無控交叉口風險預警系統下駕駛行為可靠度分析

郭鳳香, 李光晟, 倪定安, 楊文臣, 田畢江

(1.昆明理工大學 交通工程學院, 云南 昆明 650200;2.云南省交通規劃設計研究院 陸地交通氣象災害防治技術國家工程實驗室, 云南 昆明 650200)

交叉口是交通網絡的重要節點,不僅影響道路的通行能力,并且存在大量交通沖突,是交通事故的多發地之一,特別在無控交叉口,其事故發生率要遠高于有控交叉口。目前我國道路無控交叉口交通情況復雜,比如交叉口處不同類型的車輛、交叉口處視線遮擋、交通沖突點多等問題[1]。在這種復雜情況下,駕駛人不會在第一時間發現風險并做出正確的判斷,從而引發交通事故。為解決無控交叉口事故多發問題,Yan等[2]探究了視距條件與駕駛員識別潛在風險能力的關系,研究表明良好的視覺條件能很好地提高駕駛員緊急避碰性能。盧濤等[3]提出基于安全距離的避碰預警方法,來緩解無控交叉口的碰撞問題。除此之外還可以設置風險預警系統對交叉口交通狀態進行實時感知,及時發布有效的警示信息,主動提醒車輛注意周圍車輛,從源頭主動實現交通事故風險的主動防控和安全提升。

本文提出的風險預警系統就是根據交叉口的交通情況實時預報交叉口交通信息的可變信息標志?，F今對于交通可變信息標志有一定的研究,如構建交通可變信息標志選址優化模型[4],之后采用遺傳算法對優化模型進行求解[5-6];基于駕駛人視覺理論和認知特性建立可變信息標志信息量的量化方法及可變信息標志認知模型,并對認知模型進行評價分析[7-8]。

預警系統有效性可以通過駕駛人的駕駛行為特性進行表征,可靠度可以很好反映駕駛行為的安全性,所以可以通過可靠度來反映預警系統的有效性,在人-車-路-環系統中,駕駛人可靠性直接影響整個行車系統的可靠性。駕駛人可靠性指在一定的道路環境下,駕駛人在駕駛過程中能夠安全完成駕駛任務且能有效實現汽車運行功能的能力,而駕駛人的可靠度是對可靠性的概率量化。目前有關駕駛人行為可靠性的研究并沒有統一的方法,主要是對駕駛人行為進行定性描述,比如對駕駛行為模型進行綜述,分析駕駛人安全可靠性的影響因子;對駕駛人差錯進行分類;給出駕駛人可靠性計算模型;針對駕駛人行為差錯提出預防措施,提高行車安全性[9-12];除此之外也有通過駕駛人反應時間推算駕駛人差錯概率[13]。

由此可知,現今研究主要是圍繞預警系統的布設位置、認知及有效性進行的,并沒有從駕駛人可靠度的角度來判定預警系統的有效性。為分析預警系統在無控交叉口的有效性及最優布設距離,本文通過駕駛模擬試驗采集駕駛人駕駛行為數據,用廣義可靠度計算方法計算駕駛人在有無預警系統及預警系統不同布設位置情景下的駕駛行為可靠度,通過駕駛行為可靠度來反映預警系統的有效性,最后采用數據分析軟件分析駕駛人駕駛行為總體可靠度與駕駛人各指標的相關關系,找出影響駕駛人可靠性的主要因素。

1 實驗內容

本文根據駕駛人駕駛行為數據,對比分析有無預警系統下以及預警系統布設不同位置下的駕駛人駕駛行為可靠度差異,即無風險預警系統與有風險預警系統、不同位置布設預警系統的交叉口安全性對比,檢驗預警警示系統的安全性和有效性以及驗證預警系統布設的最佳距離。

本文風險預警系統的工作原理是當位于主路(支路)上的地磁車輛檢測器檢測到有車輛經過時,會將信號傳輸至位于支路(主路)路側的預警系統,預警系統對預警警示牌的顯示信息進行實時調整。本文的風險預警系統具體布設位置及顯示策略來源于現實實際交叉口設置的預警系統顯示現狀,具體顯示為如下。

1) 側向有來車:側向有來車時依次在預警牌上閃爍圖1的信息圖,閃爍頻率為0.16 s,周期為1 s。

圖1 側向有來車預警信息圖

2) 側向無來車:側向無車時依次在預警牌上閃爍圖2的信息圖,閃爍頻率為0.16 s,周期為1 s。

圖2 側向無車預警信息圖

1.1 實驗設備

實驗首先采用昆明理工大學自主研發的VS-Design三維場景設計軟件搭建靜動態試驗場景,之后采用昆明理工大學交通工程學院自主開發的DSR-1000TS 2.0型駕駛模擬系統以及i-View HED 4眼動儀進行實驗,收集駕駛過程中駕駛人行為數據,見圖3。

圖3 駕駛模擬系統平臺及眼動示意圖

對于駕駛模擬器及相關實驗數據有效性的驗證,陳亮等[14]基于模糊神經網絡模型構建駕駛模擬器有效性綜合評價指標體系,對駕駛模擬器實驗的有效性進行評價,最終評價結果較好,實驗輸出數據相對真實可靠。

1.2 實驗場景

為對比分析有無預警系統及預警系統布設距離對駕駛人駕駛行為的影響,運用自主開發VS-Design場景設計軟件,根據實際山區二級公路道路數據及實測交通流量,搭建不同類型交叉口的靜態實驗場景,同時加入動態車流,加入動態交通流后,場景中會出現側向來車、對向來車、通向跟車及行人通行等情況。交叉口設計見表1,實驗場景示意見圖4。

表1 實驗場景設計

圖4 實驗場景示意圖

1.3 實驗流程

為分析無控交叉口預警系統下的駕駛人操作可靠度,在社會中隨機招募具有豐富駕駛經驗的45名駕駛人,其中20至60歲中青年駕駛人25名(包含13名男性和12名女性,男女駕駛人比例為1.08∶1,駕駛人平均年齡為39歲,標準差9.56),60歲以上老年駕駛人20名(包含13男性和7名女性,男女駕駛人比例為1.85∶1,駕駛人平均年齡為64歲,標準差3.52)。招募的駕駛人要求具有2年以上駕駛經驗及2萬公里駕駛里程,并且所招募的駕駛人無色盲,有自主判斷能力。

正式試驗之前,測試者需填寫基本信息和相關問卷,然后對被試者進行簡單的培訓,確保被試者能夠正確完成駕駛任務,最后進行駕駛模擬器適應性測試,保證被試者實驗數據真實有效。完成上述所有環節后,進行正式試驗,正式試驗時首先給被試者佩戴眼動儀,按照五點標定法對被試者眼動進行標定,確保能夠清楚捕捉被試者的注視點,之后被試者啟動駕駛模擬器按照日常駕駛習慣根據要求路線完成駕駛任務。

1.4 實驗數據采集及處理

本次實驗數據主要通過DSR-1000TS 2.0型駕駛模擬系統、i-View HED 4眼動儀進行采集,包括了駕駛人操作行為數據、車輛運行數據和眼動數據。

駕駛人操作行為數據和車輛運行數據是由駕駛模擬器獲得,駕駛模擬器產生的數據包含有pth文件和rep文件,pth文件包含主車的各類數據(速度、加速度、油門踏板深度、制動踏板深度),rep文件包含其他車輛運行數據,對于駕駛人操作行為數據和車輛運行數據主要是將pth文件轉換成Excel文件,本次實驗所選用的數據為每個交叉口前后100 m內的數據段。

眼動數據是通過眼動儀進行采集,之后對實驗中采集到的數據文件及視頻文件用BeGaze 3.5軟件進行處理提取,在數據文件中包含了駕駛人注視、掃視和眨眼等相關數據,將提取出的txt文件轉換成Excel文件,之后分別截取駕駛人在每個交叉口前后100 m內的數據段。

2 駕駛人駕駛行為過程分析

駕駛人駕駛行為過程可以分為信息感知(S)、信息判斷處理(O)和駕駛人操控(R)3個模塊,基本可以概括為車輛在運行過程中車輛信息、道路環境信息等通過感知器官傳入大腦,大腦對各類信息進行分析判斷,然后對不同的交通環境產生不同的決策指令,最后通過運動中樞傳遞給四肢進行車輛的操作[15-16],其過程見圖5。駕駛人行為不是S-O-R簡單的串聯組合,而是多次的S-O-R并聯組合[17]。

圖5 駕駛人駕駛行為過程框架圖

駕駛行為內在結構的復雜化和外部表現方式的多樣化,一定程度上造成駕駛行為的不確定性和無序性,從而可能導致駕駛人失誤的發生。駕駛人失誤是指駕駛人在信息感知、信息判斷處理及車輛操控3個階段可能發生的差錯,在駕駛差錯產生后未能及時予以恢復且持續一段時間后產生違背駕駛人意愿的不良結果,可能導致交通事故或選擇了錯誤的路線。根據駕駛人S-O-R理論,駕駛人可靠度計算如下式:

R(t)=RS(t)RO(t)RR(t)

(1)

式中:RS(t)為駕駛人感知可靠度;RO(t)為駕駛人判斷可靠度;RR(t)為駕駛人操作可靠度。

根據駕駛人可靠度計算公式,提出對于連續的駕駛過程中,駕駛人駕駛過程中操作可靠度為RR(t),則:

RR(t)=R1(t)R2(t)R3(t)

(2)

式中:R1(t)為駕駛人加速行為可靠度;R2(t)為駕駛人速度可靠度;R3(t)為駕駛人制動行為可靠度。每個R(t)都形為

(3)

式中:λ(t)為駕駛員t時間內的失誤概率,為:

(4)

(5)

式中:μ為均值;σ為標準差。

3 駕駛人行為可靠度

駕駛人行為可靠度是對駕駛人失誤概率的量化,是駕駛人能夠安全完成駕駛任務且能有效實現汽車運行功能的能力。本文通過注視來反映駕駛人對信息的感知和判斷,采用注視時間來反應駕駛人的感知判斷可靠度。在駕駛操作行為階段,選取速度、油門踏板開合度、制動踏板開合度作為分析指標反應駕駛操作行為可靠度。

3.1 駕駛人感知判斷可靠度

注視時間是駕駛人一次注視行為所花費的時間,反映駕駛人是否存在分心駕駛,注視的時間越長對外界刺激信息的處理難度就越大,導致分心駕駛的可能性增加,其可靠度越低。根據BeGaze 3.5眼動儀數據,計算出各被試者經過交叉口時注視時間的均值和方差,然后根據式(3)～(5)計算感知判斷可靠度,見圖6。

圖6 預警系統不同布設距離及不同駕駛人感知判斷可靠度對比圖

通過對感知判斷可靠度分析,發現布設預警系統情況下駕駛人可靠度均值均高于無預警系統情況,且預警系統布設在100 m處時,駕駛人感知判斷可靠度略高于其他位置,預警系統對40～60歲駕駛人的感知判斷作用更加顯著。通過對比不同性別駕駛人,女性駕駛人感知判斷可靠度明顯高于男性駕駛人。

3.2 駕駛人操作行為可靠度

3.2.1加速行為

在駕駛過程中,駕駛人不斷對外界環境進行感知判斷,通過控制油門踏板深度實時對車輛加速度進行控制。駕駛員對加速度的控制主要是通過踩下油門踏板的深度,對加速度的控制情況可以間接地體現車輛運行可靠度。

基于駕駛模擬器車輛基本數據,計算出各被試者在經過交叉口時的油門踏板深度均值和方差,之后根據式(3)～(5)計算加速行為可靠度,結果見圖7。

圖7 預警系統不同布設距離及不同駕駛人加速行為可靠度對比圖

通過油門踏板開合度分析,發現預警系統布設在100 m處時,駕駛人加速行為可靠度比其他位置較高,并且隨著年齡的增加可靠度有所降低。對比不同性別駕駛人時,女性駕駛人加速行為可靠度明顯高于男性駕駛人。

3.2.2制動行為

制動行為發生在駕駛人進入交叉口前,駕駛人是否采取制動行為反映駕駛人是否注意到預警系統,從側面反映預警系統有效性。本文采用制動踏板開合度來表示駕駛人是否采取制動行為。

基于駕駛模擬器的車輛基本數據,計算出各被試者制動踏板深度的均值和方差,然后根據式(3)～(5)計算被試者制動行為可靠度,結果見圖8。

通過對制動踏板開合度的分析,發現有預警情況下老年駕駛人的制動行為可靠度提高明顯,說明預警警示系統對老年駕駛人的制動行為作用明顯,可靠度有明顯提高。由圖8(b)可知,女性駕駛人可靠度要普遍高于男性駕駛人,說明女性駕駛人在駕駛過程中更加穩重,能夠更好地判斷交叉口情況,并提前采取制動。

3.2.3車輛運行速度

速度是駕駛人一系列的操作行為的結果,反映出車輛運行的平穩狀態及舒適程度?；隈{駛模擬器的車輛基本數據,計算出各被試者車輛運行速度的均值和方差,根據式(3)～(5)計算被試者在駕駛車輛過程中速度可靠度,見圖9。

通過對速度的分析,發現預警系統下速度可靠度高于無預警下的車速可靠度,說明預警警示系統可以提前給駕駛人道路信息,提醒駕駛人以最合適的車速快速通過交叉口。根據圖9(a)可知預警系統布設在100 m處時各個年齡段駕駛人速度可靠度相對較高并沒有太大差異,且40歲以上駕駛人速度可靠度普遍增加。由圖9(b)可知,女性駕駛人速度可靠度明顯高于男性駕駛人。

3.3 駕駛人駕駛行為總體可靠度

駕駛人駕駛行為總體可靠度通過感知可靠度、判斷可靠度、操作可靠度計算得出,其中駕駛人操作可靠度由加速度行為可靠度、制動行為可靠度、速度可靠度根據式(2)計算得出,之后由式(1)計算駕駛人駕駛行為總體可靠度,見圖10。

圖10 預警系統不同布設距離及不同駕駛人駕駛行為可靠度對比圖

由圖10預警系統不同布設距離下的操作可靠度的對比分析發現,有預警情況下駕駛人操作可靠度高于無預警情況。預警系統布設在100 m處時,隨著年齡的增長,駕駛人駕駛行為總體可靠度會呈下降趨勢,說明隨著年齡的增長,駕駛人的感知判斷能力、操作能力等方面都會有所下降,都會影響到駕駛人駕駛行為可靠度。通過對比分析不同性別駕駛人駕駛行為總體可靠度可知,女性駕駛人可靠度要高于男性駕駛人可靠度, 并且隨著年齡的增長可靠度也有所降低,說明女性駕駛人在駕駛過程中更加穩重,能夠更好地判斷交叉口情況,并提前采取措施,進行規避風險。

4 Kendall相關性分析

Kendall[18]相關性分析方法利用兩個隨機變量X和Y的協同一致性和非協同一致性的概率之差表示相關關系,不僅可以度量變量間的線性關系,還可以度量非線性關系。Kendall相關性表達式為:

(6)

采用數據統計分析軟件對駕駛人的性別、年齡、駕齡、行駛里程、感知判斷可靠度、加速行為可靠度、制動行為可靠度、速度可靠度以及駕駛行為總體可靠度進行相關性分析,結果見表2。

表2 駕駛人各指標間相關性

由表2可得出以下幾條結論。

1) 駕齡、行駛里程、加速行為及速度可靠度與駕駛行為總體可靠度的相關系數分別為-0.456**、-0.320**、0.696**、0.667**,具有顯著相關性,說明駕駛人駕駛經驗以及對于車輛的操作都會對駕駛行為可靠度具有較大影響。

2) 年齡與駕齡、行駛里程呈正相關關系,但與感知判斷可靠度、加速行為可靠度、制動行為可靠度以及駕駛行為總體可靠度呈現負相關關系,說明隨著駕駛人年齡的增加,其駕齡與駕駛里程自然有所增加,但駕駛人的感知判斷能力、反應能力和執行能力都有所下降,在駕駛過程中更容易出現失誤,最終影響駕駛人駕駛行為總體可靠度。

3) 駕駛行為總體可靠度與加速行為和速度可靠度具有顯著相關,說明油門踏板開合度以及駕駛人對于速度的控制對駕駛行為總體可靠度影響較大。

5 結 論

通過對駕駛人駕駛行為總體可靠度的分析,得出如下結論。

1) 通過有無預警系統下駕駛人駕駛行為可靠度的對比分析,發現有預警的駕駛行為可靠度高于無預警的情況,側面說明預警系統可以提前給駕駛人道路信息,駕駛人可以調整車速以最合適的車速通過交叉口。預警系統的布設在100 m處時,各個年齡段駕駛行為總體可靠度相對一致,駕駛人在看到預警系統后有充足的反應時間,并做出正確的操作行為,保證安全地通過交叉口。

2) 預警系統布設在100 m處情況下,駕駛行為總體可靠度隨年齡的增長呈下降趨勢,說明隨著年齡的增長,駕駛人的感知判斷能力、操作能力等都有所下降,影響到駕駛行為可靠度。女性駕駛人可靠度要高于男性,說明在注意到預警系統后,女性駕駛人提前采取系列措施進行安全駕駛。

3) 通過Kendall相關性分析發現,加速行為可靠度和速度可靠度與駕駛行為總體可靠度具有顯著相關性,說明油門踏板開合度以及駕駛人對于速度的控制對駕駛行為總體可靠度有較大影響。