陳吉清，翁楚濱，蘭鳳崇

（華南理工大機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州510640）

前言

智能車(chē)輛行駛在多車(chē)道的道路上時(shí)，其智能系統(tǒng)常須控制車(chē)輛進(jìn)行車(chē)道變換動(dòng)作。這個(gè)過(guò)程往往涉及執(zhí)行車(chē)輛與多車(chē)道車(chē)輛交互行為，因而是一個(gè)具有較高碰撞風(fēng)險(xiǎn)的行駛動(dòng)作。如果產(chǎn)生不安全的換道行為，不僅使交通流受到影響，造成交通擁堵，還易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生［1］。因此，在智能車(chē)輛執(zhí)行換道前，進(jìn)行換道安全評(píng)價(jià)，為換道決策與規(guī)劃提供輔助信息，以實(shí)現(xiàn)智能車(chē)輛的安全換道，顯得尤為必要。

從本質(zhì)上來(lái)講，換道是一種交通行為，因而換道安全評(píng)價(jià)也是交通安全評(píng)價(jià)研究領(lǐng)域的一個(gè)分支。以交通事故數(shù)據(jù)為支撐，從交通事故的微觀行為角度出發(fā)，探討交通風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的根本因素，是研究交通安全評(píng)價(jià)最為直觀有效的路線。Ferreira等［2］利用歷史碰撞數(shù)據(jù)研究了交通安全評(píng)估方法，主要涉及碰撞頻率和嚴(yán)重程度的推導(dǎo)。這一研究路線的深入探索對(duì)交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的要求很高，然而交通事故的發(fā)生頻率較低，且具有隨機(jī)性，導(dǎo)致樣本數(shù)據(jù)不足，難以得出正確的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這給交通事故數(shù)據(jù)的采集帶來(lái)很大困難。為此，有學(xué)者提出交通沖突的概念，并總結(jié)了交通沖突技術(shù)［3］。該技術(shù)基于傳感器與通信技術(shù)，在事故發(fā)生前觀測(cè)大量非事故數(shù)據(jù)，通過(guò)分析車(chē)輛的軌跡數(shù)據(jù)來(lái)得到與事故高度相關(guān)的危險(xiǎn)動(dòng)作，具有“大樣本、短周期、小區(qū)域、高信度”的統(tǒng)計(jì)學(xué)優(yōu)點(diǎn)［4］，受到了相關(guān)領(lǐng)域的廣泛重視。

基于交通沖突理論，學(xué)者對(duì)換道行為的安全評(píng)估展開(kāi)了大量研究。Park等［5］提出變道風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（lane change risk index，LCRI）來(lái)評(píng)估被試車(chē)輛變道時(shí)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，并將故障樹(shù)分析（fault tree analysis，F(xiàn)TA）應(yīng)用于評(píng)估框架。Zheng等［6］提取左轉(zhuǎn)車(chē)輛與直行車(chē)輛之間的碰撞時(shí)間（time to collision，TTC）和后侵入時(shí)間（post encroachment time，PET），采用二元極值模型整合交通沖突指標(biāo)對(duì)事故進(jìn)行估計(jì)。容穎等［7］采用TTC和PET等指標(biāo)，建立了雙車(chē)道高速公路車(chē)輛運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。Oh等［8］使用二元logistic回歸對(duì)變道決策進(jìn)行建模，估計(jì)軌跡是否變道的概率，結(jié)合指數(shù)衰減函數(shù)和TTC，評(píng)估碰撞概率。Weng等［9］分別使用避撞減速率（deceleration rate to avoid the crash，DRAC）和Delta?V計(jì)算碰撞概率和嚴(yán)重程度，并將它們作為變量之一，進(jìn)行道路工作區(qū)域的車(chē)輛并道行為建模。周斌宇［10］結(jié)合TTC和制動(dòng)避險(xiǎn)時(shí)間（time to aviod，TTA），綜合分析兩者關(guān)系，建立了危險(xiǎn)系數(shù)以便對(duì)換道碰撞危險(xiǎn)程度進(jìn)行量化，并應(yīng)用于車(chē)輛安全換道預(yù)警機(jī)制的設(shè)計(jì)。何愛(ài)生［11］以TTC為指標(biāo)，考慮目標(biāo)車(chē)道后車(chē)輛減速度變化建立了安全換道模型，并根據(jù)不同的換道動(dòng)作設(shè)置相應(yīng)的換道預(yù)警閾值。楊?。?2］定義了頻繁換道行為，并通過(guò)標(biāo)定TTC和PET的閾值，對(duì)車(chē)輛軌跡進(jìn)行沖突分析，以頻繁和非頻繁換道的沖突數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)量化頻繁換道對(duì)交通安全的影響。王暢等［13］基于真實(shí)人員的換道安全性決策數(shù)據(jù)，分析了不同時(shí)刻的TTC特性，并由此確定了不同級(jí)別換道預(yù)警規(guī)則的TTC閾值。

當(dāng)前的換道安全評(píng)估研究主要針對(duì)如何基于交通沖突指標(biāo)衡量換道過(guò)程的碰撞概率，缺乏綜合考慮碰撞可能性與碰撞嚴(yán)重程度來(lái)量化碰撞風(fēng)險(xiǎn)的研究。在研究視角方面，多將換道視為一個(gè)整體過(guò)程，未考慮在換道的不同階段車(chē)輛所面臨的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)源的差異。另外，由于缺乏大量有效的自然駕駛數(shù)據(jù)的支持，許多評(píng)估方法僅提供了思路，對(duì)所構(gòu)建的安全評(píng)價(jià)方法的客觀性未進(jìn)行充分的分析與探討。

從交通安全的角度來(lái)看，車(chē)輛換道的風(fēng)險(xiǎn)主要從該軌跡可能導(dǎo)致的交通事故帶來(lái)的人或車(chē)的損失進(jìn)行衡量。本文基于潛在沖突分析，對(duì)車(chē)輛在不同階段與周?chē)?chē)輛的潛在沖突形式進(jìn)行分析，從碰撞可能性與碰撞嚴(yán)重程度兩個(gè)方面建立換道的綜合風(fēng)險(xiǎn)量化方法，并利用自然駕駛軌跡數(shù)據(jù)集對(duì)方法進(jìn)行量化驗(yàn)證。在缺乏有效的真實(shí)換道事故數(shù)據(jù)的情況下，探尋客觀科學(xué)地對(duì)換道軌跡進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化的方法，以幫助實(shí)現(xiàn)智能車(chē)輛更安全的換道。

1 換道潛在沖突形態(tài)分析

何仁等［14］將換道過(guò)程劃分為3個(gè)階段，即準(zhǔn)備階段、執(zhí)行階段和后調(diào)整階段［14］；本文中為便于區(qū)分不同階段主車(chē)與原車(chē)道和目標(biāo)車(chē)道的關(guān)系，將換道過(guò)程分為準(zhǔn)備階段、跨道階段和回正階段，每個(gè)階段有對(duì)應(yīng)的軌跡階段。一般來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)備階段是指駕駛員產(chǎn)生換道意圖后，觀察周邊車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)情況，打開(kāi)轉(zhuǎn)向燈，并隨時(shí)準(zhǔn)備換道的階段；跨道階段是指駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，使車(chē)輛在前進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行橫向位移，直至整個(gè)車(chē)輛移出初始車(chē)道，進(jìn)入目標(biāo)車(chē)道的階段；回正階段則指駕駛員往相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，使車(chē)輛在目標(biāo)車(chē)道上回正，同時(shí)對(duì)車(chē)輛與車(chē)道線的間距進(jìn)行微調(diào)的階段。其中，按車(chē)輛整體是否越過(guò)車(chē)道線為分界點(diǎn)，來(lái)劃分跨道階段和回正階段，如圖1所示。圖中紅色曲線為換道過(guò)程車(chē)輛中心（車(chē)輛外接長(zhǎng)方體的質(zhì)心）軌跡在地面的投影。下面按3個(gè)階段對(duì)主車(chē)與不同旁車(chē)的潛在沖突進(jìn)行分析。

圖1 換道階段劃分

在換道準(zhǔn)備階段，為調(diào)整縱向位置，以便執(zhí)行換道動(dòng)作，該階段駕駛員往往會(huì)存在加速或減速的動(dòng)作，因而可能會(huì)與原車(chē)道的前后車(chē)發(fā)生追尾碰撞，潛在碰撞形式如圖2所示。

圖2 換道準(zhǔn)備階段潛在碰撞形式

跨道階段，主車(chē)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤(pán)，使車(chē)輛從原車(chē)道向目標(biāo)車(chē)道移動(dòng)。在此階段，主車(chē)可能與鄰后車(chē)、鄰前車(chē)發(fā)生側(cè)向碰撞，也可能與前、后車(chē)發(fā)生追尾碰撞，如圖3所示。

圖3 跨道階段潛在碰撞形式

在回正階段，車(chē)輛整體已完全越過(guò)了車(chē)道線，正進(jìn)行車(chē)輛的回正和橫向位置的微調(diào)。在此階段，主車(chē)與原車(chē)道的兩車(chē)基本已沒(méi)有沖突風(fēng)險(xiǎn)，只存在目標(biāo)車(chē)道前后車(chē)的追尾碰撞風(fēng)險(xiǎn)，如圖4所示。

圖4 回正階段潛在碰撞形式

綜上所述，換道階段主車(chē)與不同旁車(chē)的潛在沖突形式如表1所示。以TTC為度量指標(biāo)的先決條件是交通參與者存在預(yù)定碰撞軌跡，即以當(dāng)前的車(chē)速（后車(chē)速度比前車(chē)快）和方向行駛，根據(jù)幾何計(jì)算，必然會(huì)發(fā)生碰撞。由于預(yù)定碰撞軌跡的假設(shè)并不能完全識(shí)別換道過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)［15］，易遺漏跨道階段的側(cè)面碰撞風(fēng)險(xiǎn)，因此在選用度量指標(biāo)時(shí)，應(yīng)選擇不依賴于預(yù)定碰撞軌跡的度量指標(biāo)來(lái)估計(jì)換道風(fēng)險(xiǎn)。

表1 換道各階段旁車(chē)與主車(chē)潛在沖突形式

2 換道風(fēng)險(xiǎn)量化方法的建立

換道風(fēng)險(xiǎn)量化方法的整體思路可分為3個(gè)步驟：首先從微觀角度出發(fā)，對(duì)每一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的換道車(chē)輛與某一旁車(chē)的沖突風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化；隨后從整條換道軌跡的所有時(shí)刻點(diǎn)沖突風(fēng)險(xiǎn)中進(jìn)一步提取宏觀風(fēng)險(xiǎn)特征；最后通過(guò)系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)分析，量化換道車(chē)輛與所有旁車(chē)的風(fēng)險(xiǎn)值。

2.1 微觀沖突風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

微觀沖突風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)須滿足以下兩方面的作用：①對(duì)某一時(shí)刻，主車(chē)與某一旁車(chē)是否存在換道沖突進(jìn)行判別；②能有效區(qū)分不同沖突形態(tài)對(duì)車(chē)輛可能帶來(lái)傷害的不同程度。單一的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。為充分考慮換道過(guò)程的非預(yù)定碰撞軌跡交通沖突，選用不基于預(yù)定碰撞軌跡假設(shè)的停車(chē)距離指數(shù)（stop distance index，SDI）來(lái)作為主車(chē)與某旁車(chē)是否存在換道沖突的判別指標(biāo)；同時(shí)，考慮不同側(cè)面碰撞角度帶來(lái)的不同后果，基于沖突能量判別法推導(dǎo)得到損失能量指數(shù)（loss energy index，LEI），由此衡量沖突可能對(duì)車(chē)輛帶來(lái)的傷害嚴(yán)重程度。

2.1.1 停車(chē)距離指數(shù)

停車(chē)距離指數(shù)是根據(jù)停車(chē)視距（stopping sight distance，SSD）來(lái)確定車(chē)輛碰撞風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)［16］。它指的是同一車(chē)道上，車(chē)輛行駛時(shí)遇到前方障礙物而必須采取制動(dòng)停車(chē)時(shí)所需要的最短行車(chē)距離［17］。在如圖5所示的典型同向雙車(chē)道5車(chē)換道場(chǎng)景的某一時(shí)刻t，主車(chē)的停車(chē)視距為

圖5 5車(chē)換道場(chǎng)景主車(chē)與周?chē)?chē)輛的定義

式中：S1，M（t）為t時(shí)刻駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)車(chē)輛行駛的距離；S2，M（t）為t時(shí)刻開(kāi)始制動(dòng)汽車(chē)到汽車(chē)完全停止所行駛距離；vM（t）為當(dāng)前時(shí)刻的主車(chē)車(chē)速，km/h；f為路面與輪胎的縱向摩擦阻力系數(shù)，取決于路面情況與輪胎的材質(zhì)、紋路、磨損程度等；tr為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，一般取2.5 s；Ss為安全距離，一般在使用停車(chē)視距直接作為制動(dòng)決策的依據(jù)時(shí)需要設(shè)置，本研究將其用于風(fēng)險(xiǎn)的量化判斷，為使量化結(jié)果更為直觀，Ss取0?；谥鬈?chē)與前車(chē)的停車(chē)視距，某一時(shí)刻的主車(chē)與前車(chē)之間的停車(chē)距離指數(shù)為

式中：SSDFO（t）、SSDM（t）分別為t時(shí)刻前車(chē)CFO和主車(chē)CM的停車(chē)視距；lM，F(xiàn)O（t）為t時(shí)刻前車(chē)CFO與主車(chē)CM的間距。若SDIM-FO（t）不為正值，說(shuō)明當(dāng)前車(chē)突然全力制動(dòng)時(shí)，主車(chē)無(wú)法進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鱽?lái)避免與前車(chē)相撞，兩車(chē)存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)此，將SDI值是否小于0作為主車(chē)與相應(yīng)的旁車(chē)存在沖突的判別標(biāo)準(zhǔn)。與式（2）的推導(dǎo)過(guò)程同理，主車(chē)與后車(chē)、主車(chē)與鄰前車(chē)、主車(chē)與鄰后車(chē)的停車(chē)距離指數(shù)為

式中：SSDRO（t）、SSDFT（t）、SSDRT（t）分別為t時(shí)刻后車(chē)CRO、鄰前車(chē)CFT和鄰后車(chē)CRT的停車(chē)視距；lM，RO（t）為t時(shí)刻后車(chē)CRO與主車(chē)CM的間距；lM，F(xiàn)T（t）為t時(shí)刻鄰前車(chē)CFT與主車(chē)CM的間距；lM，RT（t）為t時(shí)刻鄰后車(chē)CRT與主車(chē)CM的間距。

2.1.2 損失能量指數(shù)

沖突能量判別法是根據(jù)在交通沖突發(fā)生時(shí)，如果不采取避險(xiǎn)措施會(huì)產(chǎn)生的碰撞傷害能量的大小進(jìn)行嚴(yán)重交通沖突的判別［18］。在遭遇典型碰撞事故時(shí)，車(chē)輛的碰撞能量計(jì)算模型可以從力學(xué)的角度，通過(guò)動(dòng)能和動(dòng)量守恒定律等進(jìn)行推導(dǎo)。由換道潛在沖突形態(tài)可知，在同向雙車(chē)道車(chē)輛換道場(chǎng)景中，各車(chē)輛整體同向行駛，兩車(chē)航向夾角遠(yuǎn)小于90°，在該場(chǎng)景中主要出現(xiàn)追尾碰撞和側(cè)面碰撞兩種可能。

（1）追尾碰撞能量模型的建立

以車(chē)輛行駛方向?yàn)檎?，兩?chē)追尾碰撞前后的速度變化如圖6所示。其中前車(chē)質(zhì)量為m2，碰撞前后速度分別為v2、v′2；后車(chē)質(zhì)量為m1，碰撞前后速度分別為v1、v′1。

圖6 追尾碰撞速度方向變化示意圖

當(dāng)兩車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，碰撞損失能量為

忽略碰撞瞬間兩車(chē)的地面摩擦力，根據(jù)動(dòng)量守恒定律可得

碰撞恢復(fù)系數(shù)e為

由式（7）和式（8）可以將碰撞后的速度寫(xiě)為

將式（9）和式（10）代入式（6）化簡(jiǎn)得到追尾碰撞損失能量為

（2）側(cè)面碰撞能量模型的建立

車(chē)輛不同位置的剛度不同，車(chē)輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移在一定程度上受碰撞位置的影響。由于當(dāng)前的軌跡預(yù)測(cè)技術(shù)尚未能對(duì)碰撞位置進(jìn)行較為精確的預(yù)測(cè)，且考慮碰撞位置會(huì)大幅增加模型推導(dǎo)的難度，本研究忽略碰撞位置的影響，假設(shè)換道過(guò)程的跨道階段可能發(fā)生的潛在側(cè)面碰撞均為側(cè)面向心斜碰撞，即發(fā)生沖突碰撞兩車(chē)的質(zhì)心連線與主撞車(chē)適度矢量在一條直線上。對(duì)向心斜碰撞單純分析其受力方向與速度方向的變化均較抽象，因此將側(cè)面向心斜碰撞分解為側(cè)面向心正碰撞與追尾碰撞的組合碰撞，如圖7所示。車(chē)輛的沖突碰撞形式被分解為主撞車(chē)1和主撞車(chē)2分別同時(shí)沖突碰撞的形式，其中主撞車(chē)1的初始速度為v1x=v1sinθ，主撞車(chē)2的初始速度為v1y=v1cosθ。

圖7 側(cè)面向心斜碰撞運(yùn)動(dòng)分解示意圖

主撞車(chē)1與被撞車(chē)的側(cè)面向心正碰撞的速度變化示意圖如圖8所示。根據(jù)能量守恒定律可得側(cè)面向心正碰撞的損失能量：

圖8 側(cè)面向心正碰撞前后瞬間兩車(chē)的速度變化示意圖

忽略碰撞瞬間兩車(chē)的地面摩擦力，由動(dòng)量守恒定律可得

由矢量關(guān)系有：

碰撞恢復(fù)系數(shù)為

聯(lián)立式（12）~式（15）可得側(cè)面向心正碰撞的損失破壞能量為

按照式（11），分解得到的追尾沖突碰撞能量可以寫(xiě)為

式中e2為所分解的追尾碰撞的碰撞恢復(fù)系數(shù)。

由式（16）和式（17），側(cè)面向心斜碰撞的碰撞損失能量可以寫(xiě)為

（3）損失能量指數(shù)的定義

碰撞損失能量越大，并不意味著碰撞對(duì)車(chē)輛造成的損傷越大。對(duì)于車(chē)輛來(lái)說(shuō)，還要結(jié)合車(chē)輛自身能承受的能量來(lái)分析。車(chē)身所能承受的碰撞能量與車(chē)輛的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越大，所能承受的碰撞能量也就越大。因此，采用碰撞損失能量與車(chē)輛自身質(zhì)量的比值來(lái)衡量碰撞嚴(yán)重程度，稱為損失能量指數(shù)LEI。碰撞恢復(fù)系數(shù)e與參與碰撞車(chē)輛的車(chē)身材料有關(guān)，為便于計(jì)算，將車(chē)輛均假設(shè)為剛體，則所發(fā)生的碰撞是完全非彈性碰撞，e取為0。追尾碰撞的損失能量指數(shù)可以寫(xiě)為

式中rm表示主撞車(chē)與被撞車(chē)的質(zhì)量比。當(dāng)它越大，主撞車(chē)的損失能量指數(shù)越小，則主撞車(chē)的碰撞嚴(yán)重程度越小。同理，側(cè)面向心斜碰撞的損失能量指數(shù)為

對(duì)比式（19）和式（20）可知，當(dāng)側(cè)面碰撞的夾角θ為0時(shí)，側(cè)面碰撞與追尾碰撞LEI的計(jì)算公式相同。因此，也可以把追尾碰撞看成是夾角θ為0的側(cè)面碰撞，則損失能量指數(shù)的計(jì)算公式可統(tǒng)一為

式中：LEI（t）表示t時(shí)刻的兩車(chē)損失能量指數(shù)；v1（t）、v2（t）分別表示t時(shí)刻兩車(chē)的速度；θ（t）表示t時(shí)刻兩車(chē)的航向角夾角，若潛在碰撞形式為追尾碰撞，則θ（t）默認(rèn)為0。

2.2 宏觀換道風(fēng)險(xiǎn)特征

沖突風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)定義了微觀層面上的風(fēng)險(xiǎn)，即某一時(shí)刻主車(chē)與某一旁車(chē)之間存在的換道沖突風(fēng)險(xiǎn)。為從宏觀的層面表征整個(gè)換道時(shí)域內(nèi)的主車(chē)與某一旁車(chē)之間的沖突風(fēng)險(xiǎn)，在沖突風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)中進(jìn)一步提取兩個(gè)統(tǒng)計(jì)特征，稱為風(fēng)險(xiǎn)暴露水平（risk exposure level，REL）和風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度（risk severity level，RSL），進(jìn)行進(jìn)一步的宏觀量化。

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)暴露水平

風(fēng)險(xiǎn)暴露水平REL用于衡量整個(gè)換道過(guò)程，主車(chē)與某一旁車(chē)發(fā)生碰撞的可能性。為對(duì)REL進(jìn)行定義與計(jì)算，首先對(duì)風(fēng)險(xiǎn)暴露狀態(tài)δ進(jìn)行定義。按圖1所示的換道軌跡劃分方法，在不同的換道階段內(nèi)，對(duì)不同位置的旁車(chē)是否處于風(fēng)險(xiǎn)暴露狀態(tài)的定義有所不同。由表1可知，原車(chē)道的前車(chē)CFO和后車(chē)CRO只在準(zhǔn)備階段和跨道階段有與主車(chē)發(fā)生追尾碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，因而CM與CFO、CRO之間的風(fēng)險(xiǎn)暴露狀態(tài)為

式中：δ（t）=1表示CM處于風(fēng)險(xiǎn)暴露狀態(tài)，δ（t）=0表示CM未處于風(fēng)險(xiǎn)暴露狀態(tài)。顯然，只有當(dāng)時(shí)間幀t處于換道準(zhǔn)備階段（T0≤t≤T2），且SDI不大于0時(shí)，才認(rèn)為CM與CFO、CRO之間處于風(fēng)險(xiǎn)暴露狀態(tài)。

同樣由表1可見(jiàn)，目標(biāo)車(chē)道的前后車(chē)CFT和CRT在換道的跨道階段有與主車(chē)發(fā)生側(cè)向碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，在換道的回正階段，有與主車(chē)發(fā)生追尾碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。雖然在換道跨道階段，兩車(chē)并非在每一時(shí)刻t都與主車(chē)處于相同的車(chē)道，但主車(chē)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是在向目標(biāo)車(chē)道逼近，因此認(rèn)為在此階段內(nèi)的兩車(chē)與主車(chē)之間的SDI不大于0時(shí)，有發(fā)生側(cè)向碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。CM與CFT、CRT之間的風(fēng)險(xiǎn)暴露狀態(tài)為

當(dāng)換道時(shí)長(zhǎng)相同時(shí)，處于風(fēng)險(xiǎn)暴露狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，主車(chē)與相應(yīng)的旁車(chē)發(fā)生碰撞的可能性也就隨之增加。因此，將定義REL為CM處于風(fēng)險(xiǎn)暴露狀態(tài)的時(shí)間占換道總時(shí)長(zhǎng)的比值，相應(yīng)的計(jì)算公式為

式中ΔT表示換道總時(shí)長(zhǎng)。顯然，REL的取值范圍為［0，1］。

2.2.2 風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度

風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度RSL用來(lái)衡量整個(gè)換道過(guò)程中，主車(chē)與相應(yīng)位置旁車(chē)的潛在沖突風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度。對(duì)所有δ（t）=1的時(shí)刻使用式（21）計(jì)算損失能量指數(shù)，若潛在碰撞形式為追尾碰撞，潛在碰撞夾角θ為0；若潛在碰撞形式為側(cè)面碰撞，潛在碰撞夾角θ用兩車(chē)的航向角夾角近似代替。得到每一風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)刻的損失能量指數(shù)后，RSL用車(chē)輛可能發(fā)生的碰撞最大損失能量指數(shù)來(lái)衡量，并進(jìn)行歸一化處理，以保證RSL和REL具有相同的取值范圍，其計(jì)算公式為

式中：LEImax為整個(gè)換道軌跡的最大損失能量指數(shù)；N（·）為歸一化函數(shù)。最常用的方法之一是minmax歸一化，但該方法的計(jì)算需要提前得到變量的理論上限值與下限值。LEI的理論下限值是0，理論上限值難以推導(dǎo)。且由于自然駕駛軌跡本身的特性，采用min-max歸一化的結(jié)果可能會(huì)過(guò)多地集中于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間，不便于不同換道軌跡之間的風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)比。

為使歸一化后的RSL能有效區(qū)分不同樣本的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間，采用一種基于統(tǒng)計(jì)百分位的非線性歸一化方法。該方法求解LEI→RSL的映射關(guān)系，從定義域［0，+∞），映射到［0，1］的值域上。該方法映射過(guò)程不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是通過(guò)函數(shù)變換使映射值在值域的分布情況不同于原值在定義域的分布，而最終RSL的統(tǒng)計(jì)分布相對(duì)平均。將映射分為兩步進(jìn)行，第一步的映射關(guān)系設(shè)為

該步映射主要改變統(tǒng)計(jì)分布，y的值域仍為［0，+∞）。第二步的映射y→RSL則將定義域［0，+∞）映射為值域［0，1］，采用如下所示的指數(shù)函數(shù)模型可以實(shí)現(xiàn)：

選用自然駕駛數(shù)據(jù)中相應(yīng)LEI值對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)百分位數(shù)來(lái)作為最終的RSL值。在實(shí)際應(yīng)用中，基于大量的自然駕駛軌跡數(shù)據(jù)，計(jì)算得到RSL的大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每隔10百分位記錄10~90百分位對(duì)應(yīng)的LEI值，將不同的百分位作為最終映射得到的RSL值。根據(jù)式（29）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的y值，如表2所示，然后根據(jù)y與LEImax的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值擬合的方式得到映射關(guān)系。

表2 不同百分位數(shù)對(duì)應(yīng)的映射值

現(xiàn)舉例具體說(shuō)明兩個(gè)指標(biāo)的量化過(guò)程。假設(shè)鄰后車(chē)CRT與主車(chē)CM在整個(gè)換道過(guò)程中的SDI曲線變化以及LEI計(jì)算結(jié)果如圖9所示?？梢杂?jì)算得出，對(duì)于該換道軌跡，風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)長(zhǎng)為ΔT1+ΔT2，風(fēng)險(xiǎn)暴露水平REL為（ΔT1+ΔT2）/（T3-T0），最大損失能量指數(shù)為L(zhǎng)EI（Ta），風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度RSL為N（LEI（Ta））。

圖9 某次換道過(guò)程CRT與CM的SDI與LEI計(jì)算結(jié)果

2.3 系統(tǒng)性換道風(fēng)險(xiǎn)分析

REL和RSL量化了整個(gè)換道時(shí)域內(nèi)主車(chē)與某一旁車(chē)發(fā)生碰撞的可能性和嚴(yán)重程度，為衡量主車(chē)與所有旁車(chē)的系統(tǒng)性換道風(fēng)險(xiǎn)，采用故障樹(shù)分析法FTA［19］對(duì)換道進(jìn)行系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)分析。

FTA被廣泛用于分析由人為錯(cuò)誤和多種推理因素引起的復(fù)雜事件，近年來(lái)也廣泛應(yīng)用于交通沖突分析領(lǐng)域［16］。FTA的主要目標(biāo)是識(shí)別整個(gè)系統(tǒng)的故障與系統(tǒng)各組成部分的故障之間的關(guān)系，并圖形化地顯示關(guān)聯(lián)事件鏈。它是識(shí)別導(dǎo)致失敗的貢獻(xiàn)者的有用工具，每個(gè)事件的失敗概率可被模型合并來(lái)評(píng)估一個(gè)給定的整個(gè)系統(tǒng)的功能。

將車(chē)輛換道定義為一個(gè)可進(jìn)行碰撞風(fēng)險(xiǎn)分析的系統(tǒng)。事件失效定義為主車(chē)CM與周?chē)攒?chē)發(fā)生碰撞，記為φ（i）。風(fēng)險(xiǎn)暴露水平REL和風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度RSL定義為兩個(gè)失效因素。失效事件的發(fā)生由這兩個(gè)因素綜合體現(xiàn)，只有這兩個(gè)因素均達(dá)到較高水平時(shí)，事件失效風(fēng)險(xiǎn)才達(dá)到較高的水平，采用“與”運(yùn)算來(lái)表示這種關(guān)系，計(jì)算公式為

式中i=1，2，3，4分別表示主車(chē)CM與前車(chē)CFO、后車(chē)CRO、鄰前車(chē)CFT、鄰后車(chē)CRT的失效事件。

系統(tǒng)的故障ψ定義為主車(chē)CM沒(méi)能成功換道。而主車(chē)CM只要與任何旁車(chē)發(fā)生失效事件，整個(gè)系統(tǒng)就發(fā)生了故障，此時(shí)的系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該達(dá)到較高水平。因此，各個(gè)失效事件之間應(yīng)該以“或”運(yùn)算來(lái)得到最終的系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算公式為

完整的故障樹(shù)推理過(guò)程如圖10所示。

圖10 換道系統(tǒng)故障樹(shù)推理過(guò)程

3 量化方法應(yīng)用試驗(yàn)

為驗(yàn)證所提出的量化方法的有效性，從自然駕駛數(shù)據(jù)集中提取換道軌跡樣本，以不同類(lèi)型、不同位置的換道軌跡客觀風(fēng)險(xiǎn)特征作為量化指標(biāo)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，使用綜合量化方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)值量化試驗(yàn)分析。

3.1 自然駕駛數(shù)據(jù)來(lái)源

考慮到國(guó)內(nèi)尚未有成熟的自然駕駛軌跡數(shù)據(jù)集，采用德國(guó)高速公路的大型自然車(chē)輛軌跡數(shù)據(jù)集——HighD數(shù)據(jù)集［20］作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)集。德國(guó)的交通規(guī)范與中國(guó)類(lèi)似，遵循左超車(chē)原則［21］，因而道路交通環(huán)境與國(guó)內(nèi)有一定相似性，目前國(guó)內(nèi)已有相關(guān)研究采用該數(shù)據(jù)集進(jìn)行自動(dòng)駕駛規(guī)劃決策的算法研究，并在我國(guó)實(shí)際道路場(chǎng)景中進(jìn)行了驗(yàn)證［22-23］。該數(shù)據(jù)集從德國(guó)高速公路的無(wú)人機(jī)錄像中提取車(chē)輛的后處理軌跡，包括來(lái)自6個(gè)地點(diǎn)的11.5 h測(cè)量值和110 000車(chē)輛，所測(cè)量的車(chē)輛總行駛里程為45 000 km，其記錄場(chǎng)景如圖11所示。HighD數(shù)據(jù)集包含超過(guò)11 000個(gè)車(chē)道變化，數(shù)據(jù)集的原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量較高，使用了多個(gè)后處理步驟消除了所有記錄錯(cuò)誤，并平滑了提取的軌跡，因此無(wú)須對(duì)軌跡做進(jìn)一步后處理。

圖11 HighD數(shù)據(jù)記錄場(chǎng)景

數(shù)據(jù)集所使用的全局坐標(biāo)系與視頻的圖像坐標(biāo)系相對(duì)應(yīng)，原點(diǎn)位于左上角，如圖12所示。坐標(biāo)系的橫軸是x軸，指向車(chē)輛行駛方向，向右為正方向；縱軸是y軸，向下為正方向。另外，所有的尺寸都由像素單位轉(zhuǎn)換成了SI單位。車(chē)道從上往下由1開(kāi)始編號(hào)，第一條車(chē)道線以上、最后一條車(chē)道線以下和中間隔離帶的非行駛區(qū)域也都給予編號(hào)。除非另有說(shuō)明，所有的記錄數(shù)據(jù)都使用全局坐標(biāo)系。

圖12 HighD數(shù)據(jù)坐標(biāo)定義

數(shù)據(jù)集包括從60個(gè)錄像中提取的數(shù)據(jù)。其中，01-03、15-24號(hào)錄像記錄的路段為雙向四車(chē)道；04-14、25-57號(hào)錄像記錄的路段為雙向六車(chē)道；58-60號(hào)錄像記錄的路段為雙向六車(chē)道，且在最上方記錄了入口匝道的情況。

每個(gè)錄像數(shù)據(jù)文件包括4個(gè)csv文件。描述位置的csv文件主要包含視頻幀率、記錄位置、限速情況、記錄日期、持續(xù)時(shí)間、不同類(lèi)型車(chē)輛數(shù)量（轎車(chē)或載貨車(chē)）和車(chē)道位置等信息。統(tǒng)計(jì)車(chē)輛情況的csv文件按車(chē)輛編號(hào)記錄了每一輛車(chē)的外形尺寸、起始與結(jié)束的幀號(hào)、類(lèi)別、行駛方向、換道次數(shù)和軌跡全程的最大最小速度等統(tǒng)計(jì)信息。車(chē)輛軌跡的csv文件是數(shù)據(jù)集的核心數(shù)據(jù)，按車(chē)輛編號(hào)和幀號(hào)的先后順序記錄每一輛車(chē)的運(yùn)動(dòng)信息和周?chē)?chē)輛的信息。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)量化數(shù)據(jù)的獲取

3.2.1 換道場(chǎng)景數(shù)據(jù)提取

首先將換道車(chē)輛（主車(chē)）的軌跡與車(chē)道線的相交點(diǎn)定義為軌跡跨道點(diǎn)；然后從該點(diǎn)沿軌道向后退方向遍歷，當(dāng)連續(xù)3個(gè)采樣點(diǎn)的車(chē)輛航向角θ小于閾值θth=0.02 rad時(shí)，則將第1個(gè)航向角小于閾值的采樣點(diǎn)作為換道起點(diǎn)［24］。至于跨道階段終點(diǎn)，按前面的劃分，從軌跡跨道點(diǎn)，沿軌跡向前進(jìn)方向遍歷，當(dāng)把車(chē)輛中心在地面的投影點(diǎn)與車(chē)道線的y向距離等于L和W分別為車(chē)輛的長(zhǎng)度和寬度）時(shí)的采樣點(diǎn)，即為跨道階段的終點(diǎn)，也即回正階段的起點(diǎn)。最后，從該點(diǎn)繼續(xù)沿軌跡向前進(jìn)方向遍歷，當(dāng)連續(xù)3個(gè)采樣點(diǎn)的車(chē)輛航向角θ小于閾值θth=0.02 rad時(shí)，則將第1個(gè)航向角小于閾值的采樣點(diǎn)作為回正階段的終點(diǎn)，也即整個(gè)換道過(guò)程的終點(diǎn)。在整個(gè)換道過(guò)程，提取主車(chē)相應(yīng)時(shí)間幀內(nèi)的所有軌跡信息，可得到一條完整的換道軌跡。對(duì)于記錄時(shí)間幀內(nèi)找不到4個(gè)分割點(diǎn)的軌跡，均視為不完整軌跡，將其刪除。對(duì)所有錄像的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，得到完整換道軌跡7 047條，其中，向左換道軌跡3 627條，向右換道軌跡3 420條，平均幀數(shù)為120.02幀，記錄幀率均為25 Hz，平均換道時(shí)間為4.80 s。

在提取到主車(chē)的換道軌跡后，還須提取相應(yīng)時(shí)間的旁車(chē)軌跡，來(lái)構(gòu)成完整的5車(chē)換道場(chǎng)景。換道過(guò)程中，由于主車(chē)自身的運(yùn)動(dòng)或其他車(chē)道車(chē)輛的跨車(chē)道運(yùn)動(dòng)，主車(chē)與旁車(chē)所記錄的位置關(guān)系可能有所變化。在場(chǎng)景提取過(guò)程中，統(tǒng)一把主車(chē)在軌跡跨道點(diǎn)的前一幀（車(chē)道編號(hào)仍為原始車(chē)道）的前后車(chē)編號(hào)和目標(biāo)車(chē)道的前后車(chē)編號(hào)作為整個(gè)換道過(guò)程相應(yīng)位置的旁車(chē)編號(hào)。若不存在相應(yīng)的旁車(chē)編號(hào)，則用空缺記號(hào)標(biāo)記，表示主車(chē)換道過(guò)程中，不存在該位置的旁車(chē)。根據(jù)旁車(chē)編號(hào)，提取換道時(shí)間幀內(nèi)相應(yīng)旁車(chē)的軌跡信息，和主車(chē)軌跡一起，構(gòu)成了一條完整場(chǎng)景信息。

3.2.2 未知信息的處理

損失能量指數(shù)的計(jì)算須使用車(chē)輛的質(zhì)量信息，HighD數(shù)據(jù)集原始數(shù)據(jù)并未提供。為此，根據(jù)車(chē)輛的尺寸信息來(lái)近似估算車(chē)輛的質(zhì)量信息。數(shù)據(jù)集的車(chē)輛類(lèi)型主要包括轎車(chē)和載貨車(chē)兩種。查閱德國(guó)本土近年的汽車(chē)銷(xiāo)量情況［25］，選擇銷(xiāo)量領(lǐng)先的一款大眾高爾夫轎車(chē)與一款奔馳重型載貨車(chē)，獲得其具體的車(chē)輛參數(shù)如表3所示。按一般道理，車(chē)輛的質(zhì)量近似與車(chē)輛外接長(zhǎng)方體的體積成正比，但本文所采用的HighD數(shù)據(jù)集是使用無(wú)人機(jī)從空中俯瞰拍攝提取的車(chē)輛數(shù)據(jù)，只有車(chē)輛的俯視圖，無(wú)法得到車(chē)輛高度的信息，只能權(quán)且用質(zhì)量面積比來(lái)代替，實(shí)為雙重近似，存在一定的誤差。根據(jù)車(chē)輛參數(shù)，計(jì)算質(zhì)量與占地面積的比值，稱為質(zhì)量尺寸比。用兩款車(chē)的質(zhì)量尺寸比分別近似等同于數(shù)據(jù)集中拍攝車(chē)輛的質(zhì)量尺寸比，則可通過(guò)數(shù)據(jù)集中的車(chē)輛尺寸近似計(jì)算車(chē)輛質(zhì)量。

表3 車(chē)輛參數(shù)

3.3 應(yīng)用試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.3.1RSL歸一化函數(shù)擬合

計(jì)算所有完整換道軌跡相應(yīng)的換道場(chǎng)景中，主車(chē)與所有旁車(chē)的最大LEI值，統(tǒng)計(jì)其中非0值的分布情況如圖13所示。可以看到，最大LEI值分布較為集中，主要在20以下的區(qū)間內(nèi)，且頻數(shù)隨量化值的增大逐步降低，符合自然駕駛軌跡的低風(fēng)險(xiǎn)特性。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中記錄10~90百分位對(duì)應(yīng)的最大LEI值，如表4所示。

圖13 HighD數(shù)據(jù)集換道軌跡LEImax統(tǒng)計(jì)分布圖

表4 HighD數(shù)據(jù)集不同百分位的映射對(duì)應(yīng)結(jié)果

以y為縱坐標(biāo)，LEImax為橫坐標(biāo)畫(huà)出y=f（LEImax）函數(shù)的擬合樣本點(diǎn)，并對(duì)函數(shù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果（R2=0.9996）如圖14所示。擬合曲線模型為

圖14 樣本點(diǎn)與曲線擬合效果

其中各參數(shù)的擬合結(jié)果為p1=43.73，p2=2098，p3=-309.3，q1=1018，q2=9960。

聯(lián)立式（29）和式（32），風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度最終的歸一化函數(shù)形式為

歸一化后，HighD數(shù)據(jù)集RSL的量化值分布如圖15所示?？梢钥吹?，采用所擬合的歸一化模型后，RSL的量化值較為平均地分布在0-1的各個(gè)區(qū)間內(nèi)，有利于智能車(chē)輛安全換道決策過(guò)程對(duì)不同換道軌跡的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比分析。

圖15 HighD數(shù)據(jù)集換道軌跡RSL量化結(jié)果分布情況

3.3.2 不同類(lèi)型軌跡的風(fēng)險(xiǎn)量化與結(jié)果分析

為對(duì)比不同類(lèi)型的換道軌跡的風(fēng)險(xiǎn)量化情況，將7 047條換道軌跡分為自由換道和強(qiáng)制換道兩類(lèi)。自由換道是指駕駛員為追求更佳的駕駛條件而發(fā)生的換道行為，強(qiáng)制換道則是指車(chē)輛受前方車(chē)輛或道路的阻礙而必須執(zhí)行的換道行為。統(tǒng)計(jì)軌跡跨道點(diǎn)之前，主車(chē)與前車(chē)的碰撞時(shí)間和車(chē)頭時(shí)距，來(lái)區(qū)分換道軌跡的這兩種類(lèi)型［26］。強(qiáng)制換道的判定標(biāo)準(zhǔn)為：換道前最小碰撞時(shí)間在0~10 s的范圍內(nèi)，且最小車(chē)頭時(shí)距小于3 s。不滿足該標(biāo)準(zhǔn)的換道均視為自由換道。最終將7 047條分為自由換道4 442組，強(qiáng)制換道2 605組。

采用換道軌跡風(fēng)險(xiǎn)綜合量化方法分別對(duì)自由換道和強(qiáng)制換道的軌跡進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化，分別統(tǒng)計(jì)兩種類(lèi)型軌跡的量化結(jié)果在不同區(qū)間的分布情況，如圖16所示?？梢钥吹?，自由換道的軌跡量化風(fēng)險(xiǎn)值集中于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，尤其是0~0.05的區(qū)間內(nèi)，占樣本總體的63.77%；其它區(qū)間的樣本分布較少，且隨著風(fēng)險(xiǎn)值的增大，分布數(shù)量也呈下降趨勢(shì)。而強(qiáng)制換道的量化風(fēng)險(xiǎn)值的分布則較為均勻，且高風(fēng)險(xiǎn)值（＞0.5）的樣本數(shù)較多，分布頻率以0.7-0.8區(qū)間為峰值向兩側(cè)遞減，最大分布頻率僅占所有樣本的9.52%。

圖16 兩種換道類(lèi)型風(fēng)險(xiǎn)量化結(jié)果

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)自由換道和強(qiáng)制換道的所有樣本的換道時(shí)長(zhǎng)和沖突風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)值，結(jié)果如

表5所示。可以看到，強(qiáng)制換道軌跡的換道總時(shí)長(zhǎng)均值略大于自由換道軌跡，而風(fēng)險(xiǎn)暴露時(shí)長(zhǎng)均值則是自由換道軌跡的3.15倍，這說(shuō)明強(qiáng)制換道過(guò)程中，車(chē)輛在更多的時(shí)刻處于風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，與周?chē)?chē)輛發(fā)生碰撞的可能性更高。且強(qiáng)制換道軌跡的最大損失能量指數(shù)均值是自由換道的4.58倍，說(shuō)明強(qiáng)制換道過(guò)程車(chē)輛與其他潛在車(chē)輛碰撞的嚴(yán)重程度也更高。自然駕駛時(shí)，車(chē)輛在執(zhí)行強(qiáng)制換道過(guò)程中，往往并不具備理想的換道條件，主車(chē)與旁車(chē)不一定能保持足夠的安全距離，這些因素決定了強(qiáng)制換道客觀存在著比自由換道更高的換道風(fēng)險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，所提出的換道軌跡風(fēng)險(xiǎn)綜合量化方法可較好地反映不同類(lèi)型的自然駕駛換道過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)值。

表5 兩種換道類(lèi)型量化結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.3.3 不同位置車(chē)道的風(fēng)險(xiǎn)量化與結(jié)果分析

選擇04-14、25-57號(hào)共44個(gè)雙向六車(chē)道路段錄像數(shù)據(jù)的換道軌跡。根據(jù)主車(chē)在換道過(guò)程中處于道路的外側(cè)車(chē)道（靠近應(yīng)急車(chē)道）、中間車(chē)道還是內(nèi)側(cè)車(chē)道，將所有換道樣本數(shù)據(jù)分為內(nèi)側(cè)換道和外側(cè)換道。內(nèi)側(cè)換道是內(nèi)側(cè)車(chē)道與中間車(chē)道之間的車(chē)輛換道動(dòng)作，外側(cè)換道是指外側(cè)車(chē)道與中間車(chē)道之間的車(chē)輛換道動(dòng)作。按每一個(gè)錄像的所有內(nèi)側(cè)換道與外側(cè)換道數(shù)據(jù)計(jì)算平均量化風(fēng)險(xiǎn)值，得到結(jié)果如圖17所示。可以看出，對(duì)于每一個(gè)錄像數(shù)據(jù)，內(nèi)側(cè)換道的風(fēng)險(xiǎn)均值均高于外側(cè)換道，平均風(fēng)險(xiǎn)差值為0.04。存在這一差距是因?yàn)榈聡?guó)的行車(chē)規(guī)范與我國(guó)類(lèi)似［21］，即遵循從左超車(chē)原則，規(guī)范行車(chē)速度內(nèi)側(cè)車(chē)道高于中間車(chē)道，中間車(chē)道高于外側(cè)車(chē)道。這可以通過(guò)HighD數(shù)據(jù)集得到驗(yàn)證：統(tǒng)計(jì)44個(gè)錄像數(shù)據(jù)中3個(gè)位置車(chē)道的車(chē)輛平均速度結(jié)果如圖18所示?？梢钥闯?，44個(gè)錄像數(shù)據(jù)平均車(chē)速均遵循從外側(cè)車(chē)道到內(nèi)側(cè)車(chē)道依次上升。進(jìn)一步計(jì)算外側(cè)換道和內(nèi)側(cè)換道的平均換道時(shí)長(zhǎng)，結(jié)果如圖19所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)換道的平均換道時(shí)長(zhǎng)普遍比外側(cè)換道短，這表明：由于行駛速度更高，內(nèi)側(cè)換道行為更加急促，駕駛員需要在更短的時(shí)間內(nèi)完成換道動(dòng)作，車(chē)輛與旁車(chē)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)增加，最終表現(xiàn)為量化風(fēng)險(xiǎn)值的提高。由此可見(jiàn)，所提出的換道軌跡風(fēng)險(xiǎn)綜合量化方法能反映不同位置車(chē)道的自然駕駛換道過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)的高低。

圖17 不同位置換道平均量化風(fēng)險(xiǎn)值

圖18 不同車(chē)道車(chē)輛平均車(chē)速

圖19 不同位置換道平均換道時(shí)長(zhǎng)

綜合對(duì)不同類(lèi)型的換道軌跡風(fēng)險(xiǎn)量化和位于不同位置車(chē)道的換道軌跡風(fēng)險(xiǎn)量化的分析結(jié)果可知，所提出的換道軌跡風(fēng)險(xiǎn)綜合量化方法能合理地對(duì)換道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化。對(duì)于自由換道軌跡，量化結(jié)果符合其相對(duì)集中的低風(fēng)險(xiǎn)特性；對(duì)于強(qiáng)制換道軌跡，量化結(jié)果符合其高風(fēng)險(xiǎn)特性，且量化結(jié)果較為分散，能有效對(duì)比區(qū)分不同軌跡的換道風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于不同位置的換道，量化結(jié)果符合內(nèi)外車(chē)道的不同行駛速度帶來(lái)的客觀風(fēng)險(xiǎn)特性。

4 結(jié)論

（1）基于交通沖突理論，針對(duì)完整的車(chē)輛換道過(guò)程，分析得出車(chē)輛在不同階段與周?chē)?chē)輛的潛在沖突形式。

（2）通過(guò)微觀沖突風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)推導(dǎo)、宏觀換道風(fēng)險(xiǎn)特征提取和系統(tǒng)性換道風(fēng)險(xiǎn)分析，建立了同時(shí)考慮潛在碰撞的可能性與嚴(yán)重程度的換道軌跡風(fēng)險(xiǎn)綜合量化方法。

（3）利用自然駕駛數(shù)據(jù)，對(duì)綜合軌跡風(fēng)險(xiǎn)量化方法進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的合理性與客觀性。在缺乏有效事故數(shù)據(jù)的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換道軌跡風(fēng)險(xiǎn)的科學(xué)量化。

（4）所構(gòu)建的綜合軌跡風(fēng)險(xiǎn)量化方法，可與軌跡預(yù)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，基于對(duì)換道過(guò)程的旁車(chē)行駛軌跡的預(yù)測(cè)結(jié)果，量化車(chē)輛尚未執(zhí)行的換道軌跡的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，提供先驗(yàn)的換道安全性信息，為結(jié)構(gòu)化道路中的智能車(chē)輛安全換道的規(guī)劃與決策提供有價(jià)值的參考依據(jù)。