基于實車駕駛數(shù)據(jù)的信號交叉口車輛運行特性

龍巖松， 徐 進(jìn),2*， 潘存書， 孫子秋

(1.重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶 400074； 2.山區(qū)復(fù)雜道路環(huán)境“人-車-路”協(xié)同與安全重慶市重點實驗室， 重慶 400074)

信號交叉口的延誤包含停車等待時間和損失時間，其中損失時間主要由車輛減速和啟動加速過程由于速度折損造成時間損失構(gòu)成。掌握車輛在交叉口的運動學(xué)行為特性是分析交叉口微觀運行狀態(tài)的核心，車輛在信號交叉口減/加速度的實測值和分布是計算損失時間和通行能力的基本依據(jù)和基礎(chǔ)參數(shù)，因此，理解車輛的減速和加速行為是描述交叉口車輛運行特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

許多學(xué)者對交叉口的車輛運行狀態(tài)和駕駛行為特性進(jìn)行了研究，唐克雙等[1]從交叉口視頻圖像中提取了車輛在相位切換時的加速度以及綠燈相位下的減速度，分析了交叉口的危險駕駛行為特征。江澤浩等[2]建立了隨機效應(yīng)Logistic模型以描述車輛在綠燈倒計時下的“通過/停止”決策行為。馬新露等[3]通過圖像識別環(huán)形交叉口的車輛軌跡數(shù)據(jù)，引入駕駛心理參數(shù)，建立了車輛在信控環(huán)形交叉口的元胞自動機模型。馮仁科等[4]通過實車駕駛實驗采集駕駛員生理參數(shù)和車輛運行速度，建立了駕駛?cè)诵纳碇笜?biāo)與減速度的關(guān)系模型。白婧榮等[5]通過采集設(shè)有縱向減速標(biāo)線的城市道路交叉口路段和未設(shè)置標(biāo)線的交叉口路段的流量、速度、駕駛員瞳孔指標(biāo)和車輛橫向偏移量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)置縱向減速標(biāo)線有利于駕駛?cè)颂崆翱刂栖囁?，提升交叉口安全性。Zhu等[6]針對信號相位切換情況下引起的車輛剎車減速行為進(jìn)行研究，改進(jìn)優(yōu)化速度模型以描述信號交叉口車輛的跟馳行為。魏福祿等[7]基于信號交叉口的實測數(shù)據(jù)，分析了不同轉(zhuǎn)彎半徑下左轉(zhuǎn)車輛的速度分布特性，構(gòu)建了改進(jìn)的全速度差模型。雷朝陽等[8]針對信號交叉口通行效率問題提出了一種考慮信號燈狀態(tài)的經(jīng)濟(jì)車速引導(dǎo)模型。Liao等[9]結(jié)合認(rèn)知科學(xué)和最優(yōu)控制思想，運用分層控制結(jié)構(gòu)建立了各類交叉口的減速停車行為模型。Aswad-Mohammed等[10]分析了信號交叉口的視覺注意力分配與停車時間、車頭時距以及跟車類型之間的關(guān)系。Almallah等[11]基于信號交叉口的視頻圖像數(shù)據(jù)，分析了啟動加速度和加速度變化率與反應(yīng)時間之間的關(guān)聯(lián)性。

目前，針對信號交叉口的駕駛行為研究主要是以跟馳行為、駕駛決策行為和速度控制行為為主?，F(xiàn)有研究大多針對于車輛從進(jìn)口道駛?cè)虢徊婵诘倪@一過程，分析信號交叉口環(huán)境因素、駕駛?cè)艘蛩貙τ谲囕v運行狀態(tài)變化的影響，缺乏對于車輛駛離交叉口這一過程的研究。而且，未給出紅燈相位減速停車時的減速度和綠燈啟亮后啟動加速的加速度這兩個核心參數(shù)的統(tǒng)計特征值和閾值，并對仿真模型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和驗證。同時現(xiàn)有的手段主要是通過視頻圖像來提取車輛運行狀態(tài)，存在誤差大、視頻覆蓋區(qū)域受限的嚴(yán)重局限。為對車輛從駛?cè)氲今偝鲂盘柦徊婵谶@一連續(xù)行為進(jìn)行系統(tǒng)、精確的研究，基于實車駕駛試驗，采集車輛連續(xù)運行參數(shù)，分析車輛在信號交叉口的速度時變特性，確定信號交叉口車輛減速度和加速度的值域，為跟馳模型以及微觀交通仿真提供核心參數(shù)的標(biāo)定值，為交叉口的信號配時和交通管理提供實測數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗地點

在重慶市主城區(qū)開展了實車駕駛試驗，共包含8處信號交叉口，圖1所示為所選取信號交叉口的全景圖，8處交叉口幾何形狀各異，基本涵蓋了城市道路上常見的幾種交叉口類型。表1所示為各交叉口的主要信息。駕駛試驗分為兩處地點開展，第1～5處為渝中區(qū)的5處信號交叉口，第6～8處交叉口位于南岸區(qū)。

圖1 試驗選取的信號交叉口

表1 試驗地點主要信息

1.2 試驗設(shè)備及車輛

使用前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)Mobileye 630(圖2)讀取汽車CAN總線數(shù)據(jù)，讀取頻率約為10 Hz。Mobileye輸出的數(shù)據(jù)文件中包括速度、時間、道路曲率、車間距等信息。對速度進(jìn)行差分可以計算出車輛縱向加速度，利用移動平均濾波器對實時速度以及縱向加速度進(jìn)行平滑處理，去掉信號噪聲和毛刺。在車輛前車窗和右側(cè)車窗各安裝一臺行車記錄儀，記錄車輛在行駛過程中的周圍道路環(huán)境，在后期處理數(shù)據(jù)時，對車速變化的原因進(jìn)行分析。試驗車輛為別克GL8和現(xiàn)代勝達(dá)，均是城市道路上常見的車型。

1.3 試驗人員及試驗安排

實車駕駛試驗共招募了63名身體健康、具有熟練駕駛經(jīng)驗的駕駛?cè)?，?位駕駛?cè)说臄?shù)據(jù)丟失或者記錄中斷，有效試驗人數(shù)為60人，其中男性36人，女性24人。駕駛?cè)说哪挲g分布為23～51歲，平均年齡為36.5歲；實際駕齡分布為2～22年，平均駕齡為10.1年。

測試前僅告知駕駛?cè)诵旭偮肪€，為盡可能多的采集到駕駛?cè)耸芙煌ㄐ盘栕铚臄?shù)據(jù)，每位駕駛?cè)税凑占榷肪€進(jìn)行2～3次的駕駛循環(huán)。試驗過程中，讓駕駛?cè)税凑兆约旱钠綍r的駕駛習(xí)慣開車，對于駕駛?cè)说牟僮鞑蛔鋈魏胃深A(yù)和提示，以采集自然駕駛狀態(tài)的行駛數(shù)據(jù)。

2 信號交叉口的減速/加速行為特征

本文中主要研究駕駛?cè)嗽诮徊婵诘臏p速停車行為，以及綠燈啟亮后的車輛起步加速行為。因為每次駕駛試驗車輛不一定停在停止線處，按照駕駛?cè)嗽诮徊婵诘耐＼囄恢脤Ⅰ{駛?cè)送ㄟ^交叉口的駕駛行為劃分為減速行為和加速行為。

從速度曲線中甄別出在交叉口有停車行為的行程并進(jìn)行標(biāo)記，然后將不同被試的速度曲線疊加在同一坐標(biāo)系，如圖3所示。8處交叉口的幾何結(jié)構(gòu)、視距和車流量存在差異，駛?cè)霑r的行駛速度變化曲線也存在區(qū)別。圖3(a)、圖3(c)、圖3(d)3處信號交叉口的車流量飽和度較高、通視性較差，速度曲線在距離停車位置很近時才具有明顯的減速、加速趨勢，車輛距離停車位置較遠(yuǎn)時速度波動較大。而圖3(b)、圖3(e)、圖3(f)、圖3(g)、圖3(h)5處信號交叉口的進(jìn)口道路段均為平直線，車流量較低，跟車行為較少，車輛速度變化趨勢比較穩(wěn)定，趨勢性較強。

圖3 試驗交叉口的車輛速度曲線

通過回看行駛過程的視頻圖像，按照試驗車輛受前車影響的情況，試驗車輛在駛近交叉口信號燈的減速行為可分為2種，自由流減速停車和跟車減速停車；加速通過交叉口的行為可分為有交通沖突和無交通沖突兩種情況。當(dāng)車流量較大時，車輛運行速度主要受交通干擾的影響，不能很好反映駕駛?cè)说鸟{駛意愿；而車輛在不受交通影響時的速度變化主要是由駕駛?cè)说娘L(fēng)格和駕駛經(jīng)驗決定的，具有較強的規(guī)律性。因此，將試驗中車輛在交叉口不受交通干擾的數(shù)據(jù)匯集到一起，對車輛在信號交叉口以自由流狀態(tài)進(jìn)行減速的行為和無交通沖突加速行為的速度特性進(jìn)行研究。

2.1 減速行為特性

查看行駛視頻圖像，對自由流的行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，提取出自由流的汽車行駛速度曲線并疊加在同一個坐標(biāo)系內(nèi)，如圖4(a)所示，曲線樣本數(shù)為137條。從交叉口前200 m到車輛停車每隔50 m劃分一個斷面，統(tǒng)計出85th、中位值、15th分位值，如表2所示。當(dāng)車輛以自由流駛?cè)虢徊婵跁r，車輛速度普遍較高，介于55～80 km/h之間。本文中試驗道路的最高限速為60 km/h，駕駛?cè)嗽诮煌顩r較好時會選擇較高的行駛速度來駛?cè)虢徊婵冢踔潦浅傩旭偂?/p>

圖4 車輛駛?cè)虢徊婵谕＼嚽暗臏p速行為

表2 特征斷面的速度分布

在-200 ～100 m區(qū)間內(nèi)，車速幅值平緩下降，但速度幅值的分布區(qū)間沒有明顯的變化，各斷面85th車速和15th車速差值基本都在20 km/h左右；從-100 m斷面位置起車速下降較快，車速幅值分布

區(qū)間明顯趨于收斂，并逐漸在停車點降為零?；诖?，可以判定駕駛員在交叉口前100 m至停車時表現(xiàn)出更強的減速意愿，其中最后50 m內(nèi)的速度下降幅度最大。

車輛在信號交叉口的減速停車行為是典型的預(yù)見性制動，駕駛?cè)烁鶕?jù)實時的車速、車輛位置以及對前方交通狀況的判斷，做出決策并采取相應(yīng)的駕駛操作，以使車輛安全、平穩(wěn)地在目標(biāo)位置停止。將駕駛?cè)嗽诮徊婵跍p速制動的初速度和減速距離數(shù)據(jù)繪制成散點圖，如圖4(b)所示，能發(fā)現(xiàn)制動初速度與減速距離具有明顯的相關(guān)性，即減速距離隨著初速度的增大呈非線性的增長，并且，初速度越高，各散點的離散程度越大。對初速度和減速距離數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，如表3所示，其中冪函數(shù)的擬合精度最高，得到初速度V0與制動距離S的關(guān)系式為

表3 初速度與減速距離擬合公式

(1)

2.2 加速行為特性

圖5(a)所示為車輛起步之后的速度實測值曲線，其變化趨勢與減速曲線相比具有一定的對稱性。表4所示為按50 m長度間隔設(shè)置斷面，提取斷面上的速度分位值，可以看出從車輛啟動開始到50 m斷面處，速度幅值的分布范圍逐漸增加，行駛了50 m之后車速分布的離散性趨于穩(wěn)定。與表3進(jìn)行對比，車輛加速駛離過程中的斷面車速都明顯小于減速駛?cè)脒^程中對應(yīng)斷面位置的車速，因此，車輛在無交通干擾的情況下，駕駛?cè)笋傠x交叉口時需要更長距離才能加速至期望速度。

表4 特征斷面的速度分布

車輛駛離交叉口時的加速行為是一個速度持續(xù)上升并在達(dá)到目標(biāo)速度后保持一個穩(wěn)定車速行駛的過程。從每條速度曲線中識別出車輛達(dá)到穩(wěn)定速度時的行駛位置，即加速距離，得到“加速距離-穩(wěn)定速度”散點數(shù)據(jù)，如圖5(b)。雖然車輛在交叉口的減速曲線與加速曲線具有一定的對稱性，但距離-速度的散點數(shù)據(jù)分布存在顯著差別，加速行距離-穩(wěn)定速度散點數(shù)據(jù)呈帶狀分布。對散點數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，由表5可看出各模型擬合精度相差不大。

圖5 綠燈相位車輛啟動后的行駛速度

表5 穩(wěn)定速度與加速距離擬合公式

2.3 縱向加速度特性

縱向加速度是描述車輛運動學(xué)行為的重要參數(shù)，將縱向加速度分為制動減速度(駛?cè)虢徊婵?和加速度(駛離交叉口)。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，計算得到車輛在減速過程中的平均減速度和加速過程中的平均加速度，分別對其進(jìn)行升序統(tǒng)計，得到縱向加速度累積頻率曲線，如圖6所示。從圖中能觀察到2條累積頻率曲線彼此分離，說明車輛在信號交叉口的制動減速度與加速度之間存在顯著的差異，減速度總體上大于加速度。對試驗樣本的制動減速度和加速度的均值進(jìn)行計算，車輛在交叉口的減速度均值為-0.921 m/s2，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.269；加速度均值為0.785 m/s2，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.206；85th加速度值為1.02 m/s2，85th減速度為1.19 m/s2。

圖6 縱向加、減速度累積頻率曲線

3 駛?cè)?駛離信號交叉口的駕駛模式

3.1 駛?cè)虢徊婵跁r的減速模式

即使車輛在交叉口的減速行為不受周圍車輛影響，在減速過程中的減速度也不是一個定值，圖7(a)是車輛減速過程的速度-時間曲線，能觀察到汽車行駛速度并不是線性下降；圖7(b)是加速度-時間曲線，車輛從開始減速至停止的過程中，減速度呈一個先增大后減小的變化趨勢。按照減速度曲線變化的特點，車輛在交叉口的減速行為可分為3個階段，如圖7(b)中的虛線標(biāo)注。

圖7 車輛駛?cè)胄盘柦徊婵跁r的速度和減速度曲線

(1)階段Ⅰ: 減速行為的開始階段，車輛會保持一個較小的減速度進(jìn)行勻減速，該階段減速度保持一個相對穩(wěn)定的值，駕駛?cè)嗽谠撾A段松開油門踏板，發(fā)動機轉(zhuǎn)速降低，利用發(fā)動機的運轉(zhuǎn)阻力對車輛進(jìn)行減速。

(2)階段Ⅱ: 駕駛?cè)瞬认轮苿犹ぐ?，制動減速度逐漸增大直到達(dá)到曲線波峰位置，輛制動減速度的幅值變化取決于駕駛?cè)藢χ苿犹ぐ迨┘拥牧托谐獭?/p>

(3)階段Ⅲ：駕駛?cè)怂砷_制動踏板，制動減速度由波峰值減小至零，車輛停止。

以減速度中位值曲線為例，整個減速過程持續(xù)約32 s，其中階段Ⅰ持續(xù)19 s左右，階段Ⅱ維持14 s，階段Ⅲ持續(xù)5 s然后停車。由此可知，駕駛?cè)嗽诰嚯x交叉口較遠(yuǎn)、車速較高時松開油門后不會立即使用制動踏板對車輛進(jìn)行減速，而是松開油門踏板，依靠車輛的慣性繼續(xù)行駛，此階段車輛會進(jìn)行輕微減速。

在圖7(b)中，85th、50th和15th減速度曲線的峰值分別為-2.035、-1.302、-0.767 m/s2,此時對應(yīng)的車速分布介于8～20 km/h，說明駕駛員在減速到這個速度區(qū)間內(nèi)會開始松開制動踏板，減小車輛制動減速度，如果繼續(xù)增大制動力會使車輛在未到達(dá)目標(biāo)停車位置時就停下。減速行為的第一個階段，駕駛?cè)说闹饕康氖峭Ｖ菇o油，使車輛依靠慣性以較快的速度接近交叉口，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。第二個階段，是駕駛?cè)烁鶕?jù)前方交通信號，操縱制動踏板逐減增大減速度，使車輛速度迅速下降，達(dá)到一個安全車速。第三個階段，車輛速度在降到一個較低值時，駕駛?cè)藭饾u松開制動踏板，放緩車輛的減速制動，以使車輛能在目標(biāo)停止位置停下。

3.2 信號交叉口的加速行為模式

圖8(a)所示為車輛駛離信號交叉口時的速度-時間曲線，給出了15th、50th、85th速度曲線，能看到車速并不是線性的增加。圖8(b)所示為輛駛離交叉口時的加速度—時間曲線，車輛在加速過程中，加速度在整體上呈先增大后減小的變化趨勢。在加速過程中，車輛加速度的幅值變化主要是由車輛傳動系的結(jié)構(gòu)特點決定的，車輛從剛起步時加速度隨著駕駛?cè)瞬认掠烷T踏板而迅速增大，隨著速度升高變速器擋位也升高，傳遞的扭矩減小，加速度也隨之減小。

在圖8(b)中，3個特征百分位加速度曲線的峰值出現(xiàn)在車輛起步后的2～3 s，15th、50th、85th加速度曲線的峰值分別為0.934、1.309、1.678 m/s2。加速度峰值對應(yīng)的車速分布介于8～14 km/h，分布區(qū)間比紅燈相位減速過程所對應(yīng)的速度分布更加收斂，這是因為在減速行為中，減速度在達(dá)到峰值后下降是由駕駛?cè)怂砷_制動踏板導(dǎo)致的，而加速行為中車輛加速度在達(dá)到峰值后下降是由擋位升高所致。

圖8 車輛駛離交叉口時的速度和加速度曲線

4 結(jié)論

(1)在車流量較低的情況下，大部分駕駛?cè)藭暂^高的車速駛近交叉口并開始減速；在加速通過交叉口的過程中，同一距離范圍內(nèi)的速度幅值低于駛?cè)虢徊婵跁r的速度。建議在車流較少的交叉口進(jìn)口道設(shè)置減速標(biāo)線或者立體標(biāo)線，降低車輛的駛?cè)胨俣?，提升交叉口的安全性?/p>

(2)車輛駛?cè)虢徊婵诘臏p速過程中，停車前100 m范圍內(nèi)速度快速下降，前50 m趨勢最明顯；而綠燈相位車輛起步后，從起步開始至行駛50 m的區(qū)間內(nèi)車速上升趨勢最為明顯；加速時的斷面速度分布比減速的速度分布更收斂。

(3)信號交叉口的減速度總體上大于加速度，平均減速度為-0.921 m/s2，平均加速度為0.785 m/s2；85分位加速度值為1.02 m/s2，85分位減速度為1.19 m/s2。

(4)駛?cè)虢徊婵跁r的減速模式可以分為3個階段，階段Ⅰ：駕駛?cè)怂砷_油門，使車輛在高速行駛時依靠慣性繼續(xù)前行，車輛輕微減速；階段Ⅱ：踩制動踏板，制動力逐漸增大，車速迅速下降；階段Ⅲ：逐漸松開制動踏板，減緩車速的下降，使車輛能在目標(biāo)位置停下；減速度峰值出現(xiàn)在停車前的5 s內(nèi)。

(5)綠燈相位車輛起步后的2～3 s內(nèi)隨著油門開度增大，加速度迅速增大至峰值；在達(dá)到相應(yīng)車速后，車輛擋位升高，傳動扭矩減小，加速度減小。