郭鳳香, 李光晟, 倪定安, 楊文臣, 田畢江

(1.昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院, 云南 昆明 650200;2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院 陸地交通氣象災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實驗室, 云南 昆明 650200)

交叉口是交通網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點,不僅影響道路的通行能力,并且存在大量交通沖突,是交通事故的多發(fā)地之一,特別在無控交叉口,其事故發(fā)生率要遠(yuǎn)高于有控交叉口。目前我國道路無控交叉口交通情況復(fù)雜,比如交叉口處不同類型的車輛、交叉口處視線遮擋、交通沖突點多等問題[1]。在這種復(fù)雜情況下,駕駛?cè)瞬粫诘谝粫r間發(fā)現(xiàn)風(fēng)險并做出正確的判斷,從而引發(fā)交通事故。為解決無控交叉口事故多發(fā)問題,Yan等[2]探究了視距條件與駕駛員識別潛在風(fēng)險能力的關(guān)系,研究表明良好的視覺條件能很好地提高駕駛員緊急避碰性能。盧濤等[3]提出基于安全距離的避碰預(yù)警方法,來緩解無控交叉口的碰撞問題。除此之外還可以設(shè)置風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)對交叉口交通狀態(tài)進(jìn)行實時感知,及時發(fā)布有效的警示信息,主動提醒車輛注意周圍車輛,從源頭主動實現(xiàn)交通事故風(fēng)險的主動防控和安全提升。

本文提出的風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)就是根據(jù)交叉口的交通情況實時預(yù)報交叉口交通信息的可變信息標(biāo)志。現(xiàn)今對于交通可變信息標(biāo)志有一定的研究,如構(gòu)建交通可變信息標(biāo)志選址優(yōu)化模型[4],之后采用遺傳算法對優(yōu)化模型進(jìn)行求解[5-6];基于駕駛?cè)艘曈X理論和認(rèn)知特性建立可變信息標(biāo)志信息量的量化方法及可變信息標(biāo)志認(rèn)知模型,并對認(rèn)知模型進(jìn)行評價分析[7-8]。

預(yù)警系統(tǒng)有效性可以通過駕駛?cè)说鸟{駛行為特性進(jìn)行表征,可靠度可以很好反映駕駛行為的安全性,所以可以通過可靠度來反映預(yù)警系統(tǒng)的有效性,在人-車-路-環(huán)系統(tǒng)中,駕駛?cè)丝煽啃灾苯佑绊懻麄€行車系統(tǒng)的可靠性。駕駛?cè)丝煽啃灾冈谝欢ǖ牡缆翻h(huán)境下,駕駛?cè)嗽隈{駛過程中能夠安全完成駕駛?cè)蝿?wù)且能有效實現(xiàn)汽車運(yùn)行功能的能力,而駕駛?cè)说目煽慷仁菍煽啃缘母怕柿炕?。目前有關(guān)駕駛?cè)诵袨榭煽啃缘难芯坎]有統(tǒng)一的方法,主要是對駕駛?cè)诵袨檫M(jìn)行定性描述,比如對駕駛行為模型進(jìn)行綜述,分析駕駛?cè)税踩煽啃缘挠绊懸蜃?對駕駛?cè)瞬铄e進(jìn)行分類;給出駕駛?cè)丝煽啃杂嬎隳Ｐ?針對駕駛?cè)诵袨椴铄e提出預(yù)防措施,提高行車安全性[9-12];除此之外也有通過駕駛?cè)朔磻?yīng)時間推算駕駛?cè)瞬铄e概率[13]。

由此可知,現(xiàn)今研究主要是圍繞預(yù)警系統(tǒng)的布設(shè)位置、認(rèn)知及有效性進(jìn)行的,并沒有從駕駛?cè)丝煽慷鹊慕嵌葋砼卸A(yù)警系統(tǒng)的有效性。為分析預(yù)警系統(tǒng)在無控交叉口的有效性及最優(yōu)布設(shè)距離,本文通過駕駛模擬試驗采集駕駛?cè)笋{駛行為數(shù)據(jù),用廣義可靠度計算方法計算駕駛?cè)嗽谟袩o預(yù)警系統(tǒng)及預(yù)警系統(tǒng)不同布設(shè)位置情景下的駕駛行為可靠度,通過駕駛行為可靠度來反映預(yù)警系統(tǒng)的有效性,最后采用數(shù)據(jù)分析軟件分析駕駛?cè)笋{駛行為總體可靠度與駕駛?cè)烁髦笜?biāo)的相關(guān)關(guān)系,找出影響駕駛?cè)丝煽啃缘闹饕蛩亍?/p>

1 實驗內(nèi)容

本文根據(jù)駕駛?cè)笋{駛行為數(shù)據(jù),對比分析有無預(yù)警系統(tǒng)下以及預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)不同位置下的駕駛?cè)笋{駛行為可靠度差異,即無風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)與有風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)、不同位置布設(shè)預(yù)警系統(tǒng)的交叉口安全性對比,檢驗預(yù)警警示系統(tǒng)的安全性和有效性以及驗證預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)的最佳距離。

本文風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)的工作原理是當(dāng)位于主路(支路)上的地磁車輛檢測器檢測到有車輛經(jīng)過時,會將信號傳輸至位于支路(主路)路側(cè)的預(yù)警系統(tǒng),預(yù)警系統(tǒng)對預(yù)警警示牌的顯示信息進(jìn)行實時調(diào)整。本文的風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)具體布設(shè)位置及顯示策略來源于現(xiàn)實實際交叉口設(shè)置的預(yù)警系統(tǒng)顯示現(xiàn)狀,具體顯示為如下。

1) 側(cè)向有來車:側(cè)向有來車時依次在預(yù)警牌上閃爍圖1的信息圖,閃爍頻率為0.16 s,周期為1 s。

圖1 側(cè)向有來車預(yù)警信息圖

2) 側(cè)向無來車:側(cè)向無車時依次在預(yù)警牌上閃爍圖2的信息圖,閃爍頻率為0.16 s,周期為1 s。

圖2 側(cè)向無車預(yù)警信息圖

1.1 實驗設(shè)備

實驗首先采用昆明理工大學(xué)自主研發(fā)的VS-Design三維場景設(shè)計軟件搭建靜動態(tài)試驗場景,之后采用昆明理工大學(xué)交通工程學(xué)院自主開發(fā)的DSR-1000TS 2.0型駕駛模擬系統(tǒng)以及i-View HED 4眼動儀進(jìn)行實驗,收集駕駛過程中駕駛?cè)诵袨閿?shù)據(jù),見圖3。

圖3 駕駛模擬系統(tǒng)平臺及眼動示意圖

對于駕駛模擬器及相關(guān)實驗數(shù)據(jù)有效性的驗證,陳亮等[14]基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建駕駛模擬器有效性綜合評價指標(biāo)體系,對駕駛模擬器實驗的有效性進(jìn)行評價,最終評價結(jié)果較好,實驗輸出數(shù)據(jù)相對真實可靠。

1.2 實驗場景

為對比分析有無預(yù)警系統(tǒng)及預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)距離對駕駛?cè)笋{駛行為的影響,運(yùn)用自主開發(fā)VS-Design場景設(shè)計軟件,根據(jù)實際山區(qū)二級公路道路數(shù)據(jù)及實測交通流量,搭建不同類型交叉口的靜態(tài)實驗場景,同時加入動態(tài)車流,加入動態(tài)交通流后,場景中會出現(xiàn)側(cè)向來車、對向來車、通向跟車及行人通行等情況。交叉口設(shè)計見表1,實驗場景示意見圖4。

表1 實驗場景設(shè)計

圖4 實驗場景示意圖

1.3 實驗流程

為分析無控交叉口預(yù)警系統(tǒng)下的駕駛?cè)瞬僮骺煽慷?在社會中隨機(jī)招募具有豐富駕駛經(jīng)驗的45名駕駛?cè)?其中20至60歲中青年駕駛?cè)?5名(包含13名男性和12名女性,男女駕駛?cè)吮壤秊?.08∶1,駕駛?cè)似骄挲g為39歲,標(biāo)準(zhǔn)差9.56),60歲以上老年駕駛?cè)?0名(包含13男性和7名女性,男女駕駛?cè)吮壤秊?.85∶1,駕駛?cè)似骄挲g為64歲,標(biāo)準(zhǔn)差3.52)。招募的駕駛?cè)艘缶哂?年以上駕駛經(jīng)驗及2萬公里駕駛里程,并且所招募的駕駛?cè)藷o色盲,有自主判斷能力。

正式試驗之前,測試者需填寫基本信息和相關(guān)問卷,然后對被試者進(jìn)行簡單的培訓(xùn),確保被試者能夠正確完成駕駛?cè)蝿?wù),最后進(jìn)行駕駛模擬器適應(yīng)性測試,保證被試者實驗數(shù)據(jù)真實有效。完成上述所有環(huán)節(jié)后,進(jìn)行正式試驗,正式試驗時首先給被試者佩戴眼動儀,按照五點標(biāo)定法對被試者眼動進(jìn)行標(biāo)定,確保能夠清楚捕捉被試者的注視點,之后被試者啟動駕駛模擬器按照日常駕駛習(xí)慣根據(jù)要求路線完成駕駛?cè)蝿?wù)。

1.4 實驗數(shù)據(jù)采集及處理

本次實驗數(shù)據(jù)主要通過DSR-1000TS 2.0型駕駛模擬系統(tǒng)、i-View HED 4眼動儀進(jìn)行采集,包括了駕駛?cè)瞬僮餍袨閿?shù)據(jù)、車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)和眼動數(shù)據(jù)。

駕駛?cè)瞬僮餍袨閿?shù)據(jù)和車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)是由駕駛模擬器獲得,駕駛模擬器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包含有pth文件和rep文件,pth文件包含主車的各類數(shù)據(jù)(速度、加速度、油門踏板深度、制動踏板深度),rep文件包含其他車輛運(yùn)行數(shù)據(jù),對于駕駛?cè)瞬僮餍袨閿?shù)據(jù)和車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)主要是將pth文件轉(zhuǎn)換成Excel文件,本次實驗所選用的數(shù)據(jù)為每個交叉口前后100 m內(nèi)的數(shù)據(jù)段。

眼動數(shù)據(jù)是通過眼動儀進(jìn)行采集,之后對實驗中采集到的數(shù)據(jù)文件及視頻文件用BeGaze 3.5軟件進(jìn)行處理提取,在數(shù)據(jù)文件中包含了駕駛?cè)俗⒁暋咭暫驼Ｑ鄣认嚓P(guān)數(shù)據(jù),將提取出的txt文件轉(zhuǎn)換成Excel文件,之后分別截取駕駛?cè)嗽诿總€交叉口前后100 m內(nèi)的數(shù)據(jù)段。

2 駕駛?cè)笋{駛行為過程分析

駕駛?cè)笋{駛行為過程可以分為信息感知(S)、信息判斷處理(O)和駕駛?cè)瞬倏?R)3個模塊,基本可以概括為車輛在運(yùn)行過程中車輛信息、道路環(huán)境信息等通過感知器官傳入大腦,大腦對各類信息進(jìn)行分析判斷,然后對不同的交通環(huán)境產(chǎn)生不同的決策指令,最后通過運(yùn)動中樞傳遞給四肢進(jìn)行車輛的操作[15-16],其過程見圖5。駕駛?cè)诵袨椴皇荢-O-R簡單的串聯(lián)組合,而是多次的S-O-R并聯(lián)組合[17]。

圖5 駕駛?cè)笋{駛行為過程框架圖

駕駛行為內(nèi)在結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化和外部表現(xiàn)方式的多樣化,一定程度上造成駕駛行為的不確定性和無序性,從而可能導(dǎo)致駕駛?cè)耸д`的發(fā)生。駕駛?cè)耸д`是指駕駛?cè)嗽谛畔⒏兄?、信息判斷處理及車輛操控3個階段可能發(fā)生的差錯,在駕駛差錯產(chǎn)生后未能及時予以恢復(fù)且持續(xù)一段時間后產(chǎn)生違背駕駛?cè)艘庠傅牟涣冀Y(jié)果,可能導(dǎo)致交通事故或選擇了錯誤的路線。根據(jù)駕駛?cè)薙-O-R理論,駕駛?cè)丝煽慷扔嬎闳缦率?

R(t)=RS(t)RO(t)RR(t)

(1)

式中:RS(t)為駕駛?cè)烁兄煽慷?RO(t)為駕駛?cè)伺袛嗫煽慷?RR(t)為駕駛?cè)瞬僮骺煽慷取?/p>

根據(jù)駕駛?cè)丝煽慷扔嬎愎?提出對于連續(xù)的駕駛過程中,駕駛?cè)笋{駛過程中操作可靠度為RR(t),則:

RR(t)=R1(t)R2(t)R3(t)

(2)

式中:R1(t)為駕駛?cè)思铀傩袨榭煽慷?R2(t)為駕駛?cè)怂俣瓤煽慷?R3(t)為駕駛?cè)酥苿有袨榭煽慷?。每個R(t)都形為

(3)

式中:λ(t)為駕駛員t時間內(nèi)的失誤概率,為:

(4)

(5)

式中:μ為均值;σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

3 駕駛?cè)诵袨榭煽慷?/h2>

駕駛?cè)诵袨榭煽慷仁菍︸{駛?cè)耸д`概率的量化,是駕駛?cè)四軌虬踩瓿神{駛?cè)蝿?wù)且能有效實現(xiàn)汽車運(yùn)行功能的能力。本文通過注視來反映駕駛?cè)藢π畔⒌母兄团袛?采用注視時間來反應(yīng)駕駛?cè)说母兄袛嗫煽慷?。在駕駛操作行為階段,選取速度、油門踏板開合度、制動踏板開合度作為分析指標(biāo)反應(yīng)駕駛操作行為可靠度。

3.1 駕駛?cè)烁兄袛嗫煽慷?/h3>

注視時間是駕駛?cè)艘淮巫⒁曅袨樗ㄙM(fèi)的時間,反映駕駛?cè)耸欠翊嬖诜中鸟{駛,注視的時間越長對外界刺激信息的處理難度就越大,導(dǎo)致分心駕駛的可能性增加,其可靠度越低。根據(jù)BeGaze 3.5眼動儀數(shù)據(jù),計算出各被試者經(jīng)過交叉口時注視時間的均值和方差,然后根據(jù)式(3)～(5)計算感知判斷可靠度,見圖6。

圖6 預(yù)警系統(tǒng)不同布設(shè)距離及不同駕駛?cè)烁兄袛嗫煽慷葘Ρ葓D

通過對感知判斷可靠度分析,發(fā)現(xiàn)布設(shè)預(yù)警系統(tǒng)情況下駕駛?cè)丝煽慷染稻哂跓o預(yù)警系統(tǒng)情況,且預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)在100 m處時,駕駛?cè)烁兄袛嗫煽慷嚷愿哂谄渌恢?預(yù)警系統(tǒng)對40～60歲駕駛?cè)说母兄袛嘧饔酶语@著。通過對比不同性別駕駛?cè)?女性駕駛?cè)烁兄袛嗫煽慷让黠@高于男性駕駛?cè)恕?/p>

3.2 駕駛?cè)瞬僮餍袨榭煽慷?/h3>

3.2.1加速行為

在駕駛過程中,駕駛?cè)瞬粩鄬ν饨绛h(huán)境進(jìn)行感知判斷,通過控制油門踏板深度實時對車輛加速度進(jìn)行控制。駕駛員對加速度的控制主要是通過踩下油門踏板的深度,對加速度的控制情況可以間接地體現(xiàn)車輛運(yùn)行可靠度。

基于駕駛模擬器車輛基本數(shù)據(jù),計算出各被試者在經(jīng)過交叉口時的油門踏板深度均值和方差,之后根據(jù)式(3)～(5)計算加速行為可靠度,結(jié)果見圖7。

圖7 預(yù)警系統(tǒng)不同布設(shè)距離及不同駕駛?cè)思铀傩袨榭煽慷葘Ρ葓D

通過油門踏板開合度分析,發(fā)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)在100 m處時,駕駛?cè)思铀傩袨榭煽慷缺绕渌恢幂^高,并且隨著年齡的增加可靠度有所降低。對比不同性別駕駛?cè)藭r,女性駕駛?cè)思铀傩袨榭煽慷让黠@高于男性駕駛?cè)恕?/p>

3.2.2制動行為

制動行為發(fā)生在駕駛?cè)诉M(jìn)入交叉口前,駕駛?cè)耸欠癫扇≈苿有袨榉从绸{駛?cè)耸欠褡⒁獾筋A(yù)警系統(tǒng),從側(cè)面反映預(yù)警系統(tǒng)有效性。本文采用制動踏板開合度來表示駕駛?cè)耸欠癫扇≈苿有袨椤?/p>

基于駕駛模擬器的車輛基本數(shù)據(jù),計算出各被試者制動踏板深度的均值和方差,然后根據(jù)式(3)～(5)計算被試者制動行為可靠度,結(jié)果見圖8。

通過對制動踏板開合度的分析,發(fā)現(xiàn)有預(yù)警情況下老年駕駛?cè)说闹苿有袨榭煽慷忍岣呙黠@,說明預(yù)警警示系統(tǒng)對老年駕駛?cè)说闹苿有袨樽饔妹黠@,可靠度有明顯提高。由圖8(b)可知,女性駕駛?cè)丝煽慷纫毡楦哂谀行择{駛?cè)?說明女性駕駛?cè)嗽隈{駛過程中更加穩(wěn)重,能夠更好地判斷交叉口情況,并提前采取制動。

3.2.3車輛運(yùn)行速度

速度是駕駛?cè)艘幌盗械牟僮餍袨榈慕Y(jié)果,反映出車輛運(yùn)行的平穩(wěn)狀態(tài)及舒適程度?；隈{駛模擬器的車輛基本數(shù)據(jù),計算出各被試者車輛運(yùn)行速度的均值和方差,根據(jù)式(3)～(5)計算被試者在駕駛車輛過程中速度可靠度,見圖9。

通過對速度的分析,發(fā)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)下速度可靠度高于無預(yù)警下的車速可靠度,說明預(yù)警警示系統(tǒng)可以提前給駕駛?cè)说缆沸畔?提醒駕駛?cè)艘宰詈线m的車速快速通過交叉口。根據(jù)圖9(a)可知預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)在100 m處時各個年齡段駕駛?cè)怂俣瓤煽慷认鄬^高并沒有太大差異,且40歲以上駕駛?cè)怂俣瓤煽慷绕毡樵黾?。由圖9(b)可知,女性駕駛?cè)怂俣瓤煽慷让黠@高于男性駕駛?cè)恕?/p>

3.3 駕駛?cè)笋{駛行為總體可靠度

駕駛?cè)笋{駛行為總體可靠度通過感知可靠度、判斷可靠度、操作可靠度計算得出,其中駕駛?cè)瞬僮骺煽慷扔杉铀俣刃袨榭煽慷?、制動行為可靠度、速度可靠度根?jù)式(2)計算得出,之后由式(1)計算駕駛?cè)笋{駛行為總體可靠度,見圖10。

圖10 預(yù)警系統(tǒng)不同布設(shè)距離及不同駕駛?cè)笋{駛行為可靠度對比圖

由圖10預(yù)警系統(tǒng)不同布設(shè)距離下的操作可靠度的對比分析發(fā)現(xiàn),有預(yù)警情況下駕駛?cè)瞬僮骺煽慷雀哂跓o預(yù)警情況。預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)在100 m處時,隨著年齡的增長,駕駛?cè)笋{駛行為總體可靠度會呈下降趨勢,說明隨著年齡的增長,駕駛?cè)说母兄袛嗄芰Α⒉僮髂芰Φ确矫娑紩兴陆?都會影響到駕駛?cè)笋{駛行為可靠度。通過對比分析不同性別駕駛?cè)笋{駛行為總體可靠度可知,女性駕駛?cè)丝煽慷纫哂谀行择{駛?cè)丝煽慷? 并且隨著年齡的增長可靠度也有所降低,說明女性駕駛?cè)嗽隈{駛過程中更加穩(wěn)重,能夠更好地判斷交叉口情況,并提前采取措施,進(jìn)行規(guī)避風(fēng)險。

4 Kendall相關(guān)性分析

Kendall[18]相關(guān)性分析方法利用兩個隨機(jī)變量X和Y的協(xié)同一致性和非協(xié)同一致性的概率之差表示相關(guān)關(guān)系,不僅可以度量變量間的線性關(guān)系,還可以度量非線性關(guān)系。Kendall相關(guān)性表達(dá)式為:

(6)

采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件對駕駛?cè)说男詣e、年齡、駕齡、行駛里程、感知判斷可靠度、加速行為可靠度、制動行為可靠度、速度可靠度以及駕駛行為總體可靠度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見表2。

表2 駕駛?cè)烁髦笜?biāo)間相關(guān)性

由表2可得出以下幾條結(jié)論。

1) 駕齡、行駛里程、加速行為及速度可靠度與駕駛行為總體可靠度的相關(guān)系數(shù)分別為-0.456**、-0.320**、0.696**、0.667**,具有顯著相關(guān)性,說明駕駛?cè)笋{駛經(jīng)驗以及對于車輛的操作都會對駕駛行為可靠度具有較大影響。

2) 年齡與駕齡、行駛里程呈正相關(guān)關(guān)系,但與感知判斷可靠度、加速行為可靠度、制動行為可靠度以及駕駛行為總體可靠度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明隨著駕駛?cè)四挲g的增加,其駕齡與駕駛里程自然有所增加,但駕駛?cè)说母兄袛嗄芰Α⒎磻?yīng)能力和執(zhí)行能力都有所下降,在駕駛過程中更容易出現(xiàn)失誤,最終影響駕駛?cè)笋{駛行為總體可靠度。

3) 駕駛行為總體可靠度與加速行為和速度可靠度具有顯著相關(guān),說明油門踏板開合度以及駕駛?cè)藢τ谒俣鹊目刂茖︸{駛行為總體可靠度影響較大。

5 結(jié) 論

通過對駕駛?cè)笋{駛行為總體可靠度的分析,得出如下結(jié)論。

1) 通過有無預(yù)警系統(tǒng)下駕駛?cè)笋{駛行為可靠度的對比分析,發(fā)現(xiàn)有預(yù)警的駕駛行為可靠度高于無預(yù)警的情況,側(cè)面說明預(yù)警系統(tǒng)可以提前給駕駛?cè)说缆沸畔?駕駛?cè)丝梢哉{(diào)整車速以最合適的車速通過交叉口。預(yù)警系統(tǒng)的布設(shè)在100 m處時,各個年齡段駕駛行為總體可靠度相對一致,駕駛?cè)嗽诳吹筋A(yù)警系統(tǒng)后有充足的反應(yīng)時間,并做出正確的操作行為,保證安全地通過交叉口。

2) 預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)在100 m處情況下,駕駛行為總體可靠度隨年齡的增長呈下降趨勢,說明隨著年齡的增長,駕駛?cè)说母兄袛嗄芰?、操作能力等都有所下?影響到駕駛行為可靠度。女性駕駛?cè)丝煽慷纫哂谀行?說明在注意到預(yù)警系統(tǒng)后,女性駕駛?cè)颂崆安扇∠盗写胧┻M(jìn)行安全駕駛。

3) 通過Kendall相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),加速行為可靠度和速度可靠度與駕駛行為總體可靠度具有顯著相關(guān)性,說明油門踏板開合度以及駕駛?cè)藢τ谒俣鹊目刂茖︸{駛行為總體可靠度有較大影響。