基于模糊聚類(lèi)的駕駛決策判別

王 喆，楊柏婷，劉 昕，劉 群，宋現(xiàn)敏

（1.吉林大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)中心，長(zhǎng)春130022；2.長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息分院，長(zhǎng)春130031；3.吉林大學(xué) 交通學(xué)院長(zhǎng)春130022）

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在駕駛決策方面已進(jìn)行大量研究。Wilde和Naatanen等［1－3］認(rèn)為駕駛員在駕駛車(chē)輛時(shí)會(huì)盡量避免或降低駕駛風(fēng)險(xiǎn)，駕駛決策與駕駛員所面對(duì)的駕駛風(fēng)險(xiǎn)存在直接聯(lián)系，在駕駛風(fēng)險(xiǎn)和駕駛安全兩個(gè)角度分析了決策判別的依據(jù)。Tomas［4］利用Agent模擬，結(jié)合駕駛員所面對(duì)的交通狀況，為駕駛員可選擇的路線做出評(píng)價(jià)。許俊、鄒智軍和王曉原等［5－9］通過(guò)分析駕駛員在駕駛決策過(guò)程中決策的不斷變化，分別運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、決策樹(shù)等方法建立決策模型。這些研究多傾向于風(fēng)險(xiǎn)決策和跟馳模型中的加減速分析，雖然能夠在一定程度上反映駕駛行為的變化，但對(duì)于周邊交通環(huán)境的微觀變化和駕駛員的實(shí)時(shí)心理變化研究較少。周邊交通環(huán)境的微觀變化會(huì)引起駕駛員的心理變化，進(jìn)而對(duì)駕駛行為產(chǎn)生影響。本文選擇模糊聚類(lèi)分析方法對(duì)駕駛決策進(jìn)行判別。模糊聚類(lèi)分析方法能夠根據(jù)駕駛員所采取的各種決策之間的模糊性，簡(jiǎn)單、直觀地對(duì)交通信息進(jìn)行分類(lèi)［10］?；诘葍r(jià)關(guān)系的聚類(lèi)方法是將數(shù)據(jù)樣本經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化，建立模糊相似矩陣和模糊傳遞閉包，選取適當(dāng)?shù)闹眯潘街颠M(jìn)行聚類(lèi)分析，從而得到分類(lèi)矩陣和特征信息矩陣。

本文基于模糊聚類(lèi)分析方法，利用駕駛員經(jīng)驗(yàn)知識(shí)對(duì)交通信息進(jìn)行分類(lèi)，分析不同類(lèi)別的信息所產(chǎn)生的心理變化，得到駕駛員加速、減速、勻速、自由駕駛以及制動(dòng)等決策的判別方法。

1 駕駛員決策過(guò)程

雖然駕駛員的駕駛決策是駕駛員主觀采取的行為，但很大程度上是由周?chē)煌ōh(huán)境中的客觀因素決定的。為了更好地分析駕駛員的駕駛行為，需要事先了解駕駛員的整個(gè)反應(yīng)操作過(guò)程。

在車(chē)輛行駛過(guò)程中，駕駛員受視野前方車(chē)輛的速度、位置等因素的刺激，會(huì)做出一系列的駕駛決策響應(yīng)，例如加速、減速以及勻速等。在此刺激－響應(yīng)反應(yīng)中，駕駛員在有限感知范圍內(nèi)獲取交通信息，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)０鍖?duì)信息分類(lèi)以確定決策指令，最后按照指令駕駛車(chē)輛。

根據(jù)駕駛員的生理心理活動(dòng)可將駕駛員的駕駛決策框架分為4個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 駕駛員決策框架Fig.1 Framework of driver’s driving decisions

（1）影響駕駛員決策的交通信息

根據(jù)駕駛員的視覺(jué)特性，影響駕駛員決策的交通信息主要包括前方車(chē)輛的行駛速度、加速度、位置和駕駛員所駕駛車(chē)輛的運(yùn)行速度、出行目的和出行時(shí)間要求等。這些客觀交通因素對(duì)駕駛員的駕駛行為具有決定性的作用。

（2）駕駛員對(duì)信息的感知

該部分是指駕駛員通過(guò)人體感覺(jué)器官收集影響駕駛員決策的交通信息，經(jīng)過(guò)大腦皮層處理，進(jìn)而達(dá)到認(rèn)知的過(guò)程。

在對(duì)信息認(rèn)知的過(guò)程中最重要的就是確定駕駛員對(duì)信息的感知范圍，如果信息在駕駛員的感知范圍外，駕駛員將忽略該信息，自由行駛。

（3）駕駛員對(duì)信息的處理

駕駛員對(duì)信息的處理是指駕駛員按照自身駕駛經(jīng)驗(yàn)將感知到的速度、加速度、位置等信息進(jìn)行分類(lèi)，信息所處的類(lèi)別表示駕駛員應(yīng)采取的駕駛決策。其中，經(jīng)驗(yàn)?zāi)０遄鳛樾畔⒎诸?lèi)的依據(jù)，往往具有主觀性和模糊性，致使駕駛決策之間的界限不清晰，所以經(jīng)驗(yàn)?zāi)０迨邱{駛員駕駛決策判定中的關(guān)鍵因素，也是目前駕駛行為分析的研究重點(diǎn)。

（4）駕駛員的決策響應(yīng)

駕駛員按照決策指令操作車(chē)輛。駕駛員的決策響應(yīng)主要依靠駕駛員的駕駛技術(shù)和車(chē)輛性能，駕駛技術(shù)越熟練，就越不容易出現(xiàn)駕駛失誤，并且駕駛員的決策響應(yīng)也將決定在緊急制動(dòng)情況下駕駛員與前車(chē)之間的安全距離。

通過(guò)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)影響駕駛員駕駛決策的重要因素包括客觀交通信息、駕駛員的感知范圍和駕駛經(jīng)驗(yàn)。在考慮前方車(chē)輛對(duì)駕駛決策的影響時(shí)，客觀交通信息包括前方車(chē)輛和駕駛員所駕駛車(chē)輛的速度、加速度和位置。駕駛員的感知范圍由駕駛員的心理特性決定。經(jīng)驗(yàn)?zāi)０蹇赏ㄟ^(guò)模糊聚類(lèi)分析方法對(duì)數(shù)據(jù)信息樣本學(xué)習(xí)得到。

2 駕駛員駕駛決策判定

在駕駛員決策框架中，駕駛員的駕駛決策指令是駕駛員經(jīng)過(guò)一系列心理活動(dòng)后得出的，駕駛員與前車(chē)之間的速度和距離變化都會(huì)對(duì)駕駛員的心理產(chǎn)生影響。由于駕駛員的生理、心理特性，駕駛員的信息感知范圍有限，駕駛員對(duì)感知范圍以外的因素感知程度較小，甚至無(wú)法感知。對(duì)感知范圍內(nèi)的信息所引起的駕駛決策判別標(biāo)準(zhǔn)較為模糊，決策的選擇由駕駛員主觀判斷。因此，首先需要確定駕駛員的心理感知范圍，進(jìn)而在感知范圍內(nèi)對(duì)駕駛員駕駛決策進(jìn)行判定分析。

2.1 駕駛員心理感應(yīng)臨界值確定

在對(duì)駕駛員心理變化進(jìn)行研究時(shí)多采用生理－心理模型進(jìn)行分析［11］，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，生理－心理模型的影響因素主要包括前后車(chē)的速度差和位移差，如圖2所示。圖中，Gth為駕駛員心理感知臨界值，GWRz為駕駛員感知但無(wú)響應(yīng)區(qū)域，GRth為駕駛員感知響應(yīng)臨界值，GRz為駕駛員感知響應(yīng)區(qū)域，JRth為駕駛員心理緊急響應(yīng)臨界值，JRz為駕駛員緊急響應(yīng)區(qū)域，Δx 為駕駛員駕駛車(chē)輛與相鄰車(chē)輛的相對(duì)距離，Δv 為駕駛員駕駛車(chē)輛與相鄰車(chē)輛的相對(duì)速度。

在車(chē)輛行駛過(guò)程中，前后車(chē)的速度差和位移差將會(huì)對(duì)駕駛員產(chǎn)生一定的心理壓力。前方車(chē)輛的速度和位置變化都將作為交通信息被駕駛員感知并接受，然后駕駛員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)０遄龀鰶Q策響應(yīng)。駕駛員受車(chē)輛特性和自身生理特性的影響，在感知前后車(chē)的速度差和位移差時(shí)存在兩個(gè)臨界值，分別為駕駛員緊急響應(yīng)臨界值JRth和駕駛員感知臨界值Gth。

圖2 生理－心理模型的感知臨界值Fig.2 Threshold of physiological－psychological perception

駕駛員的緊急響應(yīng)臨界值由兩部分構(gòu)成：當(dāng)前車(chē)輛同前方車(chē)輛相對(duì)靜止時(shí)，剛好不發(fā)生碰撞的間距，以及車(chē)輛在不同速度運(yùn)行下的相對(duì)停車(chē)距離。本文以道路上運(yùn)行車(chē)輛的中心點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，駕駛員在緊急響應(yīng)時(shí)，對(duì)駕駛員選擇緊急制動(dòng)時(shí)兩個(gè)車(chē)輛的相對(duì)速度與相對(duì)位置的關(guān)系為：

式中：ΔxJRth為當(dāng)前車(chē)輛與前方車(chē)輛的相對(duì)位置；lc為駕駛員所駕駛車(chē)輛的車(chē)身長(zhǎng)度；lo為前方車(chē)輛的車(chē)身長(zhǎng)度；vc為駕駛員所駕駛車(chē)輛的當(dāng)前速度；tr為駕駛員自感知到做出剎車(chē)動(dòng)作過(guò)程的反應(yīng)時(shí)間；Δa 為駕駛車(chē)輛與前方車(chē)輛的加速度差值；ac，max為駕駛車(chē)輛采用的是機(jī)動(dòng)車(chē)最大加速度；ao為前方車(chē)輛的加速度。

駕駛員感知臨界值指的是兩車(chē)之間的距離差或速度差大于該臨界值時(shí)，駕駛員無(wú)需獲取前車(chē)的信息，前車(chē)的運(yùn)行對(duì)駕駛員不產(chǎn)生任何刺激，兩車(chē)之間沒(méi)有相互干擾，車(chē)輛以自由速度行駛，小于該閾值時(shí)，前車(chē)的運(yùn)行對(duì)駕駛員產(chǎn)生刺激，駕駛員根據(jù)前車(chē)的信息采取加速、減速和勻速3種決策。該閾值與駕駛員駕駛的舒適程度有關(guān)，到達(dá)該臨界值時(shí)，完全自由行駛，駕駛員感應(yīng)響應(yīng)臨界值可由下式確定：

式中：vmax為該路段的設(shè)計(jì)速度；vr為該路段推薦行駛速度（自由行駛的期望速度）；Kj為車(chē)流密集到車(chē)輛無(wú)法移動(dòng)的堵塞密度。

通過(guò)以上對(duì)駕駛員緊急響應(yīng)臨界值和感知臨界值的計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)駕駛員對(duì)在緊急制動(dòng)區(qū)域（0＜Δx ≤ΔxJRth）和無(wú)感知區(qū)域（ΔxGth＜Δx）所采取的駕駛決策較為明確，當(dāng)駕駛員所駕駛的車(chē)輛與前方車(chē)輛的相對(duì)位置處于緊急制動(dòng)區(qū)域和無(wú)感知區(qū)域時(shí)，駕駛員可直接做出決策。

當(dāng)駕駛車(chē)輛與前方車(chē)輛的相對(duì)位置在0 ＜Δx ≤ΔxJRth時(shí)，駕駛車(chē)輛與前方車(chē)輛的距離較近，駕駛員應(yīng)立即采取制動(dòng)措施，避免與前方車(chē)輛發(fā)生碰撞。

當(dāng)駕駛車(chē)輛與前方車(chē)輛的相對(duì)位置在ΔxGth＜Δx 時(shí)，駕駛車(chē)輛與前方車(chē)輛的距離較遠(yuǎn)，前方車(chē)輛已在駕駛員感知范圍外，此時(shí)，駕駛員可以自由駕駛車(chē)輛。

當(dāng)駕駛員收到的信息在駕駛員的感知區(qū)域內(nèi)，即：當(dāng)ΔxJRth＜Δx ≤ΔxGth時(shí)，前方車(chē)輛產(chǎn)生的刺激又不是過(guò)于嚴(yán)重時(shí)，駕駛員在感知響應(yīng)區(qū)域?qū)铀佟p速和勻速?zèng)Q策的確定較為模糊，3種決策之間沒(méi)有明顯的界限。

2.2 駕駛員心理感知區(qū)域內(nèi)駕駛決策判別

在駕駛員心理感知區(qū)域內(nèi)，駕駛員采取的決策包括加速、減速和勻速。由2.1節(jié)可知，在駕駛員心理感知區(qū)域內(nèi)駕駛員駕駛決策判別較為模糊，此時(shí)可用模糊聚類(lèi)分析方法對(duì)信息樣本進(jìn)行分類(lèi)，從而劃分3種決策的范圍。

駕駛員獲得的影響決策的信息包括車(chē)間距和前后車(chē)的速度差。駕駛員根據(jù)這兩種信息決定車(chē)輛應(yīng)該加速、減速和勻速跟馳。現(xiàn)有n 個(gè)原始數(shù)據(jù)樣本，每個(gè)樣本包括兩種影響信息，樣本集可表示為｛ai1，ai2｝（1≤i≤n），通過(guò)模糊聚類(lèi)方法將原始數(shù)據(jù)樣本分為3類(lèi)，A1、A2、A3分別代表相應(yīng)的駕駛決策加速、減速、勻速并且獲得3種決策的特征信息矩陣V。

利用極差變換將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化（j＝1，2）：

建立模糊相似矩陣：

利用平方自合成方法求出模糊傳遞閉包t（R）＝（r′ij）n×n，則：

式中：λ為置信水平值，0≤λ≤1。

選取適當(dāng)?shù)摩诉M(jìn)行聚類(lèi)分析，得到分類(lèi)矩陣A 和特征信息矩陣V。

設(shè)模糊分類(lèi)后i類(lèi)決策包括k 個(gè)樣本，得到的決策矩陣為：

則該決策的特征信息矩陣為：

式中：vij為3個(gè)決策矩陣的特征信息（1≤i≤3，1≤j≤2）；j為信息種類(lèi)；k為分類(lèi)后每個(gè)決策中的樣本數(shù)量。

由特征向量可以確定每個(gè)決策信息對(duì)決策的影響程度ηj 為：

假設(shè)駕駛員現(xiàn)觀察到一個(gè)決策信息樣本｛x1，x2｝，則該樣本的各個(gè)信息向量與3 種決策特征信息向量的親疏程度（1≤i≤3，1≤j≤2）可表示為：

則該樣本相對(duì)于3種決策的隸屬度為：

式中：σ1、σ2、σ3分別為該信息樣本與駕駛員采取加速?zèng)Q策、減速?zèng)Q策和勻速?zèng)Q策的隸屬程度。

令σi＝max｛σ1，σ2，σ3｝，則σi為輔助系統(tǒng)認(rèn)為3種決策中駕駛員采取的可能性最高的決策，即對(duì)3種決策的隸屬度比較后駕駛員采取隸屬程度最大的決策。

由2.1和2.2節(jié)可得駕駛員在感知范圍內(nèi)駕駛決策的判定方法。駕駛員的駕駛決策與兩車(chē)之間的速度差和位移差的關(guān)系如圖3所示。

圖3 駕駛員駕駛決策示意圖Fig.3 Driver’s driving decisions

3 感知響應(yīng)分析

駕駛員在駕駛車(chē)輛行駛時(shí)，其心理活動(dòng)往往與周?chē)窙r有關(guān)，所以車(chē)輛行駛的道路所能提供的舒適程度對(duì)駕駛員的感知范圍和決策判斷也會(huì)產(chǎn)生影響。

在城市道路中道路等級(jí)不同，駕駛員的期望行駛速度不同，其心理響應(yīng)的臨界值也不同。駕駛員會(huì)根據(jù)所處道路交通狀況做出相應(yīng)的臨界心理表現(xiàn)。通過(guò)實(shí)際調(diào)查獲得主次干路和支路的最大設(shè)計(jì)速度、機(jī)動(dòng)車(chē)的制動(dòng)加速度、駕駛員期望行駛速度以及車(chē)流堵塞密度，如表1所示。

表1 交通基本數(shù)據(jù)Table 1 Traffic basic data

3.1 駕駛員心理緊急響應(yīng)臨界值分析

若前方車(chē)輛緊急制動(dòng)至靜止時(shí)，即在Δv ＝vc，a0＝0，Δa ＝ac，max的情況下，駕駛員緊急響應(yīng)臨界值變化主要由此時(shí)駕駛員駕駛車(chē)輛的速度決定。機(jī)動(dòng)車(chē)速度越大，所需的制動(dòng)距離就越長(zhǎng)，駕駛員所要感知的緊急制動(dòng)范圍就越大。根據(jù)駕駛員心理緊急響應(yīng)臨界值，計(jì)算不同車(chē)速下駕駛員心理緊急響應(yīng)臨界值。機(jī)動(dòng)車(chē)在不同速度下駕駛員心理緊急響應(yīng)臨界值的變化趨勢(shì)如圖4所示。

隨著駕駛速度的不斷增大，為了避免出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)發(fā)生車(chē)輛相撞，車(chē)輛之間必須擁有充足的制動(dòng)距離，由于車(chē)輛制動(dòng)性能的限制，駕駛員的緊急響應(yīng)臨界值會(huì)不斷增大。

圖4 駕駛員心理緊急響應(yīng)臨界值變化Fig.4 Trend of driver psychological emergency response threshold

3.2 駕駛員心理感知臨界值分析

不同道路等級(jí)條件下，由于最初道路設(shè)計(jì)速度不同，駕駛員對(duì)行駛速度和到達(dá)目的地的時(shí)間要求也會(huì)產(chǎn)生變化。道路等級(jí)越高，其設(shè)計(jì)速度越大，駕駛員所期望的行駛速度越大。根據(jù)駕駛員心理感知臨界值，計(jì)算不同設(shè)計(jì)速度下駕駛員心理緊急響應(yīng)臨界值。道路等級(jí)對(duì)駕駛員心理感知臨界值的影響如圖5所示。

圖5 駕駛員心理感知臨界值變化Fig.5 Trend of driver psychological perception threshold

在不同等級(jí)道路上駕駛員對(duì)期望行駛的速度的要求不同，當(dāng)車(chē)輛以較高的期望速度運(yùn)行時(shí)，駕駛員出于安全考慮，會(huì)擴(kuò)大可自由行駛感知范圍，以便獲取更多的信息。在主干路上駕駛員感知范圍最大，次干路次之，支路上駕駛員感知范圍最小。

4 結(jié) 論

（1）確定了駕駛員感知臨界值和緊急響應(yīng)臨界值，劃分了機(jī)動(dòng)車(chē)自由行駛區(qū)域、緊急制動(dòng)區(qū)域以及前后車(chē)相互影響區(qū)域，并在相互影響區(qū)域利用模糊聚類(lèi)方法對(duì)加速、減速以及跟馳的駕駛決策進(jìn)行分類(lèi)，建立了在前車(chē)影響下駕駛員采取加速、減速、勻速、自由駕駛以及緊急制動(dòng)決策判別模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，駕駛員心理感知范圍并不只是駕駛員視覺(jué)上對(duì)距離的感應(yīng)，在不同速度條件下駕駛員心理也會(huì)發(fā)生很大變化。

（2）該判定方法簡(jiǎn)單、直觀、可移植性強(qiáng)，能夠較好地體現(xiàn)駕駛員采取的決策行為，但需要大量的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定和模型驗(yàn)證，對(duì)道路上較大范圍內(nèi)的車(chē)輛運(yùn)行位置、速度和加速度等數(shù)據(jù)采集要求較高。在逐步完善數(shù)據(jù)后，模型的適用性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

（3）本文主要研究了駕駛員前方車(chē)輛的運(yùn)行狀況對(duì)自身心理和駕駛決策的影響，尚未考慮側(cè)向車(chē)輛影響下的駕駛員換道時(shí)機(jī)、換道方向和換道決策的判定，針對(duì)駕駛員換道決策的影響因素和決策判定是下一步研究的內(nèi)容。

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