張玉婷 閆學東

（北京交通大學城市交通復雜系統(tǒng)理論與技術教育部重點實驗室 北京 100044）

0 引言

隨著技術的進步與發(fā)展，主動安全的思想日益受到重視。汽車的主動安全性技術是通過預先的防范，避免事故發(fā)生的技術。首先在汽車的設計與制造中，采用先進的技術和設備主動預防和減少駕駛過程中的事故；其次結合車輛與周邊的路面情況提前發(fā)現(xiàn)潛在交通事故，駕駛人可以根據(jù)系統(tǒng)提供的預警信息進行避險行為。對于城市道路交通網(wǎng)絡，信號交叉口作為交通流中轉的節(jié)點，交通環(huán)境復雜，對駕駛人的反應能力和駕駛技能要求較高。因此，交叉口一直是制約道路通行能力的“咽喉”，同時也是交通事故頻發(fā)地帶。在信號控制交叉口處，由闖紅燈違章引發(fā)的交通事故比例非常高，且產生后果較嚴重［1－4］。公安部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2012年全年，全國共查處不按交通信號燈指示通行的交通違法行為2 649萬起，平均每天7萬多起。全國接報涉及人員傷亡的交叉口交通事故4.6萬起，造成1.1萬人死亡、5萬人受傷，分別上升17.7%、16.5%和12.3%。其中，因交叉口違反交通信號燈導致的事故起數(shù)上升17.9%［5］。由于駕駛人在信號控制交叉口存在“兩難區(qū)”，視距不良或精力不夠集中而沒有注意到紅燈信號導致闖紅燈行為發(fā)生。因此闖紅燈緊急避撞預警技術一直是國內外眾多學者研究的重點，該技術就是通過一定的檢測和傳感設備，對可能給正常行駛車輛造成影響的闖紅燈車輛進行監(jiān)視，并通過一定的車內預警裝置將預警信息傳送給正常行駛車輛的駕駛人，建議和輔助駕駛人采取一些緊急避撞措施，從而避免和闖紅燈車輛發(fā)生碰撞或減少碰撞嚴重程度。

目前，我國避撞預警技術的研究都集中在避撞預警系統(tǒng)的系統(tǒng)設計、關鍵技術研究、模型分析以及功能驗證等方面［6－10］。王軍雷等［6］設計了1種追尾碰撞預警系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)安全距離模型，并通過模擬試驗和實際撞車實驗，驗證了系統(tǒng)的性能。我國針對闖紅燈行為的預警技術及其功效研究較為欠缺。國外在闖紅燈預警技術功效研究方面取得了一些成果，尤其是利用駕駛模擬器進行了較為嚴謹?shù)膶嶒?，并分析了不同預警條件下的預警效果，獲得了一些有價值的結論［11－13］。例如，Chang等［12］利用駕駛模擬器研究了非語音和語音2種預警對交叉口處避免闖紅燈車輛發(fā)生沖突的情況，在有預警提示時，駕駛人反應時間短、行駛速度低，事故率低。

若駕駛人能在事故發(fā)生前獲得預警信息，并采取相應的措施，則大多數(shù)事故都可能避免。但是預警發(fā)布時機過早，可能會造成駕駛人在可接受時間內未能遇到預警提示場景，而造成對預警信息的不信任，或者在遇到預警提示注意的場景時忘記預警內容造成預警無效；預警發(fā)布時機過晚，會造成駕駛人不能及時理解預警信息內容而采取有效措施避免突發(fā)狀況。由此可見，在提高預警技術的功效性方面，預警信息發(fā)布時機是1個不可忽略的重要因素［14－15］，而目前對于給定具體的提前預警時間下闖紅燈緊急避撞預警技術的研究很少。筆者設定的預警信息提前發(fā)布時間的上下限分別是2.5s和5.5s。其中最晚提前預警時間應該是滿足駕駛人對預警信息做出反應的時間，根據(jù)Lerner等［16］研究發(fā)現(xiàn)，2.5s的反應時間幾乎可以覆蓋所有情形，并且在各種研究中使用最為廣泛。最早提前預警時間的設定是參考Yan等［15］的研究，研究發(fā)現(xiàn)提前預警時間5s的情況下，發(fā)布預警信息仍可以縮短駕駛人采取緊急避撞措施的反應時間，故筆者將預警信息發(fā)布上限時間延長0.5s，調整為5.5s?；诖耍x取交叉口迎頭側面碰撞（闖紅燈情景），利用駕駛模擬實驗，分析不同預警信息發(fā)布時間下，駕駛人在制動時間、最大減速度和車輛間最小間距方面的駕駛行為特點。

1 實驗和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

利用北京交通大學城市交通復雜系統(tǒng)理論與技術教育部重點實驗室的高仿真駕駛模擬器實驗平臺采集不同預警時間下，駕駛人的基礎行為數(shù)據(jù)。所招募的實驗人員為年齡30～39歲，駕齡3年以上的熟練駕駛人，共招募實驗人員45名（24名男性，21名女性）。主要研究因素是預警信息發(fā)布時間，從2.5s變化至5.5s，并以無預警的交叉口作為控制組。每位駕駛人都要采集其駕駛模擬器通過8種不同預警條件的實驗交叉口駕駛行為數(shù)據(jù)。

1.2 實驗場景設計

在實驗場景中，為了消除因為道路環(huán)境差異帶來的干擾影響，應保證所有的實驗交叉口具有共同的基本特征和交通環(huán)境，交叉口形式采用典型的雙向兩車道的十字形交叉口。其中每條車道寬度為3.5m，停車線距離交叉口中心的距離是7m，限速為80km／h。

本次實驗的避撞場景是主車（實驗人員駕駛的模擬車輛）在綠燈信號期間進入十字交叉口，交叉口的右方出現(xiàn)有沖突車輛，在其距離碰撞沖突點不同的時距時，給予主車預警語音提示，見圖1。當主車進入交叉口時，位于沖突點處的TTC sensor會實時計算主車與沖突點的時距，假若當主車行駛至點A時，計算得到主車距離沖突點的時距為7s，TTC sensor會控制位于另一方向C點的闖紅燈車輛開始以72km／h 的速度向前行駛，如果主車速度沒有發(fā)生變化，將會在沖突點恰好發(fā)生碰撞，因此觸發(fā)的闖紅燈車輛的起始位置C點距離沖突點的距離為：7s×72km／h＝140 m。在有預警信息的交叉口處，當TTC sensor計算到主車距離沖突點的時距滿足預警發(fā)布時間（2.5～5.5s）的要求時，主車車輛由位置A行駛到位置B，與此同時闖紅燈車輛由位置C行駛到位置D，測試車輛（駕駛模擬器）將會接受到語音預警提示注意闖紅燈車輛。圖2給出單個實驗交叉口避撞場景的效果圖。

圖1 避撞場景示意圖Fig.1 Collision avoidance scenario

圖2 避撞場景效果圖Fig.2 Screenshots of collision avoidance

2 實驗結果分析

2.1 制動時間

制動時間是指從測試車輛（駕駛模擬器）開始采取緊急制動行為到結束制動行為的時間?？紤]性別、不同的預警信息發(fā)布時間影響因素，對駕駛人的制動時間進行描述性統(tǒng)計，結果見表1。

為了考慮性別和不同的預警信息發(fā)布時間對制動反應時間的影響，進行方差分析，結果見表2。由表2可以看到，不同的預警信息發(fā)布時間對于駕駛人的緊急制動時間的影響有顯著性差異（P＜0.05）。

表1 描述性統(tǒng)計分析（制動時間）Tab.1 Basic description for braking time

表2 方差分析（制動時間）Tab.2 ANOVA results of braking time

圖3為不同的預警信息發(fā)布時間，由圖3可見，相比于無預警信息提示的情況，有預警信息的提示延長了駕駛人的制動時間，駕駛人會根據(jù)語音提示觀測危險目標車輛的行駛情況，直到駕駛人判斷主車處于安全狀態(tài)時才會結束制動行為。隨著預警信息發(fā)布時間的提早，駕駛人的制動時間呈現(xiàn)遞增的趨勢，即預警信息發(fā)布時間的越早，駕駛人踩剎車踏板的時間越長。預警信息的較早發(fā)布使得駕駛人更早注意到?jīng)_突車輛，有足夠的時間采取減速制動行為，在進行避撞行為時，踩剎車踏板的時間會延長，劇烈程度會降低，提高制動的舒適性。

2.2 減速度最大值

減速度最大值，是指駕駛人在實驗交叉口進行緊急避撞，采取制動措施時產生的最大減速度值。選取不同的預警信息發(fā)布時間、初始速度、制動反應時間和減速度最大值進行線性回歸分析，得到表3。

表3 最大減速度的線性回歸結果Tab.3 Liner Regression Results of Maximum Deceleration

圖3 不同預警信息發(fā)布時間下制動時間Fig.3 Braking time with different warning timing

表3為最大減速度的線性回歸結果。由表3可見，在進行緊急避撞的過程中，減速度最大值與主車初始速度、制動反應時間、預警信息發(fā)布時間有顯著性相關（P＜0.01）。初始速度與駕駛人在交叉口側面碰撞情景下產生的最大減速度呈現(xiàn)正相關，即隨著初始速度的增大，駕駛人在進行制動措施的最大減速值也逐漸增大，駕駛人采取制動避險的措施會更加劇烈。制動時間與駕駛人在交叉口側面碰撞情景下產生的最大減速度呈現(xiàn)負相關，即駕駛人的最大減速度值隨著制動時間的增長而減小。同樣，預警信息的發(fā)布時間與駕駛人在交叉口側面碰撞情景下產生的最大減速度也呈現(xiàn)負相關，即預警信息發(fā)布越早，駕駛人在此種緊急避撞情景下采取的最大減速度越小。

對其建立線性回歸模型（R2＝0.54），可得如下結果。

式中：amax為減速度最大值，m／s2；v0為測試車輛初始速度，m／s；tr為減速反應時間，s；T為預警信息發(fā)布時間，s。

2.3 車輛間最小距離

駕駛人在接近實驗交叉口的過程中，測試車輛（駕駛模擬器）與沖突車輛之間的車輛距離會先減小后增大。其中車輛最小間距是判斷碰撞最直觀的變量。按照性別和預警信息發(fā)布時間的影響因素，對車輛間最小間距進行描述性統(tǒng)計，見表4。

為了考慮性別、不同的預警信息發(fā)布時間、制動時間、最大減速度對其的影響，進行單變量多因素方差分析，最終分析結果如表5。由表5可見，性別和不同的預警信息發(fā)布時間對于避撞過程中主車與沖突車輛之間最小間距的影響存在顯著性差異（P＜0.05）。

表4 描述性統(tǒng)計分析（車輛間最小間距）Tab.4 Basic description for minimum distance between vehicles

表5 方差分析（車輛間最小間距）Tab.5 ANOVA results of minimum distances between vehicles

圖4為不同性別下車輛間最小間距。由圖4可見，男性駕駛人在進行緊急避撞過程中，測試車輛（駕駛模擬器）與沖突車輛之間的最小間距小于女性駕駛人，說明女性駕駛人對于車輛間的安全距離要求會比男性駕駛人高，在行經(jīng)交叉口時會與其他車輛保持距離大于男性駕駛人，更加地保守駕駛。

圖4 不同性別下車輛間最小間距Fig.4 Minimum distances between vehicles with different genders

圖5為不同預警信息發(fā)布時間下的車輛間最小間距。由圖5可見，預警信息的發(fā)布可以將車輛間的最小間距值增大。當預警信息發(fā)布時間從距離沖突點2.5s到3.5s過程中，車輛間最小間距與沒有預警信息提示的情況相比，并沒有很大變化，反而出現(xiàn)了比無預警條件下的車輛間最小間距要小的情況；當預警信息發(fā)布時間從距離沖突點3.5s逐漸提早到5.0s過程中，車輛間最小間距值逐漸增大，測試車輛的發(fā)生碰撞的風險降低；在預警信息發(fā)布時間為距離沖突點5.0s時車輛間最小間距達到最大，之后車輛間最小間距值有下降的趨勢。由此說明預警信息發(fā)布時間太晚，預警信息的發(fā)布反而造成駕駛人的負擔，使得駕駛人碰撞風險增加，相反預警信息發(fā)布時間較早（大于4.0s），預警信息的發(fā)布能夠增大車輛間的最小間距，幫助駕駛人更好地控制測試車輛（駕駛模擬器）與沖突車輛之間的距離。

圖5 不同預警信息發(fā)布時間下的車輛間最小間距Fig.5 Minimum distances between vehicles with different warning timing

3 結束語

預警信息發(fā)布時間對于避撞預警系統(tǒng)的功效性和駕駛行為有不同的影響。預警信息發(fā)布太晚，駕駛人在預警信息發(fā)布之前就已經(jīng)意識到危險使預警信息的發(fā)布失去意義，或者駕駛人沒有足夠的時間采取有效措施避免緊急狀況，或者采取猛烈的制動措施；預警信息發(fā)布的太早，正確判斷危險情況的準確性較低，降低駕駛人對系統(tǒng)的信任度而造成預警無效。筆者的研究表明：預警信息的發(fā)布可以延長駕駛人的制動時間0.33s至1.2s，而且預警信息發(fā)布越早（4.5～5.5s），駕駛人的制動時間越長，最大減速度降低，能夠緩和駕駛人的緊急剎車劇烈程度，提高駕駛人采取緊急避撞剎車措施的舒適性。此外相較于無預警和預警信息發(fā)布較晚場景（2.5～4.0s），預警信息發(fā)布時間4.5～5.5s還可以增大車輛間最小間距6.62～26.65 m，提高車輛經(jīng)過交叉口的安全性，在預警信息發(fā)布時間5.0s，預警信息發(fā)布較早對增大車輛間最小間距的效益達到最大值。此外，女性駕駛人在穿越交叉口過程中，比男性駕駛人保守。

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