)；xi為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

2 高速公路施工作業(yè)區(qū)交通沖突技術(shù)

車輛在高速公路施工作業(yè)區(qū)行駛過程中通常伴隨跟馳、合流、分流等一系列復(fù)雜的駕駛工況，危險駕駛行為的存在，更加劇了駕駛危險程度。

2.1 高速公路施工作業(yè)區(qū)交通沖突機理與類型

在存在危險駕駛的環(huán)境下，高速公路施工作業(yè)區(qū)交通運行特征與正常道路相比存在顯著差異，車輛行駛過程中需經(jīng)歷跟馳、變道、合流、分流等復(fù)雜駕駛工況，這些復(fù)雜行駛工況正是產(chǎn)生交通沖突的主要原因。車輛的變道和車速的離散，使道路交通沖突的概率大大增加，容易造成嚴重的事故后果。圖2為危險駕駛環(huán)境下高速公路施工作業(yè)區(qū)道路沖突產(chǎn)生過程。

從圖2來看，施工作業(yè)區(qū)道路沖突受到人、車、路等方面屬性的共同作用。研究表明，在各項因素中，交通流特性和道路特性對交通沖突的產(chǎn)生更具有規(guī)律性，而人的影響具有不可控性，相同道路環(huán)境下，不同駕駛員采取的隨機行為往往會導(dǎo)致不同的沖突結(jié)果。

圖2 危險駕駛環(huán)境下施工作業(yè)區(qū)車輛沖突機理

依據(jù)上文對高速公路施工作業(yè)區(qū)道路沖突的分類，根據(jù)實際道路行駛狀況，高速公路施工作業(yè)區(qū)交通沖突主要包括追尾沖突和換道沖突。

(1) 施工作業(yè)區(qū)追尾沖突。在t時刻，若前方車輛速度小于后方車輛速度，且兩車之間不滿足安全間距限制，如果后方車輛不及時采取安全避讓措施，前后車可能產(chǎn)生追尾碰撞。高速公路施工作業(yè)區(qū)危險駕駛車輛的行駛速度具有較大離散性，且通常車速較高，加上后車駕駛員視野受限，無法及時獲取前方道路信息，與跟馳車輛發(fā)生追尾沖突的風(fēng)險大幅提升。

(2) 施工作業(yè)區(qū)換道沖突。換道一般包含強制換道和自由換道。強制換道是指由于道路環(huán)境改變，經(jīng)過交通警示標志的指引車輛強制進行換道。自由換道是指駕駛員為了尋求駕駛的舒適感和行車效率，主動進行換道，一般表現(xiàn)形式為超車。高速公路施工作業(yè)區(qū)道路環(huán)境發(fā)生改變，車輛通過尋求可插入間隙進行變道操作，換道沖突一般為自由換道。在危險駕駛環(huán)境下，車輛的換道次數(shù)相較于正常路段顯著增加，換道沖突的風(fēng)險概率隨之增加。

2.2 交通沖突判別技術(shù)

距離碰撞時間(TTC)是目前廣泛使用的交通沖突衡量指標之一，主要用于評估同一車道中兩車之間的追尾沖突風(fēng)險。在t時刻，前方車輛速度小于后方車輛速度且兩車之間不滿足安全間距約束，如果兩車不進行避險，繼續(xù)保持現(xiàn)有行駛狀態(tài)，從時刻t到前后兩車發(fā)生追尾碰撞所經(jīng)過的時長即為TTC。計算公式如下：

(6)

由于運動車輛之間的距離難以觀測和獲取，以車頭時距替代車頭間距衡量和計算TTC，采用車頭間距和車頭時距進行轉(zhuǎn)換：

(7)

(8)

式中：di為兩車之間的車頭間距；H為兩車之間的車頭時距。

HTTC指標提供了一種定量區(qū)分道路沖突的方法，其臨界值的不同影響判別精度，若臨界值大于HTTC，表明交通沖突嚴重。但使用者和道路特征不同，HTTC的臨界值會發(fā)生變化，公路中通常取HTTC=2 s。

3 交通沖突閾值計算

采用京滬高速公路揚州段視頻，使用視頻處理軟件Tracker 4.9對視頻中的車輛軌跡信息進行處理，獲得車輛行駛速度和加速度，從縱橫向加速度特征分析正常行駛車輛與魯莽駕駛車輛行駛狀況的差異，判別魯莽駕駛行為(見圖3～5)。

圖3 正常行駛車輛與魯莽駕駛車輛縱橫向加速度對比

對正常行駛、急變速和急變道3種行駛狀態(tài)進行有監(jiān)督分類，基于不同尺度的時間窗口對模型的分類效果進行評估。有監(jiān)督分類算法系數(shù)如下：類別數(shù)為3；采用L2懲罰項；軟間隔懲罰系數(shù)C=0.3。不同樣本窗口范圍下有監(jiān)督分類算法的精度見圖6。由圖6可知：樣本窗口范圍超過13 s時，有監(jiān)督分類算法的準確率、急變速召回率、急變道召回率都超過90%，說明13 s的時長可有效保證對魯莽駕駛行為的識別。

圖4 正常行駛與急變速狀態(tài)下縱向加速度差異

圖5 正常行駛與急變道狀態(tài)下橫向加速度差異

圖6 不同樣本窗口范圍下有監(jiān)督分類算法的精度

85%累積分布曲線法是統(tǒng)計學(xué)中常用的分析方法，依據(jù)實測累積分布曲線擬合的速度特征，選擇與85%累積分布對應(yīng)的速度作為限速值。采用85%累計分布曲線法獲取嚴重道路沖突和一般道路沖突的累計概率，得到道路沖突嚴重程度的判別閾值。以0.1 s為間隔將道路沖突值均勻分割，確定道路沖突的閾值大小。通過對HTTC進行描述性統(tǒng)計分析，獲得高速公路施工作業(yè)區(qū)危險駕駛車輛交通沖突HTTC閾值(見表2)。

表2 基于HTTC的交通沖突判別閾值 s

通過視頻實時抓取3輛車的交通沖突狀況(見圖7)，對比發(fā)現(xiàn)采用上述交通沖突模型能高效識別交通沖突。

圖7 交通沖突實時判別

4 結(jié)語

運用道路監(jiān)控設(shè)備檢測數(shù)據(jù)判別高速公路施工作業(yè)區(qū)分心駕駛、超速駕駛和魯莽駕駛3類危險駕駛行為，基于駕駛員狀態(tài)進行分心駕駛識別，基于速度值、路口狀況和限速等信息進行超速駕駛識別，運用監(jiān)督分類模型進行魯莽駕駛識別。將高速公路施工作業(yè)區(qū)道路沖突分為追尾沖突和換道沖突兩類，并建立距離碰撞時間模型確定道路沖突狀況。

通過京滬高速公路揚州段視頻數(shù)據(jù)對危險駕駛行為進行判別和交通沖突分析，結(jié)果表明：在樣本窗口范圍超過13 s時，有監(jiān)督分類算法的準確率、急變速召回率、急變道召回率均高于90%；追尾沖突的一般和嚴重閾值分別為3.7 s、2.1 s，換道沖突的一般和嚴重閾值分別為4.9 s、2.7 s。后續(xù)將在實際高速公路施工作業(yè)區(qū)對所建立的安全分析方法進行應(yīng)用研究。