基于聚類的車輛駕駛行為研究

李婷婷

(河北省石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

一、簡(jiǎn)介

結(jié)合K-means聚類和決策樹模型，對(duì)車輛行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立一個(gè)駕駛員駕駛狀態(tài)模型。根據(jù)司機(jī)駕駛過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，結(jié)合不同的環(huán)境情況進(jìn)行分析，可以判別當(dāng)前車輛的駕駛狀態(tài)。

二、研究背景

近年來交通事故越來越多，給人生安全造成極大威脅，很大程度上制約了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步。導(dǎo)致事故發(fā)生的因素來自方方面面，司機(jī)不正確的駕駛操作、異常監(jiān)測(cè)設(shè)備的落后等。對(duì)于司機(jī)的駕駛狀態(tài)分析，目前還有所不足。例如車載監(jiān)測(cè)設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)司機(jī)疑似疲勞駕駛的行為，但還不能夠分析司機(jī)是否存在超長(zhǎng)怠速、急變道等不當(dāng)操作。

建立模型對(duì)司機(jī)的駕駛狀態(tài)進(jìn)行分析，有利于對(duì)其不良行為監(jiān)測(cè)并及時(shí)提醒，從而在源頭上減小交通事故的風(fēng)險(xiǎn)。

三、模型建立與分析

結(jié)合采集的行車軌跡，包括車牌號(hào)、設(shè)備號(hào)、方向角度、經(jīng)緯度、點(diǎn)火狀態(tài)、轉(zhuǎn)向燈狀態(tài)、手剎腳剎以及采集時(shí)間等信息進(jìn)行分析。

根據(jù)車輛在一段運(yùn)輸路線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，區(qū)別安全行為和不良駕駛行為。對(duì)于找出的不良駕駛行為，利用隨機(jī)森林對(duì)其進(jìn)行類別分析，其中所有不良駕駛行為分為狀態(tài)類和閾值類，閾值類包括急加、急減速、超速、急變道等，其特點(diǎn)在于當(dāng)速度、加速度或者方向變化等達(dá)到一定閾值，便認(rèn)為駕駛員存在不良駕駛行為；其余為狀態(tài)類，對(duì)于怠速預(yù)熱、超長(zhǎng)怠速、熄火滑行等根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到指定要求則判斷為不良駕駛行為。

（一）K-means聚類區(qū)分正常和異常駕駛行為

選取某輛車的某條線路作為研究數(shù)據(jù)輸入，分析其速度-加速度散點(diǎn)圖可知，除了有少量突變性較高的數(shù)據(jù)外，速度-加速度點(diǎn)主要集中在低加速區(qū)域，而且隨著速度增加，高加速點(diǎn)在逐漸地減少；速度-加速度點(diǎn)聚集性較強(qiáng)，采取K-means聚類進(jìn)行安全駕駛行為和異常駕駛行為的區(qū)分。

（二）決策樹分類不同異常駕駛行為

決策樹模型可以根據(jù)多組判斷條件的設(shè)置，形成一系列的分支，從而將輸入數(shù)據(jù)分成不同輸出結(jié)果。對(duì)于判斷條件的順序需要結(jié)合不同類別的差異性設(shè)置，將具有明顯差異的區(qū)分條件放在前面的順序；對(duì)于差別不大的判斷條件可以進(jìn)行微調(diào)。

選擇C4.5算法作為屬性選擇度量算法，使其能夠完成對(duì)連續(xù)屬性的離散化處理并對(duì)不完整數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（三）結(jié)果分析

根據(jù)預(yù)處理后所選取的4種主要屬性集：{速度，加速度，點(diǎn)火狀態(tài)，方向改變值，駕駛時(shí)間}和最終分類結(jié)果集{急加，急減，怠速預(yù)熱，超長(zhǎng)怠速，熄火滑行，超速}。

構(gòu)造樹型時(shí)，需結(jié)合信息增益比，選取比值大的因素作為根節(jié)點(diǎn)，逐層遞進(jìn)，對(duì)于比值差異不大的因素可以進(jìn)行微調(diào)。

將這些異常駕駛行為分為閾值類和狀態(tài)類2大類。

狀態(tài)類如下：

①怠速預(yù)熱：分類依據(jù)為車輛是否處于點(diǎn)火狀態(tài)為開啟且速度為0的駕駛情況。

②超長(zhǎng)怠速：分類依據(jù)為車輛點(diǎn)火狀態(tài)開啟且速度為0的狀態(tài)是否持續(xù)20分鐘以上。

③熄火滑行：分類依據(jù)為車輛是 否處于點(diǎn)火狀態(tài)為0且速度不為0的駕駛情況。

閾值類如下：

④急加速和急減速：分類依據(jù)為車輛加速度的絕對(duì)值是否超過問題一所述閾值。

⑤超速：分類依據(jù)為車輛瞬時(shí)速度是否超過所行使路況的規(guī)定車速。

⑥急變道：分類依據(jù)為車輛方向角變化幅度是否大于某一閾值且小于90度，即是否出現(xiàn)短時(shí)間方向突變情況。

四、模型優(yōu)點(diǎn)

數(shù)據(jù)預(yù)處理中，對(duì)于一輛車的不同路段采用時(shí)間間隔進(jìn)行分段，閾值設(shè)置5min，10min，30min，60min分別分析，最后選擇60min作為路段閾值，避免了等紅燈、司機(jī)休息等其他情況對(duì)路段分割造成影響。

對(duì)于不同類別的不良駕駛行為，按照特點(diǎn)分為狀態(tài)類和閾值類，其中急加速和急減速、超速、急變道屬于閾值類，表現(xiàn)在于當(dāng)某一指標(biāo)或者其變化超過特定閾值時(shí)，便是某種類別的不良駕駛行為；對(duì)于其他的狀態(tài)類，則通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程描述狀態(tài)變化情況，當(dāng)狀態(tài)趨于平穩(wěn)，則考慮是否出現(xiàn)某些不良駕駛行為，效果較為靈敏。

五、結(jié)語

隨著數(shù)據(jù)分析與智能化的發(fā)展，對(duì)于駕駛行為發(fā)面的分析、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)還有待進(jìn)一步的完善。在真實(shí)場(chǎng)景下，算法的應(yīng)用除了要求其準(zhǔn)確率之外，還需要考慮適用性與易用性，這樣才能更加有助于算法與工業(yè)界的結(jié)合。