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(guó)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(zhǎng)，高速公路服務(wù)水平不斷降低，個(gè)別路段擁堵嚴(yán)重，已不能適應(yīng)區(qū)域交通運(yùn)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(yùn)輸任務(wù)，其改擴(kuò)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(kuò)建施工期間的通行安全。

道路沖突技術(shù)于20世紀(jì)50年代應(yīng)用于交通安全領(lǐng)域。張南等基于后侵入時(shí)間將交通沖突劃分為3個(gè)等級(jí)，并對(duì)影響交通沖突嚴(yán)重程度的因素進(jìn)行了分析。Guo Yanyong等基于交通沖突技術(shù)對(duì)交叉口左轉(zhuǎn)車(chē)輛的交通沖突和嚴(yán)重程度進(jìn)行分析，確定了左轉(zhuǎn)彎車(chē)道沖突車(chē)輛百分比。Suwarto F.等通過(guò)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(shí)間的道路沖突嚴(yán)重程度劃分方法。Shen Li等使用替代安全評(píng)估模型和VISSIM對(duì)高速公路合并區(qū)進(jìn)行了安全評(píng)估。李燊使用碰撞時(shí)間作為交通沖突評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分交通沖突嚴(yán)重程度。鄭展驥等運(yùn)用間隙接受理論研究了道路行駛沖突對(duì)車(chē)頭時(shí)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(guó)家道路安全問(wèn)題和現(xiàn)有碰撞數(shù)據(jù)庫(kù)的局限性，認(rèn)為使用交通沖突技術(shù)評(píng)價(jià)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(yán)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(xiǎn)狀況。張?jiān)婗┑然诮煌_突指標(biāo)距離碰撞時(shí)間和后侵入時(shí)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(chē)比例與交通沖突的關(guān)系。林蘭平通過(guò)量化車(chē)頭時(shí)距、交通量，提出后侵入時(shí)間的概念，并據(jù)此判別交通沖突嚴(yán)重程度。上述對(duì)施工作業(yè)區(qū)交通安全的研究大多忽略了車(chē)輛危險(xiǎn)駕駛行為，而這些行為對(duì)周邊車(chē)輛會(huì)產(chǎn)生較大沖突。該文采用京滬高速公路揚(yáng)州段視頻數(shù)據(jù)獲取車(chē)輛的行駛速度特征，識(shí)別危險(xiǎn)駕駛行為車(chē)輛，并對(duì)交通沖突模型進(jìn)行測(cè)試。

1 高速公路施工作業(yè)區(qū)危險(xiǎn)駕駛識(shí)別

危險(xiǎn)駕駛行為的檢測(cè)設(shè)備包括：1) 用戶隨身攜帶的設(shè)備即手機(jī)。手機(jī)中包含GPS、藍(lán)牙、Wi-Fi等多種傳感設(shè)備，通過(guò)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(dá)、攝像頭等信息設(shè)備，可有效采集車(chē)輛行駛狀況，如車(chē)輛速度、軌跡等，為危險(xiǎn)駕駛行為分析提供數(shù)據(jù)支撐。3) 車(chē)載信息設(shè)備。隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，車(chē)載設(shè)備越來(lái)越智能化，可實(shí)時(shí)記錄車(chē)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(xiǎn)駕駛行為的可靠識(shí)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(shí)別危險(xiǎn)駕駛行為，將危險(xiǎn)駕駛行為分為分心駕駛、超速駕駛和魯莽駕駛3類(lèi)。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(kāi)車(chē)邊使用手機(jī)，如觀看網(wǎng)頁(yè)、看視頻、打電話等，這些行為嚴(yán)重阻礙駕駛員對(duì)車(chē)輛的正常操作，給道路通行安全帶來(lái)很大隱患。超速駕駛的識(shí)別主要根據(jù)施工區(qū)當(dāng)前限速狀況，通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)輛行駛速度確定車(chē)輛是否超速。魯莽駕駛主要通過(guò)判別車(chē)輛運(yùn)行狀況進(jìn)行識(shí)別，如是否急變道、急變速等。

1.1 分心駕駛的識(shí)別

通過(guò)監(jiān)測(cè)高速公路施工作業(yè)區(qū)駕駛員實(shí)時(shí)狀態(tài)(是否使用手機(jī))識(shí)別分心駕駛行為。設(shè)當(dāng)前時(shí)間窗口內(nèi)車(chē)輛行駛狀態(tài)為Kt，Kt=1為車(chē)輛在道路上正常行駛，Kt=0為車(chē)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(jī)，F(xiàn)t=-1表示未查看手機(jī)。采用連續(xù)10個(gè)窗口(樣本數(shù)N)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，滑動(dòng)窗口之間重疊1 s，保證算法的穩(wěn)定性。分辨率和總識(shí)別窗口分別設(shè)為1 s、10 s。分心駕駛概率Pt按下式計(jì)算：

(1)

根據(jù)式(1)，駕駛員使用手機(jī)(Ft=1)時(shí)分心駕駛概率Pt增大，反之Pt減??；車(chē)輛處于停止?fàn)顟B(tài)(Kt=0)時(shí)Pt=0，表示駕駛員未在行駛過(guò)程中使用手機(jī)，因而未識(shí)別為分心狀態(tài)。設(shè)定：若Pt≤0.4，分心駕駛程度較低，危險(xiǎn)性較??；若0.40.6，分心駕駛程度較高，危險(xiǎn)性較高。

1.2 超速駕駛的識(shí)別

通過(guò)獲取作業(yè)區(qū)車(chē)輛當(dāng)前位置的速度、路口狀況和限速等信息進(jìn)行超速駕駛識(shí)別(見(jiàn)圖1)。

圖1 超速及違停識(shí)別流程

1.3 魯莽駕駛的識(shí)別

1.3.1 模型分析與特征提取

與正常行駛的車(chē)輛相比，魯莽駕駛車(chē)輛的行駛速度、加速度等會(huì)出現(xiàn)差異，如急變道、急變速等。通過(guò)現(xiàn)代車(chē)載信息技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛速度、加速度等行駛特征數(shù)據(jù)，分析車(chē)輛急變速、急變道特征。與正常行駛車(chē)輛狀況相比，急變速車(chē)輛的縱向加速度具有更大的震蕩方差和幅值，急變道車(chē)輛的橫向加速度具有更大的震蕩方差和幅值，可通過(guò)車(chē)輛縱橫向加速度震蕩范圍和方差分析識(shí)別魯莽駕駛行為。魯莽駕駛特征提取指標(biāo)見(jiàn)表1，其中幅值定義為：

表1 魯莽駕駛特征提取指標(biāo)

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

Mean[Top10min(x)]

(2)

1.3.2 有監(jiān)督分類(lèi)模型

設(shè)計(jì)有監(jiān)督分類(lèi)算法研究行駛車(chē)輛的魯莽駕駛行為，主要包括急變速和急變道。運(yùn)用支持向量機(jī)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(lèi)方法，以增強(qiáng)分類(lèi)模型的抗噪能力。表達(dá)式如下：

(3)

式中：ω為權(quán)重；b為截距；ζi為噪聲擾動(dòng)；C為軟間隔懲罰系數(shù)；N為觀測(cè)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(chē)輛在高速公路施工作業(yè)區(qū)行駛過(guò)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(xiǎn)駕駛行為的存在，更加劇了駕駛危險(xiǎn)程度。

2.1 高速公路施工作業(yè)區(qū)交通沖突機(jī)理與類(lèi)型

在存在危險(xiǎn)駕駛的環(huán)境下，高速公路施工作業(yè)區(qū)交通運(yùn)行特征與正常道路相比存在顯著差異，車(chē)輛行駛過(guò)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(chē)輛的變道和車(chē)速的離散，使道路交通沖突的概率大大增加，容易造成嚴(yán)重的事故后果。圖2為危險(xiǎn)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(guò)程。

從圖2來(lái)看，施工作業(yè)區(qū)道路沖突受到人、車(chē)、路等方面屬性的共同作用。研究表明，在各項(xiàng)因素中，交通流特性和道路特性對(duì)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(jī)行為往往會(huì)導(dǎo)致不同的沖突結(jié)果。

圖2 危險(xiǎn)駕駛環(huán)境下施工作業(yè)區(qū)車(chē)輛沖突機(jī)理

依據(jù)上文對(duì)高速公路施工作業(yè)區(qū)道路沖突的分類(lèi)，根據(jù)實(shí)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(shí)刻，若前方車(chē)輛速度小于后方車(chē)輛速度，且兩車(chē)之間不滿足安全間距限制，如果后方車(chē)輛不及時(shí)采取安全避讓措施，前后車(chē)可能產(chǎn)生追尾碰撞。高速公路施工作業(yè)區(qū)危險(xiǎn)駕駛車(chē)輛的行駛速度具有較大離散性，且通常車(chē)速較高，加上后車(chē)駕駛員視野受限，無(wú)法及時(shí)獲取前方道路信息，與跟馳車(chē)輛發(fā)生追尾沖突的風(fēng)險(xiǎn)大幅提升。

(2) 施工作業(yè)區(qū)換道沖突。換道一般包含強(qiáng)制換道和自由換道。強(qiáng)制換道是指由于道路環(huán)境改變，經(jīng)過(guò)交通警示標(biāo)志的指引車(chē)輛強(qiáng)制進(jìn)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(chē)效率，主動(dòng)進(jìn)行換道，一般表現(xiàn)形式為超車(chē)。高速公路施工作業(yè)區(qū)道路環(huán)境發(fā)生改變，車(chē)輛通過(guò)尋求可插入間隙進(jìn)行變道操作，換道沖突一般為自由換道。在危險(xiǎn)駕駛環(huán)境下，車(chē)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(xiǎn)概率隨之增加。

2.2 交通沖突判別技術(shù)

距離碰撞時(shí)間(TTC)是目前廣泛使用的交通沖突衡量指標(biāo)之一，主要用于評(píng)估同一車(chē)道中兩車(chē)之間的追尾沖突風(fēng)險(xiǎn)。在t時(shí)刻，前方車(chē)輛速度小于后方車(chē)輛速度且兩車(chē)之間不滿足安全間距約束，如果兩車(chē)不進(jìn)行避險(xiǎn)，繼續(xù)保持現(xiàn)有行駛狀態(tài)，從時(shí)刻t到前后兩車(chē)發(fā)生追尾碰撞所經(jīng)過(guò)的時(shí)長(zhǎng)即為T(mén)TC。計(jì)算公式如下：

(6)

由于運(yùn)動(dòng)車(chē)輛之間的距離難以觀測(cè)和獲取，以車(chē)頭時(shí)距替代車(chē)頭間距衡量和計(jì)算TTC，采用車(chē)頭間距和車(chē)頭時(shí)距進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

(7)

(8)

式中：di為兩車(chē)之間的車(chē)頭間距；H為兩車(chē)之間的車(chē)頭時(shí)距。

HTTC指標(biāo)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(yán)重。但使用者和道路特征不同，HTTC的臨界值會(huì)發(fā)生變化，公路中通常取HTTC=2 s。

3 交通沖突閾值計(jì)算

采用京滬高速公路揚(yáng)州段視頻，使用視頻處理軟件Tracker 4.9對(duì)視頻中的車(chē)輛軌跡信息進(jìn)行處理，獲得車(chē)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(chē)輛與魯莽駕駛車(chē)輛行駛狀況的差異，判別魯莽駕駛行為(見(jiàn)圖3～5)。

圖3 正常行駛車(chē)輛與魯莽駕駛車(chē)輛縱橫向加速度對(duì)比

對(duì)正常行駛、急變速和急變道3種行駛狀態(tài)進(jìn)行有監(jiān)督分類(lèi)，基于不同尺度的時(shí)間窗口對(duì)模型的分類(lèi)效果進(jìn)行評(píng)估。有監(jiān)督分類(lèi)算法系數(shù)如下：類(lèi)別數(shù)為3；采用L2懲罰項(xiàng)；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(lèi)算法的精度見(jiàn)圖6。由圖6可知：樣本窗口范圍超過(guò)13 s時(shí)，有監(jiān)督分類(lèi)算法的準(zhǔn)確率、急變速召回率、急變道召回率都超過(guò)90%，說(shuō)明13 s的時(shí)長(zhǎng)可有效保證對(duì)魯莽駕駛行為的識(shí)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(lèi)算法的精度

85%累積分布曲線法是統(tǒng)計(jì)學(xué)中常用的分析方法，依據(jù)實(shí)測(cè)累積分布曲線擬合的速度特征，選擇與85%累積分布對(duì)應(yīng)的速度作為限速值。采用85%累計(jì)分布曲線法獲取嚴(yán)重道路沖突和一般道路沖突的累計(jì)概率，得到道路沖突嚴(yán)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(guò)對(duì)HTTC進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，獲得高速公路施工作業(yè)區(qū)危險(xiǎn)駕駛車(chē)輛交通沖突HTTC閾值(見(jiàn)表2)。

表2 基于HTTC的交通沖突判別閾值 s

通過(guò)視頻實(shí)時(shí)抓取3輛車(chē)的交通沖突狀況(見(jiàn)圖7)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)采用上述交通沖突模型能高效識(shí)別交通沖突。

圖7 交通沖突實(shí)時(shí)判別

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用道路監(jiān)控設(shè)備檢測(cè)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(lèi)危險(xiǎn)駕駛行為，基于駕駛員狀態(tài)進(jìn)行分心駕駛識(shí)別，基于速度值、路口狀況和限速等信息進(jìn)行超速駕駛識(shí)別，運(yùn)用監(jiān)督分類(lèi)模型進(jìn)行魯莽駕駛識(shí)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(lèi)，并建立距離碰撞時(shí)間模型確定道路沖突狀況。

通過(guò)京滬高速公路揚(yáng)州段視頻數(shù)據(jù)對(duì)危險(xiǎn)駕駛行為進(jìn)行判別和交通沖突分析，結(jié)果表明：在樣本窗口范圍超過(guò)13 s時(shí)，有監(jiān)督分類(lèi)算法的準(zhǔn)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(yán)重閾值分別為3.7 s、2.1 s，換道沖突的一般和嚴(yán)重閾值分別為4.9 s、2.7 s。后續(xù)將在實(shí)際高速公路施工作業(yè)區(qū)對(duì)所建立的安全分析方法進(jìn)行應(yīng)用研究。