吳晨，焦淵，張名芳

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

基于駕駛特性的超車模型研究

吳晨，焦淵，張名芳

（長安大學(xué)，陜西 西安 710064）

超車行駛作為駕駛?cè)诵熊囘^程中重要的行為之一，與行駛安全性有著直接的聯(lián)系。為建立符合駕駛?cè)瞬僮髁?xí)慣的超車模型，本文通過實(shí)車試驗(yàn)采集不同駕駛?cè)嗽诟咚俟返某囆旭倲?shù)據(jù)，并以此采用多項(xiàng)式回歸擬合建立基于駕駛?cè)瞬僮魈匦缘某嚹Ｐ?，最后利用prescan軟件對(duì)提出的超車模型進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明建立的超車模型能夠真實(shí)地反映駕駛?cè)顺囘^程中的操作習(xí)慣，為超車行為的研究提供了可靠的理論依據(jù)。

超車行駛；實(shí)車試驗(yàn)；prescan；仿真

CLC NO.:U471.1Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)08-47-04

引言

超車是駕駛過程中常見的一個(gè)駕駛行為，直接影響駕駛的安全性，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，2012年由于違法超車而導(dǎo)致的事故多達(dá)4804起，占事故總數(shù)的2.35%，這導(dǎo)致了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失，所以建立準(zhǔn)確的超車模型，不但可以分析駕駛?cè)说鸟{駛行為并評(píng)價(jià)駕駛?cè)说鸟{駛安全意識(shí)，也有利于管理交通安全。國外關(guān)于超車模型的研究較早，20世紀(jì)30年代末，Nomann[2]在維吉尼亞等州進(jìn)行了超車的實(shí)驗(yàn)，采集了2萬多組超車數(shù)據(jù)分析了超車的過程；到七十年代，出現(xiàn)了較多的公路仿真軟件，比如美國中西部研究所的TWOPAS；到如今，對(duì)于超車模型的研究更加的深入和細(xì)化，Ghods A H[3]考慮多種物理和行為變量的頻譜，建立了一個(gè)新的超車間隙接受模型來對(duì)超車行為進(jìn)行研究，Tang T Q[4]考慮車輛加速度、加速度和換道的反應(yīng)延遲時(shí)間及跟車和超車的安全距離，對(duì)超車所用時(shí)間、超過過程中損失的時(shí)間以及車輛運(yùn)動(dòng)的空間-時(shí)間演變過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

國內(nèi)對(duì)于超車模型的研究開始的較晚，研究內(nèi)容也主要集中在對(duì)理論的研究上。早期，交通部公路科學(xué)研究所[5]聯(lián)合東南大學(xué)等單位對(duì)于《公路交通能力研究》這個(gè)課題進(jìn)行了一定程度的探索，并完成了超車行為的計(jì)算機(jī)模擬；北京工業(yè)大學(xué)的劉江[6]提出了可回車車頭時(shí)距和可超車車頭時(shí)距這兩個(gè)概念來研究超車行為，并進(jìn)行了超車實(shí)驗(yàn)；陳小龍[7]將超車過程劃分為完整的五個(gè)階段，并結(jié)合傳統(tǒng)的交通流理論和概率論等相關(guān)理論，建立了適于雙車道公路的超車模型；柏偉[8]等將超車分為換道、超越、并道三個(gè)階段，為每一個(gè)

車道添加了限速條件，并考慮了車輛跟馳過程中的間距對(duì)超車行為進(jìn)行了分析。

回顧以上的文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)由于地域性的差異，國外的超車模型具有一定的局限性，不能完全的適用于國內(nèi)的交通情況，且國內(nèi)外的模型大多建立在理論的基礎(chǔ)上，一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)由于考慮試驗(yàn)的安全性并非為實(shí)際交通狀況，而是在試驗(yàn)場(chǎng)或封閉路段進(jìn)行試驗(yàn)后得到的數(shù)據(jù)，并不能真實(shí)的反應(yīng)駕駛?cè)说鸟{駛特性，與實(shí)際狀況具有一定的差距。本文在以往研究的基礎(chǔ)上，主要從駕駛?cè)笋{駛特性的角度對(duì)超車行為進(jìn)行分析，選取一段典型的高速公路進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，使用車載傳感器、毫米波雷達(dá)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等采集試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立超車模型，最后在prescan軟件中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證所建模型的適用性。

1、實(shí)車試驗(yàn)及模型建立

本文擬對(duì)高速公路超車行為進(jìn)行研究，因此建立合適的超車模型顯得十分必要，選取G25高速公路上青山入口至長興出口的一段雙向四車道道路作為試驗(yàn)路段，該路段全程長40.5km，限速110km/h；試驗(yàn)選取30名男性駕駛?cè)?，年齡分布在25～47歲，駕齡為4～30年，試驗(yàn)駕駛?cè)诵畔⒔y(tǒng)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)駕駛?cè)诵畔⒈?/p>

本文利用安裝在試驗(yàn)車上的毫米波雷達(dá)測(cè)取試驗(yàn)車和目標(biāo)車輛的位置、距離及相對(duì)速度等信息，采用CAN總線的通訊方式實(shí)現(xiàn)毫米波雷達(dá)、攝像機(jī)、車載傳感器等部件與系統(tǒng)控制單元的信息通訊，并將采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來。對(duì)超車行為的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2：

表2 不同車速下的跟車間距值

駕駛?cè)送ㄟ^觀察前車與本車之間的距離判斷前車的駕駛狀態(tài)，并操控車輛與前車保持合適的距離以保證安全駕駛，這個(gè)距離稱為期望間距。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，由于本車車速的不同，在本車被超車后，超車車輛并入本車道時(shí)，駕駛?cè)说钠谕g距也是不同的。隨著本車車速的增加，被超車后，其期望間距也增加了，這是因?yàn)殡S著車速的增加，距離過小會(huì)導(dǎo)致駕駛?cè)诵睦砩系目只排c不適。本文主要分析后車超過本車并入本車道階段，本車車速與期望間距的關(guān)系特性，從而建立一個(gè)新的超車模型。

目前研究期望間距與車速關(guān)系的文獻(xiàn)多采用回歸模型的建立，較為常見的是多項(xiàng)式回歸和冪函數(shù)模型。由于三次多項(xiàng)式的擬合度較好，故本文主要采用三次多項(xiàng)式回歸擬合，由于最小跟車間距擬合的三次項(xiàng)系數(shù)過小，故采用二次多項(xiàng)式回歸擬合，擬合結(jié)果和擬合后的回歸模型如圖1和表3所示：

對(duì)本車車速與駕駛?cè)说钠谕囬g距進(jìn)行分析，建立了超車模型，如表3：

表3 模型建立

其中v為本車車速，Dmax為最大跟車間距，D均值為跟車間距均值，Dmin為最小跟車間距。

2、Prescan軟件及仿真場(chǎng)景建立

Prescan是TNO公司所開發(fā)的一款仿真軟件，能夠建立多種虛擬場(chǎng)景，與carsim、Matlab/simulink等軟件也有良好的接口，可以進(jìn)行聯(lián)合使用。prescan主要用來進(jìn)行先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證。目前，國內(nèi)高校僅有上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、長安大學(xué)等少數(shù)大學(xué)使用此軟件進(jìn)行主動(dòng)安全系統(tǒng)的開發(fā)與研究。

2.1 建立場(chǎng)景

Prescan用戶界面提供多種建立場(chǎng)景的元素，包括道路、車輛、行人、路標(biāo)、房屋等，可通過圖形拖曳快速建立場(chǎng)景，還可設(shè)定每個(gè)路段上車輛行駛路徑及行駛速度。

本次仿真場(chǎng)景設(shè)定為：在雙向四車道高速公路上，試驗(yàn)車以100km/h的速度行駛在左車道上，超車車輛在右車道上以79km/h的速度超過本車并入本車道。仿真場(chǎng)景如圖所示：

2.2 添加傳感器

車輛主動(dòng)安全技術(shù)主要基于傳感器，prescan的庫中有攝像頭、GPS、激光雷達(dá)、無線通信裝置等傳感器，與實(shí)際傳感器功能一致，可以任意選擇合適的傳感器，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的模擬效果。

在此仿真中我們添加了prescan自帶的一種可掃描車輛間距的傳感器TIS，檢測(cè)與前車的距離。

2.3 建立控制模型

建立仿真場(chǎng)景并添加傳感器之后，連接到simulink中，添加所需模塊，完成車輛的控制。

此次仿真主要對(duì)本車進(jìn)行控制，在超車車輛并入本車道時(shí)，如果跟車間距小于期望間距范圍，依據(jù)上述模型，試驗(yàn)車減速。

2.4 運(yùn)行仿真

點(diǎn)擊播放，在VisViewer中播放所建仿真場(chǎng)景，并觀察仿真結(jié)果。

3、仿真結(jié)果及分析

通過實(shí)車試驗(yàn)建立了基于駕駛特性的超車模型，依據(jù)所建模型控制本車不同速度時(shí)超車車輛并入本車道時(shí)本車的跟車間距。通過對(duì)仿真后本車車速、跟車間距及制動(dòng)壓力的分析，驗(yàn)證所建超車模型的適用性。建立仿真場(chǎng)景后，運(yùn)行仿真，得到以下結(jié)果：

從（b）圖中可以明顯看出，在2s處，跟車間距由0瞬間增加至57m，這是因?yàn)楸敬畏抡嬷胁捎玫姆謩e為長射程和短射程的兩個(gè)主動(dòng)掃描間距的傳感器，其掃描角度分別為9°和80°，掃描射程分別為150m和30m，當(dāng)后方車輛超過本車卻并未并入本車道時(shí)，傳感器未掃描到超車車輛，跟車間距故為0m，當(dāng)超過本車要并入本車道時(shí)，超車車輛進(jìn)入傳感器掃描射程，這表明t=2s時(shí)超車車輛開始并入本車道。

（a）圖中，我們可以看到，超車車輛要并入本車道時(shí)，駕駛員并未立刻采取急劇的減速行為，這符合駕駛員的實(shí)際操作習(xí)慣，實(shí)際操作中，駕駛員會(huì)在被超車時(shí)，先判斷前車是否與本車有足夠的期望間距，再?zèng)Q定是否進(jìn)行制動(dòng)減速，并且決定采取制動(dòng)操作時(shí)，駕駛員有一定的反應(yīng)時(shí)間，所以超車車輛要并入本車道時(shí)，經(jīng)過判斷及一定的反應(yīng)時(shí)間，駕駛員采取制動(dòng)操作。（b）圖中的跟車間距先減小后增大，但在一定的范圍內(nèi)變化，上下浮動(dòng)并不大，結(jié)合（a）圖和（c）圖，可看出t=2.7s時(shí)，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)壓力瞬間增大，而本車車速發(fā)生了明顯下降趨勢(shì)，但并未發(fā)生過大的

幅度變化，這是因?yàn)橛熊囕v超過本車并入本車道時(shí)，駕駛?cè)私档鸵欢ǖ能囁倥c前車保持一定的安全間距，即期望間距。仿真結(jié)果表明我們建立的超車模型的跟車速度及跟車間距調(diào)整幅度都較小，在跟車過程中表現(xiàn)的更為穩(wěn)定。

4、結(jié)論

在實(shí)際交通狀況中，實(shí)時(shí)采集車速、跟車間距等換道相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)所采數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析所建立的超車模型，能真實(shí)的反映駕駛?cè)说牟僮魈匦?。仿真結(jié)果表明，本文中建立的超車模型，更符合駕駛?cè)说鸟{駛習(xí)慣，在車輛駕駛的安全性和穩(wěn)定性方面也表現(xiàn)的十分突出，這為以后對(duì)超車行為的研究提供了可靠的理論依據(jù)。

[1] 公安部交通管理局，2012年道路交通事故統(tǒng)計(jì)年報(bào)，2013.

[2] JENKINS J M, RILETT L R1Classifying Passing Maneuvers: A Behavioral Approach [ C] PP In Transport ation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No 14031Washington, DC: TRB, National Research Council, 20051.

[3] Ghods A H. Microscopic Overtaking Model to Simulate Two-lane Highway Traffic Operation and Safety Performance[J]. 2013.

[4] Tang T Q, Huang H J, Wong S C, A new overtaking model and numerical tests[J]. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 2007, 376: 649-657.

[5] 交通部公路科學(xué)研究所，一般公路通行能力研究分報(bào)告[ R]，北京: 交通部公路科學(xué)研究所, 2001.

[6] 劉江. 山區(qū)雙車道公路通行能力研究[D]. 北京工業(yè)大學(xué)博士論文, 2006.

[7] 陳小龍. 基于山區(qū)公路交通流隨機(jī)干擾因素的超車模型研究[D].華南理工大學(xué), 2012.

[8] 柏偉, 李存軍. 基于不同限速條件下的超車模型研究[J]. 交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息, 2013, 13(2): 63-68.

Research of Overtaking Model Based on Driving Characteristics

Wu Chen, Jiao Yuan, Zhang Mingfang
（Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064）

Overtaking driving behavior as an important driver of driving the process, and driving safety are directly linked. To build the model meets overtaking driver operating habits, the paper collected by different drivers overtaking real vehicle test data highway driving, and thus establish overtaking polynomial regression model based on the operating characteristics of the driver, and finally the use of prescan software overtaking the proposed model for the simulation analysis showed that overtaking model can truly reflect the driver overtaking process operating practices, for the study of the behavior of overtaking provide a reliable theoretical basis.

Overtaking driving；Real vehicle test；prescan；Simulation

U471.1

A

1671-7988(2014)08-47-04

吳晨，碩士研究生，就讀于長安大學(xué)汽車學(xué)院。