李振龍, 董愛華, 趙曉華, 楊磊
(北京工業(yè)大學(xué)城市交通學(xué)院, 北京 100124)
近年來,中國機(jī)動(dòng)車輛和駕駛員人數(shù)持續(xù)快速增長(zhǎng),交通擁擠、事故頻發(fā)等問題較突出。自動(dòng)駕駛被認(rèn)為是解決交通事故和交通擁堵的有效渠道,目前,L3自動(dòng)駕駛的研發(fā)工作在眾多汽車企業(yè)中展開??蒲性盒R惨验_展L3級(jí)自動(dòng)駕駛的相關(guān)研究工作。但是目前大多數(shù)研究集中在駕駛員上,對(duì)于微觀交通行為的研究較少。換道過程是一種微觀駕駛行為,研究表明,在高速公路上60%的交通事故與換道有關(guān),而且不規(guī)律的換道是導(dǎo)致城市交通擁堵的最主要原因之一[1]。換道過程是研究自動(dòng)駕駛的重要部分,找到一條優(yōu)秀的換道軌跡對(duì)于自動(dòng)駕駛的發(fā)展和道路交通的順暢、安全具有重要意義。

1為保護(hù)貼;2為內(nèi)存卡;3為充電器;4為心電儀設(shè)備;5為心電儀設(shè)備擴(kuò)展帶圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Equipment
學(xué)者們針對(duì)換道軌跡的評(píng)價(jià)問題已開展了大量研究。李瑋等[2]采用最大側(cè)向加速度、車輛換道軌跡起始位置的曲率值、換道軌跡的切線方向與車道線產(chǎn)生的夾角作為評(píng)價(jià)換道軌跡的指標(biāo)。Tehrani等[3]用橫向加速度評(píng)價(jià)高速公路上車輛實(shí)際換道數(shù)據(jù)和多項(xiàng)式擬合的換道數(shù)據(jù)的舒適性。潘兵宏等[4]采用橫向加速度驗(yàn)證換道軌跡模型的舒適性。華一丁等[5]提出了一種基于魯棒比例積微分控制(proportional-integral-derivative control,PID)的智能汽車自主換道軌跡跟蹤控制算法,通過對(duì)比該算法與傳統(tǒng)PID控制算法得到的橫擺角速度值,證明了其算法可以使乘客更舒適。鄧召文等[6]研究了不同沖擊度約束下智能汽車換道軌跡優(yōu)化問題,其用沖擊度即汽車非勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度的導(dǎo)數(shù)值來描述舒適性,構(gòu)建了考慮縱、橫向沖擊度和換道結(jié)束縱向位移的目標(biāo)函數(shù)。閆堯等[7]采用橫向速度、橫向加速度表征舒適性,用平均曲率表征平穩(wěn)性,用換道軌跡長(zhǎng)度表征高效性。廖鵬等[8]以加速度和前輪轉(zhuǎn)角為基礎(chǔ),構(gòu)造了綜合考慮燃油消耗量、前輪轉(zhuǎn)角的角速度和換道時(shí)間的目標(biāo)函數(shù),所得軌跡可以在保證駕駛安全性的前提下,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、舒適和高效等目標(biāo)。Fotiades等[9]提出的車輛快速換道算法中用側(cè)向加速度表征乘客的舒適性。張新鋒等[10]用側(cè)向加速度評(píng)價(jià)舒適性,用換道時(shí)間評(píng)價(jià)高效性,用車輛處于換道危險(xiǎn)點(diǎn)時(shí)與周圍車的距離評(píng)價(jià)安全性??聺齕11]用最大加速度來表征舒適性,用燃油消耗量來表征經(jīng)濟(jì)性,用本車與當(dāng)直接前車、目標(biāo)車道后車的距離來表征安全性。裴曉飛等[12]通過車間時(shí)距、碰撞時(shí)間、車速以及加速度的導(dǎo)數(shù)評(píng)價(jià)換道軌跡在行駛效率、安全性、舒適性方面的性能。Luo等[13]用換道時(shí)間和換道距離作為變量進(jìn)行換道軌跡規(guī)劃。蔣銳等[14]引入包含加速度和速度的換車道危險(xiǎn)系數(shù)表征車輛換道時(shí)的安全性。薛清文等[15]選擇碰撞時(shí)間倒數(shù)、車頭時(shí)距和碰撞裕度來評(píng)價(jià)換道過程中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。馬小龍等[16]采用碰撞時(shí)間和碰撞余量作為換道過程的安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)。
綜上可知,學(xué)者們對(duì)傳統(tǒng)車輛和智能車輛的換道軌跡評(píng)價(jià)開展了大量研究,提出了比較豐富的評(píng)價(jià)指標(biāo),但是L3自動(dòng)駕駛事故場(chǎng)景下的換道因存在控制權(quán)由車到人的切換而有所不同,對(duì)于L3自動(dòng)駕駛事故場(chǎng)景下?lián)Q道軌跡評(píng)價(jià)的研究尚鮮見報(bào)道。準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便地找到適合于該場(chǎng)景下的最優(yōu)換道軌跡一方面可以在手動(dòng)駕駛時(shí)為駕駛員提供指導(dǎo),另一方面可以在自動(dòng)駕駛時(shí)便于車輛遵循。鑒于此,從駕駛模擬實(shí)驗(yàn)獲得的L3事故場(chǎng)景下人工接管后的換道軌跡數(shù)據(jù)出發(fā),從舒適性、高效性、生態(tài)性、安全性4個(gè)方面選取評(píng)價(jià)指標(biāo),考慮到換道軌跡多指標(biāo)性能綜合評(píng)價(jià)的特點(diǎn),運(yùn)用多目標(biāo)決策的熵權(quán)TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)法評(píng)價(jià)換道軌跡并進(jìn)行標(biāo)簽標(biāo)定,在此基礎(chǔ)上訓(xùn)練得到支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)分類器,以期換道軌跡的分類能更加簡(jiǎn)便。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備為北京工業(yè)大學(xué)AutoSimAS駕駛模擬系統(tǒng),硬件主要包括駕駛模擬器、高性能計(jì)算機(jī)、華為平板、眼動(dòng)儀、攝像機(jī)等,軟件為SCANeR1.9系統(tǒng)。通過場(chǎng)景開發(fā)軟件和平板設(shè)備開發(fā)虛擬場(chǎng)景和人機(jī)交互界面(human machine interface,HMI),并將其導(dǎo)入駕駛模擬系統(tǒng)。駕駛模擬器以20 Hz的頻率動(dòng)態(tài)采集坐標(biāo)、速度、橫向偏移等信息,實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖如圖1所示。
接管場(chǎng)景包括主線接管、團(tuán)霧接管、事故接管、匝道接管。設(shè)計(jì)道路為閉環(huán)。其中,事故接管路段的限速為120 km/h,自動(dòng)駕駛車輛速度為100 km/h,駕駛?cè)私庸苘囕v后根據(jù)道路限速行駛,由手動(dòng)駕駛模式切換至自動(dòng)駕駛模式后,車輛逐漸恢復(fù)速度100 km/h。接管方式為當(dāng)HMI發(fā)出接管請(qǐng)求后,駕駛?cè)诵璋磮D1中的“接管”按鈕將控制權(quán)由車輛移交給駕駛?cè)?,在自?dòng)駕駛功能可用時(shí)按圖1中的“啟動(dòng)”按鈕將恢復(fù)自動(dòng)駕駛。HMI界面如圖2所示。
共邀請(qǐng)42名視力、聽力良好且有駕駛能力的被試,其中男性32人,女性10人。平均年齡為(43.45±17.16)歲,平均駕齡為(16.10±11.96)年。

1為自動(dòng)駕駛模式;2為手動(dòng)駕駛模式圖2 HMI界面設(shè)計(jì)Fig.2 HMI interface design
每位駕駛?cè)诉M(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)隨機(jī)確定。實(shí)驗(yàn)開始前,先對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)行理論、視頻和實(shí)操培訓(xùn),通過測(cè)試問卷后開始第一次正式實(shí)驗(yàn),為避免疲勞駕駛,第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,駕駛?cè)诵菹?0~15 min,然后開始第二次實(shí)驗(yàn),兩次試驗(yàn)結(jié)束后,駕駛?cè)颂顚懼饔^問卷,試驗(yàn)結(jié)束。
事故場(chǎng)景下,為保證車輛繼續(xù)通行,車輛必須換道繞過事故點(diǎn)。通過車輛橫向偏移和坐標(biāo)提取出113條換道軌跡用于接下來的評(píng)價(jià)和分類研究。
從舒適性、高效性、生態(tài)性、安全性四個(gè)方面選取換道軌跡的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
(1)舒適性。換道過程中應(yīng)盡可能確保乘坐人員的舒適度。多數(shù)研究用最大橫向加速度表征換道過程的舒適性,劉晨強(qiáng)[17]用最大橫向加速度和最大縱向加速度來表征換道過程的舒適性。因此選取最大橫向加速度axmax和最大縱向加速度aymax作為評(píng)價(jià)舒適性的參數(shù)。
(2)高效性。高效性是換道軌跡規(guī)劃中經(jīng)常考慮的問題,多數(shù)研究用換道時(shí)間或者換道軌跡長(zhǎng)度來表征高效性。因此選取換道時(shí)間T和換道軌跡長(zhǎng)度L作為評(píng)價(jià)高效性的參數(shù)。

(4)安全性。碰撞時(shí)間(time-to-collision,TTC)常用來判斷車輛是否會(huì)發(fā)生追尾事故,根據(jù)具體情況,TTC的計(jì)算方式為自車未完全駛離本車道情況下自車與事故點(diǎn)之間的TTC。為了避免兩車間的相對(duì)速度過小,從而導(dǎo)致TTC趨向于無窮大的問題,常用TTC的倒數(shù)ITTC來代替TTC。因此在安全性上選取的指標(biāo)為ITTC。
換道場(chǎng)景是前方出現(xiàn)事故,自動(dòng)駕駛系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出接管預(yù)警,隨后駕駛員接管車輛并進(jìn)行換道。這種情況下的換道比較緊急,平順性一般都較差,所以在進(jìn)行換道軌跡評(píng)價(jià)時(shí)不考慮平順性。建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 換道軌跡評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Evaluation index system for lane change trajectory
TOPSIS是一種常用的綜合評(píng)價(jià)法,因其具有應(yīng)用靈活、計(jì)算簡(jiǎn)便、結(jié)果量化客觀等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[19],它的基本思想是通過計(jì)算各評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想解的綜合距離來確定評(píng)價(jià)對(duì)象的優(yōu)劣順序。如果評(píng)價(jià)對(duì)象距離正理想解越近,距離負(fù)理想解越遠(yuǎn),就認(rèn)為這個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象更好。正理想解與負(fù)理想解是一個(gè)虛擬的最優(yōu)解與最差解, 分別代表本身的各個(gè)指標(biāo)值都達(dá)到評(píng)價(jià)對(duì)象中的最優(yōu)值與最差值[20]。
設(shè)共有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象,每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),X=(xij)m×n為由各換道軌跡各指標(biāo)組成的矩陣,其中xij為第i(i=1,2,…,m)個(gè)換道軌跡的第j(j=1,2,…,n)個(gè)指標(biāo)值。記xj為矩陣X的第j列。采用熵權(quán)TOPSIS進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的步驟如下。
步驟1數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。
正向化指標(biāo)可表示為
x′ij=(xij-minxj)/(maxxj-minxj)
(1)
負(fù)向化指標(biāo)可表示為
x′ij=(maxxj-xij)/(maxxj-minxj)
(2)
式中:maxxj為第j項(xiàng)指標(biāo)的最大值;minxj為第j項(xiàng)指標(biāo)的最小值;x′ij為xij標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

步驟2計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)。
(3)
(4)
(5)
式中:yij為第i個(gè)軌跡的第j項(xiàng)指標(biāo)所占的比重;ej為第j項(xiàng)指標(biāo)的信息熵;K=1/lnm為常數(shù);Wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。
應(yīng)用式(3)~式(5)[20]計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán),結(jié)果如表1所示。

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)熵權(quán)Table 1 Entropy weight of each evaluation index
步驟3構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣。
(6)
式(6)中:W1,W2,…,Wn為式(5)計(jì)算得到的第1,2,…,n項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。
步驟4計(jì)算正、負(fù)理想解。
定義正理想解V+和負(fù)理想解V-分別為
(7)
(8)

應(yīng)用式(7)得到正理想解為[20]
V+=[0.138,0.094,0.138,0.174,0.046,
0.124,0.112,0.093,0.081]
(9)
應(yīng)用式(8)得到負(fù)理想解為[20]
V-=[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]
(10)
步驟5計(jì)算距離。
(11)
(12)
步驟6計(jì)算相對(duì)貼近度。
各評(píng)價(jià)對(duì)象與理想解的相對(duì)貼近度Ci為
(13)

根據(jù)式(9)~式(11)[20]計(jì)算出每個(gè)換道軌跡的相對(duì)貼近度,并由此得到113條換道軌跡的優(yōu)劣排序,按等比例將樣本劃分為優(yōu)、中、差三類。
SVM是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二元分類的廣義線性分類器,是一種二分類模型,基本思想是求解能夠正確劃分訓(xùn)練數(shù)據(jù)集且最大化特征空間幾何間隔的分離超平面。由于SVM具有理論完善、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、泛化能力強(qiáng)、收斂性好等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛應(yīng)用。
當(dāng)數(shù)據(jù)集線性可分時(shí),超平面函數(shù)表達(dá)式為:wTx+b=0,幾何間隔d=2‖w‖,其中,w為超平面的法向量,x為數(shù)據(jù)集中任一樣本的坐標(biāo)向量,b為截距,只要使得幾何間隔最大,就可以求出最優(yōu)分類超平面;當(dāng)數(shù)據(jù)集是線性不可分時(shí),SVM通過選擇一個(gè)核函數(shù)對(duì)原始空間中的非線性數(shù)據(jù)進(jìn)行映射轉(zhuǎn)換,使其變?yōu)楦呔S空間中的線性可分?jǐn)?shù)據(jù),從而求出最優(yōu)分類超平面。
SVM分類器模型的構(gòu)建可分為:訓(xùn)練集和測(cè)試集的劃分、核函數(shù)選擇和參數(shù)尋優(yōu)、模型訓(xùn)練和分類預(yù)測(cè),具體如下。
步驟1訓(xùn)練集和測(cè)試集的劃分。利用十折交叉驗(yàn)證法,將數(shù)據(jù)集中113個(gè)樣本平均分為10份,輪流將其中9份作為訓(xùn)練集,1份作為測(cè)試集,進(jìn)行10組試驗(yàn)。取10組試驗(yàn)的平均準(zhǔn)確率作為最終的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。
步驟2核函數(shù)選擇和參數(shù)尋優(yōu)。高斯徑向基函數(shù)是一種局部性強(qiáng)的核函數(shù),對(duì)大樣本和小樣本都適用,因此選擇高斯徑向基函數(shù)作為模型的核函數(shù)。為了更好地提升分類器的性能,分類前需要調(diào)整SVM模型的參數(shù)。參數(shù)c為懲罰因子,決定錯(cuò)分樣本的處罰程度,參數(shù)g為核函數(shù)中的gamma函數(shù)設(shè)置,決定高維空間中數(shù)據(jù)的分布情況。c和g的選擇對(duì)分類精度影響很大,試驗(yàn)中用函數(shù)SVMcgClass完成c和g的選擇。
步驟3模型訓(xùn)練和分類預(yù)測(cè)。調(diào)用libsvm軟件包,使用libsvm中的svmtrain函數(shù)來訓(xùn)練多分類模型,使用libsvm中的svmpredict函數(shù)來測(cè)試分類精度。
將熵權(quán)TOPSIS模型應(yīng)用于駕駛模擬得到的換道軌跡,根據(jù)相對(duì)貼近度將換道軌跡進(jìn)行優(yōu)劣排序,最優(yōu)換道軌跡的各項(xiàng)指標(biāo)值如表2所示。根據(jù)相關(guān)研究,人體承受縱向加速度和橫向加速度的界限值不同[一般縱向加速度值為(-3 m/s2,3 m/s2),橫向加速度為(-2 m/s2,2 m/s2)][17]。高速公路環(huán)境換道時(shí)間一般在3.5~6.5 s。對(duì)應(yīng)表2中的指標(biāo)值可知換道過程中駕駛?cè)烁杏X舒適,換道較為高效。油門踏板深度的平均值和最大值較小,油門踏板深度一階導(dǎo)數(shù)的平均值和最大值也較小,說明換道過程中油門踏板深度變化平緩,即換道過程中車輛油耗較小。根據(jù)碰撞時(shí)間倒數(shù)的值可知碰撞時(shí)間為2.74 s,根據(jù)林慶峰等[21]的研究結(jié)果,在建立L3級(jí)自動(dòng)駕駛汽車的接管安全性評(píng)價(jià)模型中將TTC大于1 s的設(shè)為安全組,小于1 s的設(shè)為危險(xiǎn)組。所以此換道軌跡較為安全。綜上,由熵權(quán)TOPSIS評(píng)價(jià)模型選擇的最優(yōu)軌跡在舒適性、高效性、生態(tài)性和安全性上綜合表現(xiàn)優(yōu)秀。
根據(jù)相對(duì)貼近度將113條換道軌跡進(jìn)行排序,然后按等比例劃分為好、中、差三類。選取每一類中相對(duì)貼近度最高和最低的軌跡作為代表,其各指標(biāo)與正、負(fù)理想解之間的接近程度如圖4所示。
由圖4可知,正負(fù)理想解之間差距最大的為指標(biāo)4(軌跡長(zhǎng)度);差距最小的為指標(biāo)5(平均油門深度)。由各代表曲線(圖4)也可以看出,在指標(biāo)3(換道時(shí)間)和指標(biāo)4(軌跡長(zhǎng)度)上波動(dòng)較大,好的類別的軌跡在這兩個(gè)指標(biāo)上的值也更好,說明各類別曲線在高效性上有明顯區(qū)別;而在指標(biāo)5(平均油門深度)和指標(biāo)8(最大油門深度一階導(dǎo)數(shù))上,各曲線并沒有較明顯的波動(dòng),說明各類別曲線在生態(tài)性上差別并不大。從整體上看,在每個(gè)指標(biāo)上各類別曲線的高低位置會(huì)發(fā)生變化,說明曲線在不同的指標(biāo)上各有優(yōu)劣。綜上,熵權(quán)TOPSIS評(píng)價(jià)模型中,各指標(biāo)由于其熵權(quán)不同在評(píng)價(jià)過程中占有不同程度的作用,但軌跡最終的評(píng)價(jià)結(jié)果是綜合考慮各指標(biāo)的表現(xiàn)決定的。

表2 最優(yōu)換道軌跡指標(biāo)值Table 2 Index values of optimal lane-changing trajectory
將三類軌跡的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)取平均值,從整體上觀察類別間的指標(biāo)變化情況。如圖5所示,軌跡長(zhǎng)度在3種類別之間并沒有明顯變化,除最大縱向加速度和碰撞時(shí)間倒數(shù)外,其余各指標(biāo)的變化趨勢(shì)與各類別的優(yōu)劣關(guān)系相符合。從數(shù)據(jù)上看,最大縱向加速度和碰撞時(shí)間倒數(shù)的熵權(quán)較小,與整體指標(biāo)體系相比,其相反的變化趨勢(shì)并不影響相應(yīng)軌跡類別關(guān)系的判定。

V1為正理想解;V2為負(fù)理想解;Si1為第i類中的最好軌跡; Si2為第i類中的最差軌跡;指標(biāo)序號(hào)1~9分別對(duì)應(yīng)圖3中的 二級(jí)指標(biāo),序號(hào)從左到右遞增排序圖4 與正負(fù)理想解的接近程度圖Fig.4 Diagram of the closeness to the positive and negative ideal solutions

圖5 類別間指標(biāo)對(duì)比Fig.5 Comparison of indicators among categories
為使分類更加簡(jiǎn)便,用已經(jīng)帶有分類標(biāo)簽的數(shù)據(jù)訓(xùn)練SVM分類器,經(jīng)網(wǎng)格搜索后,c取2,g取0.078。如表3所示,用得到的SVM分類器模型對(duì)換道軌跡分類,得到的平均準(zhǔn)確率為79.55%,平均精確率為79.52%,平均召回率為79.51%,平均F1分?jǐn)?shù)為77.43%。圖6為準(zhǔn)確率是81.81%時(shí)測(cè)試集實(shí)際分類和預(yù)測(cè)分類的情況。綜上,SVM分類器能以較為穩(wěn)定的準(zhǔn)確率完成換道軌跡的分類。

表3 分類器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)值Table 3 The performance evaluation index value of the classifier

圖6 分類情況示例Fig.6 Example of classification
基于駕駛模擬器設(shè)計(jì)L3級(jí)自動(dòng)駕駛事故場(chǎng)景并提取該場(chǎng)景下的換道軌跡數(shù)據(jù)。用熵權(quán)TOPSIS模型對(duì)提取的113條換道軌跡進(jìn)行評(píng)價(jià)以及標(biāo)簽標(biāo)定,最后訓(xùn)練得到SVM分類器對(duì)換道軌跡進(jìn)行分類。得出如下結(jié)論。
(1)用熵權(quán)TOPSIS評(píng)價(jià)模型得到的最優(yōu)換道軌跡在舒適性、高效性、生態(tài)性和安全性上綜合表現(xiàn)優(yōu)秀。
(2)SVM分類器可以較為準(zhǔn)確地完成換道軌跡的分類,且只根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)就可以直接預(yù)測(cè)分類結(jié)果,相比于熵權(quán)TOPSIS模型,其更為簡(jiǎn)便。
換道數(shù)據(jù)來自L3事故場(chǎng)景,得到的最優(yōu)換道軌跡可為自動(dòng)駕駛車輛在該場(chǎng)景下的換道軌跡規(guī)劃和軌跡跟蹤提供參考。需要指出的是本文中權(quán)重的選擇是根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)得到的,對(duì)于其合理性還需要進(jìn)一步研究,此外,研究結(jié)果是基于駕駛模擬艙得到的,在真實(shí)交通中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步深入研究。