行人過街安全研究進展

陳鑫，宋臻，高藝軒，彭金栓

(重慶交通大學 交通運輸學院，重慶 400074)

1 引言

行人無其他交通工具庇護直接暴露于交通環境中，一旦發生交通事故往往會受到嚴重的傷害甚至死亡，威脅行人的生命財產安全。在交通系統中,行人過街是行人最直接與車輛交互的情況，當行人與車輛產生沖突時，行人的安全則無法得到保障，且不合理的行人過街行為可能會阻斷交通流造成交通擁堵，降低路網的通行能力，因此對行人過街的安全進行研究顯得十分必要。

在實際的行人過街行為中,其過街目標的實現不是一個簡單的動作,而是包括位置的選擇、觀察、感知、判斷、決策、最終完成過街的一個復雜、連續的過程。在信號控制交叉口，行人可以借助斑馬線、信號燈等設施的保護穿越機動車道，較無行人保護措施的其他環境過街而言，依然存在與機動車流、非機動車流產生沖突的問題。通過探索行人過街規律，合理配置行人過街基礎設施、優化行人過街信號配時、加強行人交通管理可以提高行人過街的效率和安全性，減少行人道路交通傷亡。針對行人過街安全方面的研究，從行人過街交通特性和行人與車輛沖突兩個方面進行梳理，首先探索行人過街速度影響因素，剖析典型的違章過街行為和使用手機過街行為的行人過街心理，介紹行人過街與車輛產生的交通沖突和常用的人車沖突安全指標，擬從行人與自動駕駛汽車交互著手對行人過街安全研究進行展望。

2 行人過街交通特性

2.1 行人速度特性

行人過街速度是交通工程中信號交叉口基礎設施設計的重要設計參數，一直是行人交通特性的研究熱點。行人必須根據過街的時間和空間限制做出過街決定，對行人過街速度估計過高或過低都會影響交叉口的通行效率。因此，研究行人過街速度可以了解行人過街的交通特征，進而探索行人過街行走規律，對提高信號交叉口的安全性和效率也十分重要。

針對行人過街速度的影響因素的研究，許多學者將年齡因素作為主要的分析對象。研究發現中青年群體的過街速度大于老年群體的過街速度[2-3]。針對老年人的過街速度特性，張惠玲等[4]建議當老年行人的比例大于14%的時候，為滿足老年人過街舒適性和安全性的要求，應該采取0.97 m/s的速度設計值。性別因素對過街行人速度的影響，則存在男性比女性快[2-3]和無顯著影響[4]兩種結論。另外，過街人群規模也對行人過街速度影響也較為顯著，行人過街速度隨著行人的數量的增加而降低[3]。

考慮其他因素對行人過街速度的影響，馮樹民等人[5]通過調查得到信號交叉口綠燈后期行人過街速度達到1.84 m/s。Muley等人[6]通過研究發現行人進入街道的速度受行人信號燈指示的顯著影響，離開街道的速度與人行橫道長度無關，但受過街方向影響顯著。裴玉龍等人[7]發現冬季行人的過街速度大于夏季，Al-Musawi等人[8]發現穿西式服裝的男性行人比穿阿拉伯風格的男性行人的過街速度快11%，服裝風格對女性行人的影響不顯著。Goh等人[9]發現不攜帶任何物品的行人比攜帶物品的行人走得更快。

行人過街影響因素涉及人、車、路等多方面，年齡因素的行人過街速度研究較多，但是過街行人規模、性別、行人過街信號、季節等因素也都被考慮。但是在不同城市、不同交叉口，行人速度特性也會存在差異，如何將行人過街速度匹配不同場景條件，為城市信號控制設計和過街基礎設施設計提供相關量化數據也是未來研究的一個方向。

2.2 行人視覺特性

眼球追蹤是一種運用眼動追蹤設備通過記錄眼睛位置及其運動狀態并進行視線測量的技術。如今眼動追蹤技術已經應用到人類步行領域，行人過街作為一種特定的步行形式，了解行人過街的眼動特性，進而分析行人過街的視覺搜索過程，對交叉口設施設計及信號控制配時設計具有重要參考意義。

行人過街視覺搜索主要是為了收集周圍交通環境視覺信息，從而為過街決策提供參考信息。通過研究發現，年齡因素對過街行人視覺特性的影響顯著，表1總結了部分探索行人年齡因素對行人過街視覺特性影響的眼動追蹤實驗，發現兒童更關注突出的無關過街的因素，成年人能更好地通過視覺搜索獲取各個方向的信息，而老年人過街時則更關注過街路徑。

表1 年齡對過街行人視覺特性的影響

此外，交叉口信號控制方式以及行人手機使用情況也對行人過街眼動特性有影響。丁袁[15]通過在信號控制交叉口和無信號控制交叉口的行人眼動探索實驗，發現無信號控制下行人更多地關注左側注視區域，信號控制下行人則偏向于中部注視區域，無信號控制行人過街比較緊張，視負荷大于信號控制。Tapiro[16]發現使用手機會使行人對是否能安全過街的反應較慢，并且對場景外圍區域的視覺注意力分配較少。凌飛陽[17]得出聽音樂、打電話和發信息能夠分散的行人的注意力，導致行人左右觀察交通情況和掃視頻率降低的結論。

利用眼動追蹤實驗探索行人過街視覺特性，目前從行人的角度出發的研究較少。大部分的研究都是探索年齡因素對行人過街眼動特性的影響，而交叉口信號控制方式、行人過街狀態等也是重要影響因素。另外眼動追蹤實驗應該合理選擇實驗條件，真實過街的實驗條件能夠較好地采集行人過街眼動數據，而虛擬現實模擬則更加安全。后續對行人視覺特性的研究應該結合行人的其他交通特性，比如行人過街速度。

2.3 行人心理特征

行人過街存在典型的違章和使用手機兩種不安全過街行為。在信號控制交叉口，如果行人紅燈時間過長且出現可穿越間隙時，行人會違章過街。而過街時使用手機則是行人分心的一種體現，會忽略潛在的沖突隱患。從行人的心理特性方面剖析兩種過街行為能夠了解行人過街決策心理以及為減少行人過街事故而提出相應解決措施。

對于行人違章過街，“中國式過馬路”就是體現了從眾心理，張國強等人[18]發現當較多行人一起過街時，擁有共同的行為目標，會形成心理學上的群體，會獲得了更加安全的心理感受。基于從眾心理動態群體決策理論，過街人群中冒險型人群居多時，會帶動其他過街行人違章過街[19]。陸百川等人[20]等將行人的心理認知意識以及行人感受到的環境通過場的形式，去判斷客體對行人的作用強弱，因此，行人違章過街心理受其他行人和外界環境的影響，大多都不是故意而為之[21]。

對于行人使用手機過街的行為，Horberry等人[22]在調查中發現20%的行人在過街時使用智能手機，而聽音樂和發短信或與設備交互是觀察到的行人智能手機設備使用最多的功能。Zhang等人[23]發現在無信號控制交叉口使用手機過街的行人中64.1%是年輕行人。從心理角度而言，邊過街邊使用手機是由心理依賴引起的一種過街分心現象，而在短短的過街期間，行人使用手機最可能是在與關系親密的人進行社交，相關研究發現，31.2%的行人最有可能與朋友交流，24.5%與配偶交流[24]。Appel[25]將行人走路頻繁地使用手機歸因于社交恐懼，認為他們使用手機是為了避免錯過社交。對該行為進行干預，應該同時考慮行人和他們社交對象。

行人違章過街與行人使用手機過街都屬于不安全過街行為，從心理層面講，研究較多的是行人違章過街的從眾心理，而行人使用手機則被描述為社交心理依賴。結合行人的過街心理，針對性地采取管理、干預措施，能夠有效地減少行人過街安全隱患，所以結合過街設施形式、過街信號控制方式以及周圍行人影響等不同交通場景信息全面地分析行人過街的交通心理是必要的。

3 過街行人與車輛沖突

3.1 交通沖突技術

交通沖突是用于評估交通安全提出的替代安全措施最常用的指標，就是指兩個或兩個以上的道路使用者，在時間或空間維度上相互接近，如果一方采取轉換方向、突然停車等交通行為，另一方若不采取避險措施，在某一程度就會產生碰撞的一種現象。利用CiteSpace軟件分析近五年交通沖突相關文獻，通過圖1能夠得到交通沖突是交通安全研究的重要問題，并且主要是圍繞城市交通以及交叉口進行的研究，交通沖突技術是進行交通安全評價的有效手段。

圖1 交通沖突研究關鍵詞共現圖譜

在城市交通中行人和車輛共享道路，駕駛員與行人之間的相互作用是一個復雜的動態分析問題。行人在交叉口過街時與各個方向的來車都會產生沖突，如圖2所示。在信號控制的條件下，雖然通過信號相位從時間上分隔了行人與機動車流，但是不受信號控制的右轉車輛與過街行人仍然存在明顯的沖突，另外當行人無法在綠燈時間完成過街，就會與下個相位獲得路權的其他方向車輛產生沖突。人車沖突隨著交通量的增長而增加，在分析交叉口的安全性時需要更多地關注人車之間的交互作用。

圖2 交叉口人車沖突示意圖

3.2 人車沖突指標應用

為了交通沖突進行分析處理，國內外學者提出了許多交通安全指標。而人車沖突安全指標使用頻率最高的是基于時間近端的碰撞時間(Time-To-Collision,TTC)和后侵犯時間(Post-Encroachment-Time,PET)。圖3展示了兩種指標的應用情景，具體計算如式(1)、(2)、(3)。TTC是當兩個道路使用者在同一路徑上保持當前的交通行為，不采取任何的規避措施會發生碰撞的時間。而PET則是一個道路使用者離開潛在碰撞區域到另一個道路使用者到達碰撞區域的時間。對比兩種指標，TTC比PET更常用，適用于追尾、轉彎、行人過街與行人的碰撞。而PET只有在直角碰撞的情況下使用,較TTC而言更適合交叉沖突。

圖3 人車沖突指標PET和TTC示意圖[26-27]

PET=t1-t2

(1)

(2)

(3)

式中：t1車輛通過沖突點的時刻；t2為行人到達沖突點的時刻；V1、V2分別為車輛和行人的速度；D1為車頭到沖突點的距離；D2為行人到沖突點的距離；L、W分別為車長和車寬。

針對PET和TTC指標,Chen等人[28]選取了PET和速度指標進行仿真再現車輛和行人在不同幾何布局和操作條件下的隨機行為，發現交叉口尺寸和轉角越大，交叉口的安全性能就越差。Kumar等人[29]選取了PET指標來分析信號交叉口行人與右轉車輛的沖突情況，當PET值較低時，發生沖突的概率較高。另外，Wu等人[30]使用仿真模型(VISSIM)和替代安全評估模型(SSAM)研究發現當最大TTC和PET閾值分別為2.7 s和8 s時平均絕對百分比誤差值最低，但是VISSIM模型可能會忽略行人的違章行為。Zheng等人[31]發現結合TTC和PET的二元極值模型的估計精度最高，比選用單一指標分析更可靠。

除此之外，大多數現有的交通沖突指標沒有充分考慮發生碰撞后造成的傷害的嚴重程度，大多數已開發的指標將交通事故的嚴重程度表示為它們與碰撞在時間或空間上的接近程度。而單一的指標也都存在各自的局限，在研究過程中應該更多地去選擇合適的安全指標，并結合多種安全指標建立綜合模型進行預測或評估，能夠有效地去保留各項指標的優點并合理地走出局限，并且能針對新的發現提出新的指標。

4 行人過街安全研究展望

隨著自動駕駛技術蓬勃發展，未來的交通環境混合而復雜。自動駕駛汽車與其他道路使用者之間的安全互動是一個亟需解決的問題，車輛行駛過程中的機械故障和駕駛員駕駛行為差錯會導致人車交互失衡[32]，增加交通事故發生的概率，僅靠對自動駕駛汽車的精準控制和對所有交通規則的精確掌握不足以保證其在城市環境中安全駕駛。在傳統的交通場景中，車輛與行人之間主要是通過眼神、手勢等非語言線索進行信息交互的，自動駕駛汽車則需要更多行人交互信息和環境交互信息進行相關駕駛決策。

為了更安全地進行行人與自動駕駛汽車交互實驗研究，國外學者提出了一種讓駕駛員穿上類似座椅的服裝駕駛汽車的“幽靈司機”方法[33]，并且要考慮行人過街可接受距離、行人速度以及車輛等交互因素對行人的影響。自動駕駛汽車外部的人機界面可以指示車輛的預期動作，協助行人與自動駕駛汽車交互。Bindschadel等[34]通過實驗發現行人在遇到帶有外部人機界面的自動駕駛汽車時，過街時會感覺更安全。關于外部人機界面顯示信息，Bazilinskyy等[35]調查得到以行人為中心的綠色文本信息是最清晰的，但是需要考慮文本指示信息的技術可行性，對于人機界面的位置，保險杠和車頂比擋風玻璃好。

雖然有越來越多的關于自動駕駛技術相關的研究，但是自動駕駛汽車引入真實道路環境還需要一段時間，現階段行人過街安全的研究能夠作為后續研究行人與自動駕駛汽車交互安全的基礎。行人過街速度用于行人軌跡預測進而作為自動駕駛軌跡規劃的依據；行人過街視覺特性能夠了解行人獲取交通信息的特點，為外部人機交互界面設計提供參考；行人過街心理則可以作為自動駕駛汽車與行人交互的特殊情況的判斷依據，進而可以研究行人違章或是其他特殊過街情況下自動駕駛系統的處理技術；人車沖突研究可為未來過街行人與自動駕駛汽車沖突分析提供參考。

5 結語

(1)大多數研究中行人過街速度僅取決于行人過街時間和人行橫道長度，缺乏對行人過街過程中速度變化特征的體現。通過眼球追蹤實驗探索行人的視覺特性，從行人的角度出發進行的研究較少。而行人心理特性的研究能夠解釋行人的過街行為，其他交通特性的變化規律很大部分都取決于行人過街心理，后續的研究中應該合理地結合行人的速度特性、視覺特性、心理特性、生理特性等特性，探討各種特性之間的內在聯系。

(2)交通沖突技術是分析交通安全的重要技術，TTC和PET是最常選用的安全指標，現有研究較多地獨立分析各項指標的影響，結合不同指標能夠得到更好的評價和預估效果，在現有指標的基礎之上，新指標的提出能夠完善交通安全評價體系。

(3)自動駕駛汽車與行人的安全交互可以保證交通環境的安全，外部人機界面能夠幫助行人在有自動駕駛車輛的情況下做出過街決策。未來行人過街安全方面的研究應在當前研究的基礎之上更多地去考慮自動駕駛汽車引入城市道路后對過街行人的影響。