鹿心寧傅白白李樹彬

(1.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；3.建筑與城鄉(xiāng)空間設(shè)計(jì)數(shù)字仿真山東省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南250101；4.山東警察學(xué)院 交通管理工程系，山東濟(jì)南250014)

0 引言

跟馳和換道是車輛在道路行駛中難以避免的駕駛行為。換道是駕駛員為達(dá)到特定行駛目的，通過觀察周邊車輛行駛情況和道路交通環(huán)境，進(jìn)行綜合判斷并調(diào)整駕駛操作以完成車道變換的行為，與跟馳行為相比更為復(fù)雜[1-3]。在換道過程中，駕駛員需要觀察分析自身車輛前后方和側(cè)向區(qū)域內(nèi)的道路狀況，并對(duì)自身與周圍車輛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系及發(fā)生碰撞的可能性做出正確的判斷。

次近鄰車輛是影響駕駛員駕駛行為的重要因素。在現(xiàn)有換道安全性的研究中，通常僅考慮換道車輛與直接相鄰車輛之間的相互影響，未考慮對(duì)其次近鄰車輛安全造成的影響，默認(rèn)在換道過程中未與周邊直接相鄰車輛發(fā)生碰撞即為安全換道。在實(shí)際駕駛過程中，特別是在交通流密度大、車輛間距較小的擁堵情況下，面臨前車發(fā)生換道的情況，直接相鄰車輛僅依據(jù)前車行駛狀況采取避讓措施，而不會(huì)顧及后續(xù)車輛；次近鄰車輛駕駛員雖有觀察前車行駛狀況的意識(shí)，卻常因未能及時(shí)預(yù)判前車運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或誤判而無法及時(shí)做出減速措施，進(jìn)而導(dǎo)致不良后果，這也是實(shí)際道路中追尾交通事故發(fā)生的重要原因之一。在換道過程中，次近鄰車輛受到換道車輛、直接相鄰車輛共同影響。因此，研究次近鄰車輛換道安全具有重要意義。

近年來，換道行為對(duì)交通安全的負(fù)面影響日益受到關(guān)注[4-6]。在現(xiàn)有的換道影響研究中，對(duì)于安全性的研究占多數(shù)，不恰當(dāng)?shù)膿Q道行為不僅會(huì)使其后續(xù)車輛面臨碰撞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)會(huì)引起該車道交通流量下降，影響通行效率。換道影響中的安全性研究對(duì)于交通安全事故的預(yù)防及提升道路交通流效率具有重要意義。LI等[7]利用原車道和目標(biāo)車道上的換道速度、間距和加速度等微觀交通變量預(yù)測(cè)了摩托車、卡車、乘用車的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。YANG等[8]通過速度變化率、剎車時(shí)間和碰撞時(shí)間，研究了換道車輛后車的剎車特征和可接受換道間距?？讘椌甑萚9]利用元胞自動(dòng)機(jī)描述了考慮次近鄰車輛的擁堵交通流，并模擬出了次近鄰車輛影響下?lián)矶碌漠a(chǎn)生及消散的過程。ZHAO等[10]構(gòu)建了次近鄰車輛影響下的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析了次近鄰車輛影響下交通動(dòng)態(tài)演化特征?？梢?，目前對(duì)于換道安全的研究多數(shù)集中在換道車輛本身和直接相鄰車輛之間的相互作用，沒有將次近鄰車輛考慮在影響范圍內(nèi)，對(duì)于次近鄰車輛的研究沒有探討其安全問題。因此，采用數(shù)據(jù)分析方法，分析了次近鄰車輛安全問題，建立起速度指標(biāo)與次近鄰車輛安全間的關(guān)聯(lián)性。

1 次近鄰車輛換道影響階段及參數(shù)分析

為了明確換道行為對(duì)后車產(chǎn)生的影響，將換道過程分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段。如圖1所示，第Ⅰ階段是自換道車輛(Lane Changing Vehicle，LCV)在原車道發(fā)生車頭偏轉(zhuǎn)至其在目標(biāo)車道被識(shí)別，此階段標(biāo)志著換道行為的開始，該階段直接相鄰車輛(Following Vehicle，F(xiàn)V)開始采取減速措施。在第Ⅰ階段換道車輛未在次近鄰車輛可觀察的范圍內(nèi)，即次近鄰車輛無法根據(jù)換道車輛調(diào)整自己的駕駛行為。第Ⅱ階段稱作趨于穩(wěn)定階段，在此階段，換道車輛開始采取相應(yīng)加減速措施以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在目標(biāo)車道的駕駛目的，此時(shí)次近鄰車輛(Next-nearest Following Vehicle，NFV)受到換道車輛傳遞的干擾，需感知前方車輛信息，以實(shí)現(xiàn)最終穩(wěn)定的駕駛狀態(tài)。在第Ⅱ階段換道車輛、直接相鄰車輛均對(duì)次近鄰車輛產(chǎn)生影響。

在實(shí)際交通流中，考慮到駕駛安全的因素，駕駛員通常會(huì)根據(jù)前車的速度變化和前車與自身車輛的距離來改變自己的行駛速度，因此次近鄰車輛在下一時(shí)刻的速度主要取決于其本時(shí)刻的速度、與前車的速度差、車頭間距[11]；針對(duì)次近鄰車輛進(jìn)行換道安全分析，考慮到次近鄰車輛受前面兩車共同影響，故將換道車輛在換道初始狀態(tài)的速度、換道間距考慮在內(nèi)。文章選取車輛速度、相鄰車輛速度差和車頭間距等參數(shù)用于分析，如圖1所示。其中，v1(t)為換道車速度，m/s；v2(t)為直接相鄰車輛速度，m/s；v3(t)為次近鄰車輛速度，m/s；Δv1(t)為換道車與直接相鄰車輛速度差，m/s；Δv2(t)為次近鄰車輛與直接相鄰車輛速度差，m/s；Δx1(t)為直接相鄰車輛和換道車之間車頭間距，m；Δx2(t)為次近鄰車輛和直接相鄰車輛之間車頭間距，m。

圖1 換道過程中換道車輛與次近鄰車輛關(guān)系圖

2 次近鄰車輛數(shù)據(jù)收集和處理

現(xiàn)使用的下一代仿真(Next Generation Simulation，NGSIM)數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于各種交通流研究[12-14]。選取其中的I-80數(shù)據(jù)集，共有45 min的數(shù)據(jù)，分為3個(gè)15 min的時(shí)間段:16時(shí)至16時(shí)15分，17時(shí)至17時(shí)15分，17時(shí)15分至17時(shí)30分。這些時(shí)間段代表了路況從非擁堵狀態(tài)到高峰期完全擁堵狀態(tài)的變化。采集點(diǎn)位于美國(guó)加利福尼亞州埃默里維爾市舊金山灣區(qū)的I-80號(hào)公路上，采集長(zhǎng)度為500 m，由6條高速公路車道組成，其中包括一條高占用率車道和一個(gè)入口匝道。

基于計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言Python的集成開發(fā)環(huán)境PyCharm和包管理工具Anaconda平臺(tái)，從原始數(shù)據(jù)中，經(jīng)初步處理得到了317組含有次近鄰車輛的換道數(shù)據(jù)。初步處理即完成以下步驟:

(1)保留在數(shù)據(jù)記錄時(shí)間內(nèi)車道ID不唯一的車輛；

(2)僅選用車輛類型為小汽車的數(shù)據(jù)；

(3)剔除在數(shù)據(jù)記錄時(shí)間內(nèi)無后車的車輛；

(4)剔除與后車在相近時(shí)間內(nèi)同時(shí)換道的車輛。

基于以上步驟，可以得到基本符合條件的換道車輛數(shù)據(jù)組，為保證用于分析的車輛軌跡數(shù)據(jù)包含充足、準(zhǔn)確的換道信息，進(jìn)一步處理原則如下:

(1)保證換道過程記錄在時(shí)間上的完整性，剔除換道車輛中換道時(shí)間跨度過大的異常值；

(2)觀察次近鄰車輛在換道發(fā)生后的駕駛特性，需選取換道事件發(fā)生后，次近鄰車輛仍然保持跟馳狀態(tài)的車輛組；

(3)換道起止時(shí)刻信息需對(duì)應(yīng)，剔除次近鄰車輛未在換道起止時(shí)刻被記錄的車輛組；

(4)為消除匝道影響，不考慮5、6、7車道的換道車輛；

(5)考慮換道過程中潛在的安全問題，僅考慮后車速度大于前車速度的車輛組。

篩選次近鄰車輛信息流程如圖2所示，經(jīng)二次篩選得到201組符合要求的換道車輛組數(shù)據(jù)。觀察得出，換道車輛被識(shí)別為換道至趨于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)長(zhǎng)約為10 s，因此每一組數(shù)據(jù)分別包含換道車輛、直接相鄰車輛、次近鄰車輛在10 s內(nèi)的軌跡數(shù)據(jù)。

圖2 篩選次近鄰車輛信息流程圖

依據(jù)NGSIM數(shù)據(jù)提供的信息，可以獲取車輛編號(hào)、時(shí)間、瞬時(shí)速度、車頭間距和車頭時(shí)距等參數(shù)。所用參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值見表1，由于所用數(shù)據(jù)包含擁堵時(shí)段，因此速度均值較小。標(biāo)準(zhǔn)差較大，說明所用數(shù)據(jù)各車輛間差異性較強(qiáng)。

表1 影響次近鄰車輛換道安全參數(shù)的統(tǒng)計(jì)值表

3 速度影響下次近鄰車輛安全性分析

在跟馳狀態(tài)下，基于換道過程中車輛駕駛策略實(shí)時(shí)發(fā)生變化這一假設(shè)，可知前方車輛的速度是后方車輛調(diào)節(jié)自身運(yùn)動(dòng)所參考的重要信息。當(dāng)后方車輛感知前車速度大于自身車速時(shí)，通常采取加速措施以便更緊密地跟隨前車；反之，則會(huì)減速與前車保持一定安全距離，以達(dá)到避免追尾碰撞的目的。這表明，后車對(duì)前車的速度感知會(huì)影響交通流的穩(wěn)定性。在實(shí)際換道行為中，次近鄰車輛受到換道車輛及直接相鄰車輛的共同影響，當(dāng)次近鄰車輛感知前車的速度后，是否能夠及時(shí)采取有效的安全避讓措施決定了次近鄰車輛的安全性，同時(shí)也能夠說明此次換道事件的合理性。

3.1 次近鄰車輛對(duì)速度變化強(qiáng)度的響應(yīng)

引入換道車輛的速度變化強(qiáng)度(Intensity of Velocity Variation，IVV)作為次近鄰車輛的分析指標(biāo)。速度變化強(qiáng)度定義為在換道過程始末時(shí)刻速度變化量與換道時(shí)間的比值，由式(1)表示為

式中vr為換道車輛被識(shí)別為換道時(shí)刻的速度，即換道車輛的換道初始速度，m/s；vs為換道車輛換道穩(wěn)定時(shí)刻的速度，m/s；t為該時(shí)段所經(jīng)歷的時(shí)間，s。

分析減速條件下?lián)Q道車輛的速度變化強(qiáng)度對(duì)次近鄰車輛的影響，還需借助換道車輛的換道初始速度。兩值分布情況如圖3所示，由此可以看出，88.9%的vr值＜10.5 m/s、49.6%的vr值＜5.5 m/s，而88.4%的IVV值＜0.5 m/s2。

圖3 vr和IVV值分布圖

3.1.1 次近鄰車輛速度變化

通過分析201組換道事件，可以看出換道車輛駕駛員往往通過強(qiáng)制直接相鄰車輛減速來完成換道，次近鄰車輛感受到前車減速后也會(huì)采取相應(yīng)的減速措施。為更清楚地觀察次近鄰車輛面臨前車換道做出的速度響應(yīng)，按照速度變化強(qiáng)度以及換道初始速度將換道數(shù)據(jù)分類，分類依據(jù)參照換道初始速度值和速度變化強(qiáng)度值分布。分析可知，換道初始速度與速度變化強(qiáng)度對(duì)次近鄰車輛均有影響，其中速度變化強(qiáng)度是主要影響因素。當(dāng)IVV＞0.5 m/s2時(shí)，換道發(fā)生后次近鄰車輛的速度變化多數(shù)趨于穩(wěn)定；當(dāng)IVV≥0.5 m/s2時(shí)，換道初始速度對(duì)次近鄰車輛影響較大，次近鄰車輛速度變化幅度大且到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)。直接相鄰車輛與換道車輛的速度曲線變化較為相近，這表明直接相鄰車輛較次近鄰車輛能夠更加直接、準(zhǔn)確地感知換道車輛的駕駛情況。各類數(shù)據(jù)中隨機(jī)選出的車輛對(duì)應(yīng)的速度變化圖像如圖4所示。

圖4 LCV、FV、NFV速度變化圖

3.1.2 次近鄰車輛車頭時(shí)距響應(yīng)

在正常的駕駛狀況下，駕駛員依據(jù)前車速度，實(shí)時(shí)調(diào)整自身駕駛速度，以保持緊密且安全的跟馳狀態(tài)。換道行為作為交通流的干擾因素，一旦發(fā)生，將會(huì)引起后車的震蕩、弛豫等消極影響。車頭時(shí)距表示前后兩輛車的前端通過同一地點(diǎn)的時(shí)間差，是評(píng)價(jià)駕駛安全性的重要指標(biāo)，與交通流組成、駕駛行為密切相關(guān)。

圖5表示在不同速度變化強(qiáng)度條件下，NFV、FV車頭時(shí)距與速度差的關(guān)系。NFV車頭時(shí)距表示次近鄰車輛與直接相鄰車輛之間的車頭時(shí)距，F(xiàn)V車頭時(shí)距表示直接相鄰車輛與換道車輛之間的車頭時(shí)距。圖5(a)給出了177組滿足0≤IVV≤0.5 m/s2條件的NFV車頭時(shí)距與相應(yīng)速度差的關(guān)系，速度差表示后車速度與前車速度的差值，需滿足后車速度大于前車速度。從總體趨勢(shì)上看，隨著速度差增大，NFV車頭時(shí)距增大，其最大值不超過8 s。圖5(b)給出相同條件下，F(xiàn)V車頭時(shí)距與相應(yīng)速度差的關(guān)系，對(duì)比NFV和FV，在換道過程中，當(dāng)速度差較小時(shí)，NFV車輛個(gè)體間車頭時(shí)距變化更加不均勻。滿足IVV＞0.5 m/s2條件的跟馳組也滿足這一趨勢(shì)，如圖5(c)和(d)所示，原因?yàn)橹苯酉噜徿囕v可以直觀地依據(jù)前車駕駛行為及時(shí)地采取措施，而次近鄰車輛不能及時(shí)感知換道車輛速度變化，且受到前車駕駛行為差異性的影響，導(dǎo)致個(gè)體間車頭時(shí)距呈現(xiàn)不均勻特征。對(duì)比圖5(a)和(c)，可以得出次近鄰車輛在不同速度變化強(qiáng)度下的車頭時(shí)距情況，滿足0≤IVV≤0.5 m/s2條件的次近鄰車輛均值為3.02 s，滿足IVV＞0.5 m/s2條件的次近鄰車輛均值為3.80 s；而圖5(b)和(d)中，直接相鄰車輛車頭時(shí)距均值分別為3.28和3.34 s。由此可知，速度變化強(qiáng)度對(duì)于次近鄰車輛車頭時(shí)距影響更明顯。

圖5 不同速度變化強(qiáng)度下FV、NFV車輛的車頭時(shí)距隨速度差變化圖

上述現(xiàn)象符合實(shí)際駕駛情況，當(dāng)次近鄰車輛駕駛員感受到本身車速大于前車車速時(shí)，會(huì)降低速度以防止碰撞，但由于駕駛員的感知受前兩車共同影響，存在感知誤差，導(dǎo)致車頭時(shí)距變化沒有明確的規(guī)律性。因此，分析車頭時(shí)距與速度差之間的關(guān)系便于進(jìn)一步提升次近鄰車輛安全。

3.2 次近鄰車輛的剎車響應(yīng)

YANG等[8]通過對(duì)駕駛員的剎車響應(yīng)分析得出變道對(duì)直接相鄰車輛的影響，44.0%的直接相鄰車輛駕駛員在換道車輛跨越車道線前就采取剎車措施，14.1%的駕駛員在換道車輛進(jìn)入目標(biāo)車道后采取剎車措施，41.9%的駕駛員選擇不采取任何措施。通過NGSIM數(shù)據(jù)觀察次近鄰車輛的剎車響應(yīng)情況，可知在換道發(fā)生的第Ⅰ階段，次近鄰車輛已有明顯的剎車現(xiàn)象。

采用替代安全措施(Surrogate Safety Measures，SSMs)中的避免碰撞的減速率(Deceleration Rate to Avoid Collisions，DRAC)指標(biāo)，進(jìn)一步探究次近鄰車輛剎車的安全性。DRAC表示在單位時(shí)間內(nèi)，后車為避免與前車發(fā)生碰撞所減少的速度值，該指標(biāo)考慮了速度差異和減速措施在碰撞發(fā)生中的作用，表示為時(shí)間及空間的函數(shù)。

僅考慮車流方向的DRAC值，所選取數(shù)據(jù)需滿足后車速度大于前車，即存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)的跟馳組合。以計(jì)算次近鄰車輛的DRAC值為例，計(jì)算式由式(2)表示為

式中vNFV、vFV分別為次近鄰車輛、直接相鄰車輛的速度，m/s；G為兩車之間的間距，m；k為某一時(shí)刻。由式(2)中可以看出，DRAC值不僅與前后兩輛車的速度差有關(guān)，同時(shí)也與兩車車頭間距有關(guān)。

直接相鄰車輛和次近鄰車輛DRAC值的分布情況如圖6所示，相應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2?？芍苯酉噜徿囕v和次近鄰車輛的DRAC值分布相差較小，且均在安全范圍內(nèi)。

圖6 FV、NFV的DRAC值分布圖

表2 FV和NFV車輛的DRAC頻率分布表

交通工程師學(xué)會(huì)建議汽車的最大減速率為3.0 m/s2，高速公路協(xié)會(huì)建議舒適減速率為3.4 m/s2，美國(guó)環(huán)保署標(biāo)準(zhǔn)的“城市”和“公路”輕型汽車的最大減速率均為1.5 m/s2[15]。

如圖7所示，對(duì)次近鄰車輛進(jìn)行換道間距敏感性分析，其擾動(dòng)設(shè)置為在換道均值(Mean)的基礎(chǔ)上減少、增加0.1倍的標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation，SD)，以確保變量的變化在合理范圍內(nèi)(較大的擾動(dòng)可能導(dǎo)致不符合現(xiàn)實(shí)的變量值)。發(fā)現(xiàn)在DRAC＜3.4 m/s2范圍內(nèi)，曲線呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，說明換道間距越大，次近鄰車輛到達(dá)碰撞所需的減速率越小，這與實(shí)際駕駛情況相符。

圖7 FV、NFV隨換道間距變化的DRAC值圖

4 結(jié)論

引入速度變化強(qiáng)度概念，結(jié)合換道車輛的初始換道速度，分析了次近鄰車輛速度變化、車頭時(shí)距變化、剎車響應(yīng)，建立速度變化強(qiáng)度、初始速度、速度差與次近鄰車輛安全性之間的關(guān)系。由此得出以下結(jié)論:

(1)在換道發(fā)生后的一段時(shí)間內(nèi)，次近鄰車輛受到換道車輛和直接相鄰車輛的共同作用。相較于直接相鄰車輛，次近鄰車輛對(duì)于速度變化強(qiáng)度影響更明顯，該影響體現(xiàn)在次近鄰車輛的車頭時(shí)距和速度變化，次近鄰車輛駕駛員的感知誤差是導(dǎo)致次近鄰車輛不安全因素的重要原因。

(2)為提升換道事件中次近鄰車輛的安全性，應(yīng)使次近鄰車輛及時(shí)、準(zhǔn)確獲取前車信息以保持車輛的穩(wěn)定控制。所需獲取的前方車輛信息包含車輛速度、相鄰車輛速度差和車頭間距等參數(shù)。