基于大數(shù)據(jù)的車輛駕駛行為安全性研究

秦世昊 翟登旺 王江武 吳庭旭 李耀華

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，西安 710064）

主題詞：駕駛行為 安全性評(píng)價(jià) 大數(shù)據(jù)分析 聚類分析K-Means

1 引言

隨著我國(guó)汽車保有量逐年遞增，交通事故數(shù)量也隨之增多，每年均會(huì)造成巨大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。2020年，全國(guó)機(jī)動(dòng)車交通事故達(dá)到211 074起，事故造成死亡61 703人，直接財(cái)產(chǎn)損失超過(guò)13億元[1]。根據(jù)Chan[2]的研究，94%的交通事故是由于駕駛員的主觀失誤所造成。2018年，我國(guó)因駕駛員違規(guī)違法行為所造成的交通事故死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)比例為88.91%[3]。因此，研究駕駛?cè)藛T的駕駛行為對(duì)保證車輛安全行駛有著重要的意義[4-5]。

本文采用北京51路電動(dòng)公交車2020年5月20日至2021年5月20日的全年車輛行駛數(shù)據(jù)，對(duì)車輛駕駛行為安全性展開研究，對(duì)超速、急加速、急減速、熄火滑行的不安全駕駛行為進(jìn)行識(shí)別分析，以自然月為單位，采用K-Means對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析評(píng)價(jià)，從而量化評(píng)估駕駛員的駕駛行為，為車輛行駛安全性評(píng)價(jià)、駕駛員培訓(xùn)管理和車輛保險(xiǎn)定價(jià)提供參考。

2 數(shù)據(jù)概述

本文基于北京市51路10輛純電動(dòng)公交車，2020年5月20日至2021年5月20日車輛正常工作期間的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采樣間隔為15 s，其內(nèi)容包含車輛一般行駛數(shù)據(jù)和特別的電池與電機(jī)數(shù)據(jù)。

車輛一般行駛數(shù)據(jù)的類別如表1所示，車輛行駛路線如圖1所示，主要包括南三環(huán)和其它城市道路，圖像來(lái)源為百度地圖。

表1 車輛一般行駛數(shù)據(jù)類別

3 不安全駕駛行為識(shí)別

基于車輛行駛數(shù)據(jù)特性，對(duì)超速、急加速、急減速和熄火滑行的不安全行為進(jìn)行分析，建立二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，如表2所示。

表2 駕駛行為評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 超速行為

車速對(duì)交通安全有著重大影響。車速越快，駕駛員對(duì)車輛的控制能力越低，造成交通事故的可能性越大。因此，超速行為是危害車輛行駛安全的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)51路公交車運(yùn)行路線和《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，車輛在南三環(huán)上最高車速為80 km/h，其余路段最高車速均為60 km/h[6]。

為了量化評(píng)價(jià)超速行為的危險(xiǎn)性，分別采用超速比例和超速次數(shù)評(píng)價(jià)超速行為的嚴(yán)重程度和發(fā)生頻率，超速比例的計(jì)算為：

式中，b為超速比例；u為車輛當(dāng)前行駛速度；ur為當(dāng)前路段限定最高行駛速度。

依據(jù)《道路安全法》，可將超速行為按超速比例分為4類，如表3所示[7]。

表3 超速分類[7]

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，某輛車全年超速情況如表4所示。

表4 某輛車全年行駛時(shí)超速情況

3.2 急加速和急減速行為

急加速、急減速行為并不違反交通規(guī)定，但過(guò)大和過(guò)頻繁的加減速將會(huì)導(dǎo)致車輛的行駛安全性下降。因此，車輛的急加速和急減速行為是衡量車輛安全性的重要指標(biāo)。通常將加速度閾值設(shè)定為±2 m/s2，當(dāng)加速度超過(guò)這一閾值時(shí)，則認(rèn)為車輛出現(xiàn)急加速或急減速行為[8]。但由于本文所用數(shù)據(jù)采樣周期較大，難以計(jì)算出準(zhǔn)確加速度，故需要通過(guò)其它數(shù)據(jù)信息對(duì)急加速和急減速行為進(jìn)行識(shí)別。

金號(hào)[9]的研究成果表明：加速踏板開度與當(dāng)前車輛行駛速度反映駕駛員的駕駛意圖，呈現(xiàn)如下規(guī)律。

（1）每一個(gè)加速踏板行程對(duì)應(yīng)一個(gè)穩(wěn)定車速。

（2）穩(wěn)定車速下，加速踏板會(huì)存在輕微波動(dòng)，此時(shí)駕駛員實(shí)際意圖為以穩(wěn)定車速行駛。

（3）加速踏板與穩(wěn)定車速為非線性關(guān)系。車速越低，踏板越敏感，微小的踏板變化會(huì)產(chǎn)生較大的速度變化。

基于上述規(guī)律，本節(jié)制定基于車速和加速踏板開度的加速行為識(shí)別模式，如表5所示，其中穩(wěn)定車速對(duì)車輛的安全行駛沒(méi)有影響，一般加速、急加速均會(huì)對(duì)車輛的安全行駛產(chǎn)生影響。

表5 加速行為識(shí)別模式

根據(jù)上述加速行為識(shí)別模式，某輛車2020年6月的加速行為如表6所示。

表6 某輛車2020年6月行駛時(shí)的加速行為

王英范等[10]的研究表明，制動(dòng)踏板開度可用于識(shí)別駕駛員駕駛時(shí)的制動(dòng)意圖。因此，可根據(jù)制動(dòng)踏板開度值進(jìn)行急減速行為識(shí)別，如表7所示，其中過(guò)于頻繁的一般減速對(duì)車輛安全行駛有一定的影響，急減速會(huì)在較大的程度上影響車輛安全行駛。

表7 急減速行為識(shí)別模式

根據(jù)急減速行為識(shí)別條件，某輛車2020年6月的減速行為如表8所示。

表8 某輛車2020年6月行駛時(shí)的減速行為

3.3 熄火滑行行為

車輛熄火時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)和方向盤可能會(huì)出現(xiàn)鎖死現(xiàn)象，造成滑行時(shí)無(wú)法轉(zhuǎn)向或制動(dòng)，從而會(huì)出現(xiàn)車輛失控狀況，存在著一定的安全隱患。因此，熄火滑行也是評(píng)價(jià)駕駛員安全性駕駛行為的指標(biāo)之一。熄火滑行行為的識(shí)別條件為車輛狀態(tài)為熄火狀態(tài)，并且當(dāng)前車速不為零。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，某車全年熄火滑行情況如圖2所示。由圖2可知，車輛熄火滑行時(shí)，大部分車速較低，但也有個(gè)別時(shí)刻車速超過(guò)5 km/h。

4不安全駕駛行為統(tǒng)計(jì)與分析

4.1 不安全駕駛行為賦分統(tǒng)計(jì)

基于上文不安全駕駛行為的識(shí)別模式，對(duì)某輛車全年內(nèi)每日的超速行為、加速行為、減速行為、熄火滑行行為的不安全駕駛行為統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表9所示。以自然月為單位，將每個(gè)月的不安全駕駛行總數(shù)除以每月實(shí)際運(yùn)行天數(shù)的方法可得到每月的日平均不安全行為，如表10所示。

表9 某輛車不安全駕駛行為統(tǒng)計(jì) 次

表10 某輛車不安全駕駛行為日平均值 次/日

不安全駕駛行為出現(xiàn)的次數(shù)越多，車輛的行駛安全性會(huì)越差。為了量化駕駛員不安全駕駛行為所造成的影響，按不安全駕駛行為每日的次數(shù)進(jìn)行賦分處理，賦分結(jié)果越高，安全性越好[11]。不安全駕駛行為的賦分細(xì)則如表11所示。

表11 評(píng)價(jià)指標(biāo)得分細(xì)則

急加速一般減速急減速熄火滑行0 1～50 51～100 101～200 201～300＞300 0 1～50 51～100 101～200 201～300＞300 0 1～50 51～100 101～200 201～300＞300 0 0.01～0.3 0.31～0.6 0.61～0.8＞0.81 100 95 85 65 40 20 100 95 85 65 40 20 100 95 85 65 40 20 100 85 65 40 20

不同類別的不安全駕駛行為對(duì)安全性的影響程度也不相同，需賦予不同的權(quán)重，從而對(duì)不同類別的不安全駕駛行為得分進(jìn)行加權(quán)求和，以得到評(píng)價(jià)指標(biāo)總分。加權(quán)求和計(jì)算算法如表12所示。

基于表12加權(quán)求和算法規(guī)則，某輛車2020年6月的不安全駕駛行為賦分結(jié)果如表13所示。

表12 加權(quán)求和算法

表13 某輛車不安全駕駛行為賦分

4.2 聚類分析

聚類分析目的在于將數(shù)據(jù)分成不同的類簇，使得類簇之間相異性較高，類簇內(nèi)部的數(shù)據(jù)相似度較高。因此，采用聚類算法可將不同類別駕駛行為進(jìn)行分類，從而進(jìn)行等級(jí)判定。本文采用K-Means聚類法，將按自然月統(tǒng)計(jì)得到的超速得分、加速得分、減速得分和熄火滑行的得分進(jìn)行聚類，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)秀、一般和風(fēng)險(xiǎn)3類。本文采用10輛51路電動(dòng)公交車的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，獲得全年按自然月的120個(gè)樣本聚類，評(píng)價(jià)結(jié)果如表14所示。

由表14可知，該線路電動(dòng)公交車的駕駛行為整體較好，其中風(fēng)險(xiǎn)類的有26個(gè)，占比為21.7%。

表14 駕駛行為安全性評(píng)價(jià)結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)秀、一般和風(fēng)險(xiǎn)三類的超速得分、加速得分、減速得分和熄火滑行得分的平均值如表15所示。

由表15可知，優(yōu)秀、一般和風(fēng)險(xiǎn)的3類行為得分差異明顯，聚類效果明顯，聚類結(jié)果合理。

表15 評(píng)價(jià)結(jié)果得分描述 分

按月份統(tǒng)計(jì)，51路10輛電動(dòng)公交車的聚類結(jié)果如表16所示。

表16 駕駛行為安全性評(píng)價(jià)結(jié)果 個(gè)

由表16可知，1月、4月、5月和6月駕駛行為結(jié)果為風(fēng)險(xiǎn)類占比較高，安全性評(píng)價(jià)得分較低。這是由于元旦、春節(jié)、元宵節(jié)、清明節(jié)、勞動(dòng)節(jié)法定節(jié)假日及中考和高考大型考試均集中在這段時(shí)間，導(dǎo)致交通流量激增，發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)明顯上升。因此，公交公司應(yīng)特別注意以上時(shí)間段對(duì)駕駛員的培訓(xùn)與監(jiān)管，執(zhí)法機(jī)關(guān)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督管理。

5 結(jié)論

本文基于北京市51路電動(dòng)公交車運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)車輛超速、急加速、急減速以及熄火滑行的不安全駕駛行為進(jìn)行識(shí)別，對(duì)不同駕駛行為賦以不同的分?jǐn)?shù)與權(quán)重，并采用K-Means聚類對(duì)賦分結(jié)果進(jìn)行聚類分析，對(duì)車輛駕駛行為進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，為提升車輛駕駛安全提供一定的參考依據(jù)。