高速公路交通密度對(duì)駕駛員變道和超車(chē)動(dòng)作的影響-基于駕駛模擬器的研究

Effectoftrafficdensityondrivers’lanechangeandovertakingmaneuversinfreewaysituation

Adrivingsimulator

basedstudy高速公路情況下交通密度對(duì)駕駛員變道和超車(chē)動(dòng)作的影響—基于駕駛模擬器的研究介紹-變道變道和超車(chē)時(shí)常發(fā)生，是道路安全和交通效率至關(guān)重要的操作。如Senetal.(2003)的研究，大約9%的道路交通事故是由變道引起的，同時(shí)大約35%~50%的道路交通死亡與超車(chē)操作有直接關(guān)系。Huang(2002)發(fā)現(xiàn)換道率在低密度區(qū)域增加，在一定密度附近達(dá)到最大值，然后在高密度區(qū)域降低。LiandSun(2015)發(fā)現(xiàn)變道可以增加交通流量和平均車(chē)速，從而提高交通效率。Lavallièreetal.(2011)設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬駕駛實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)變道過(guò)程中年齡對(duì)駕駛員視覺(jué)搜索策略的影響，結(jié)果表明老年駕駛員在變道時(shí)對(duì)后視鏡和盲點(diǎn)的視覺(jué)檢查頻率低于年輕駕駛員。Chenetal.(2015)提出了一種在100輛汽車(chē)自然駕駛研究中檢測(cè)變道事件的方法，發(fā)現(xiàn)駕駛員在40-50英里/小時(shí)的速度范圍內(nèi)最頻繁地變道。介紹-超車(chē)Bella(2011)研究了交通量對(duì)超車(chē)機(jī)動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)交通量對(duì)跟車(chē)距離、超車(chē)距離和碰撞時(shí)間有顯著影響。Jenkins&

Rilett(2004,2005)開(kāi)發(fā)了一種交通模擬算法，發(fā)現(xiàn)面對(duì)卡車(chē)時(shí)的通行時(shí)間和距離明顯大于面對(duì)客車(chē)時(shí)的通行時(shí)間和距離。介紹-目的測(cè)試駕駛員在不同交通密度下的變道和超車(chē)操作。分分析討論了變道超車(chē)過(guò)程中反映駕駛行為的關(guān)鍵變量，如變道超車(chē)的頻率、持續(xù)時(shí)間、速度和加速度方法-儀器北京交通大學(xué)(BJTU)的高保真駕駛模擬器執(zhí)行該實(shí)驗(yàn)（Yangetal.,2017）。北京交通大學(xué)模擬器由具有真實(shí)操作界面的全尺寸車(chē)艙、環(huán)境音響與震動(dòng)反饋模擬系統(tǒng)、車(chē)輛動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)和數(shù)字視頻回放系統(tǒng)組成。駕駛場(chǎng)景以300度視野投射在車(chē)廂周?chē)奈鍌€(gè)屏幕上。方法-參與者本實(shí)驗(yàn)招募了29名參與者，其中24名參與者（18名男性，6名女性）完成了實(shí)驗(yàn)，5名因模擬暈車(chē)而被排除在外。參與者的平均年齡為28.92歲（S.D.=7.807）。每位參與者持有至少2年的有效駕駛執(zhí)照。他們的平均駕駛經(jīng)驗(yàn)為6.17年，平均每年行駛里程超過(guò)15,000公里。完成實(shí)驗(yàn)后，每位參與者將獲得人民幣300元的報(bào)酬。方法-場(chǎng)景設(shè)計(jì)雙向四車(chē)道高速公路場(chǎng)景。道路全長(zhǎng)22公里，車(chē)道寬3.5m。道路線(xiàn)形的詳細(xì)尺寸如圖1所示。由于道路為兩車(chē)道和四車(chē)道，駕駛員可以根據(jù)自己的喜好從左側(cè)或右側(cè)進(jìn)行變道。道路限速80公里/小時(shí)。方法-場(chǎng)景設(shè)計(jì)本研究設(shè)計(jì)了三種交通密度，以模擬穩(wěn)定流條件下的三種不同服務(wù)水平(Level-of-Service,LOS)，

8veh/km（密度1-LOSB）12veh/km（密度2–LOSC)18veh/km（密度3-LOSD）自由交通流量和高交通流量條件未包括在研究中：自由交通流量（LOSA）下，車(chē)輛幾乎完全暢通無(wú)阻，駕駛員可能會(huì)進(jìn)行變道和超車(chē)操作隨機(jī)，不受周?chē)煌髁坑绊懀桓呓煌芏龋↙OSE或LOSF）下，駕駛員的變道或超車(chē)操作可能會(huì)被擁擠的交通流過(guò)度干預(yù)和約束場(chǎng)景的其他車(chē)輛平均速度在60公里/小時(shí)左右，因此駕駛員可以在限速下執(zhí)行超車(chē)操作。根據(jù)交通密度和運(yùn)行速度，三種交通密度條件下的交通量從大約480輛/小時(shí)到1080輛/小時(shí)不等。方法-實(shí)驗(yàn)程序?qū)嶒?yàn)前，向每位參與者簡(jiǎn)要介紹了實(shí)驗(yàn)要求，并閱讀并簽署了知情同意書(shū)。然后要求參與者像在現(xiàn)實(shí)生活中一樣開(kāi)車(chē)并遵守交通規(guī)則。每位參與者進(jìn)行了10分鐘的練習(xí)駕駛，以熟悉模擬器操作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每個(gè)參與者被分配在三種交通密度條件下分別沿著測(cè)試道路行駛3次。每個(gè)場(chǎng)景中每位參與者的駕駛時(shí)間約為20分鐘。交通密度條件的順序是隨機(jī)排列的，以消除時(shí)間順序的影響。方法-數(shù)據(jù)收集不同的研究對(duì)換道過(guò)程的識(shí)別，特別是換道操縱的起始點(diǎn)的識(shí)別各不相同。Leeetal.,

(2004)將車(chē)輛首次橫向移動(dòng)作為車(chē)道變換啟動(dòng)的點(diǎn)。Salvucci&

Liu(2002)使用參與者的車(chē)道變化報(bào)告作為口回答。在本研究中，換道開(kāi)始于前輪到達(dá)車(chē)道線(xiàn)時(shí)，結(jié)束于整車(chē)進(jìn)入相鄰車(chē)道時(shí)，這與Hanowskiet

al.,(2000)的定義相似。至于超車(chē)過(guò)程，Hegemanetal.,(2007)定義超車(chē)在左前輪接觸中心線(xiàn)時(shí)開(kāi)始，并在左后輪再次越過(guò)中心線(xiàn)時(shí)完成。在本研究中，超車(chē)持續(xù)時(shí)間定義為從車(chē)輛第一次橫向移動(dòng)的那一刻開(kāi)始，到車(chē)輛返回原車(chē)道（即整車(chē)進(jìn)入原車(chē)道）時(shí)結(jié)束。至于車(chē)輛沒(méi)有返回原車(chē)道而是繼續(xù)在相鄰車(chē)道行駛的情況，則認(rèn)定為單純的換道操作。方法-分析方法由于實(shí)驗(yàn)是重復(fù)測(cè)量設(shè)計(jì)，每個(gè)場(chǎng)景使用相同的受試者，因此使用單向重復(fù)測(cè)量方差分析來(lái)調(diào)查三種不同交通密度下的變道和超車(chē)行為是否存在差異。采用Bonferroni調(diào)整的事后檢驗(yàn)來(lái)識(shí)別三種密度條件之間的差異。當(dāng)ANOVA的假設(shè)（即沒(méi)有顯著的異常值、因變量的近似正態(tài)分布和球形度）被違反時(shí)，F(xiàn)riedman的檢驗(yàn)被用作替代方法。此外，還進(jìn)行了Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)以研究左右換道/超車(chē)性能之間的差異。方法-數(shù)據(jù)收集結(jié)果-變道頻率根據(jù)駕駛員的方向選擇，變道操作可分為左向或右向，即車(chē)輛分別向左或右相鄰車(chē)道行駛。左右車(chē)道在變換頻率之間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著差異（z=-1.08，p=0.282）。交通密度對(duì)換道頻率有顯著影響（χ2(2)=24.86，p<0.01）。在三種密度條件中，換道頻率最高的是密度3，其次是密度2和密度1?？傮w趨勢(shì)是駕駛員的換道頻率隨著交通密度的增加而增加結(jié)果-變道持續(xù)時(shí)間車(chē)道變換持續(xù)時(shí)間受交通密度的顯著影響（χ2(2)=12.59，p<0.01）。事后測(cè)試進(jìn)一步表明，密度2和密度3中的車(chē)道變換持續(xù)時(shí)間明顯短于密度1對(duì)于不同的方向，Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)（見(jiàn)表4）顯示左側(cè)換道持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于右側(cè)換道持續(xù)時(shí)間（z=-2.00，p<0.05）。結(jié)果-平均變道速度和加速度換道速度和加速度均由縱向和橫向的數(shù)值綜合而成，可以反映駕駛員在換道過(guò)程中的速度控制能力。交通密度對(duì)速度沒(méi)有顯著影響（χ2(2)=1.33，p=0.513）交通密度對(duì)加速度有顯著影響（χ2(2)=9.33，p<0.01）。根據(jù)成對(duì)比較，密度3的平均換道加速度明顯高于密度1和密度2。值得注意的是，密度1中的車(chē)道變換加速度為負(fù)且接近于零且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。結(jié)果-超車(chē)頻率超車(chē)頻率可用于衡量駕駛員的超車(chē)需求（Hegemanetal.2007）。交通密度對(duì)超車(chē)頻率有顯著影響（χ2(2)=16.23,p<0.01），其中密度3的超車(chē)頻率最高，其次是密度2和密度1。此外，左右超車(chē)頻率無(wú)顯著差異（z=-0.58，p=0.559）。不同交通密度下超車(chē)時(shí)長(zhǎng)無(wú)顯著差異（F=0.13，p=0.880）。但考慮超車(chē)方向時(shí)，左側(cè)超車(chē)時(shí)長(zhǎng)明顯長(zhǎng)于右側(cè)超車(chē)時(shí)長(zhǎng)（z=-3.59，p<0.01）結(jié)果-超車(chē)時(shí)間結(jié)果-初始超車(chē)距離和車(chē)頭時(shí)距交通密度對(duì)初始超車(chē)距離（χ2(2)=6.55,p<0.05）和車(chē)距（χ2(2)=8.91,p<0.05）都有顯著影響。具體而言，密度3的初始超車(chē)距離明顯小于密度1，密度3和密度2的初始超車(chē)車(chē)距顯著小于密度1（見(jiàn)附錄圖A6）。此外，左右方向的初始距離和初始車(chē)頭時(shí)距的差異也很顯著（距離：z=-4.84，p<0.01；車(chē)頭時(shí)距：z=-5.11，p<0.01）（見(jiàn)表4）。右側(cè)的超車(chē)距離和車(chē)頭距離均小于左側(cè)。結(jié)果-瞬時(shí)速度和加速度超車(chē)時(shí)的速度控制能力在這個(gè)過(guò)程中對(duì)駕駛員的安全起著重要的作用，因?yàn)椴贿m當(dāng)?shù)乃俣炔僮骺赡軙?huì)增加與同一車(chē)道和相鄰車(chē)道車(chē)輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。交通密度對(duì)瞬時(shí)加速度有顯著影響（F=3.76，p<0.05）交通密度對(duì)瞬時(shí)速度沒(méi)有顯著影響（F=1.82，p=0.188）。事后測(cè)試結(jié)果表明，密度3中的瞬時(shí)加速度明顯高于密度1在超車(chē)方向方面，Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)結(jié)果顯示右側(cè)瞬時(shí)加速度明顯高于左側(cè)（z=-2.51，p<0.05）。討論雖然交通密度的變化對(duì)速度沒(méi)有影響，但平均換道加速度和瞬時(shí)超車(chē)加速度確實(shí)隨著交通密度的增加而顯著增加，表明駕駛員在高交通密度情況下完成換道和超車(chē)任務(wù)的意愿增強(qiáng)。此外，隨著交通密度的增加，初始超車(chē)距離和車(chē)頭時(shí)距減少，這可能對(duì)超車(chē)安全產(chǎn)生負(fù)面影響。Bella(2011)在駕駛模擬器研究中報(bào)告說(shuō)，超車(chē)風(fēng)險(xiǎn)與超車(chē)動(dòng)作的開(kāi)始有關(guān)，并且風(fēng)險(xiǎn)隨著交通量的增加而增加。

Farah(2011)發(fā)現(xiàn)，與領(lǐng)先車(chē)輛的小間隙加上高速行駛會(huì)增加潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。討論Huang(2002)研究了雙車(chē)道高速公路的換道行為，發(fā)現(xiàn)換道率首先隨著交通密度的增加而增加，然后在達(dá)到一定的密度值后減小。懷疑“特定密度值”可能大于本研究中密度3條件下的值。此外，Rahmanet

al.

(2005)提出了一個(gè)基于交通量的超車(chē)機(jī)動(dòng)模型，結(jié)果表明超車(chē)頻率隨著