基于自然駕駛數據的變道切入行為分析

王雪松， 楊敏明

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804)

車輛變換車道是駕駛過程中尤為常見的基本操作，交通流狀況在很大程度上受到車輛變道行為的影響.既有研究已證實，車輛變道容易造成交通阻塞和交通沖突，甚至引發交通事故.2015年我國因違法變更車道、違法超車與匯入等不良駕駛行為造成的事故占事故總量的4.9%[1].美國每年有24萬～61萬起交通事故的直接致因為不當的車輛變道和匯入行為，占機動車事故數的6%[2].

變道切入是指后隨車在正常行駛過程中，相鄰車道前車變換至其所在車道的變道行為.與變道定義略有區別，變道切入要求目標車道必須有后隨車，而一般的變道對此并無要求.頻繁和緊急的變道切入行為會對交通流產生負面影響，主要表現在造成道路通行能力下降、交通瓶頸、車流“時停時走”，甚至引發交通事故.隨著新技術的發展，變道切入行為也將對高級駕駛輔助系統(advanced driver assistance systems, ADAS)與自動駕駛車輛的安全運行產生不利影響[3-4].自動駕駛汽車廠商在實現量產之前，需要分析不同復雜場景下的變道切入行為，保證車輛運行的絕對平穩與安全[5].

自1986年Gipps[6]提出第一個變道模型以來，不少發達國家的學者在變道行為特征與模型等方面開展了深度研究[7-8]，這些成果被廣泛應用于交通安全分析、交通仿真、駕駛模擬以及車輛安全技術等諸多方面.由于缺乏有效的數據采集技術，目前中國的交通仿真模型大多基于西方發達國家的試驗結果，這與我國非機動車、行人交通復雜，駕駛員駕駛風格激進，以及車輛頻繁搶道變道等實際情況是不相適應的[9].因此，研究我國真實環境的駕駛行為，對于提升交通仿真技術的有效性和魯棒性具有重要意義.

自然駕駛研究(NDS)是指自然狀態下(即無干擾、無實驗人員出現、日常駕駛狀態下)利用高精度數據采集系統觀測、記錄駕駛員真實駕駛過程的研究[10].因其采集的數據全面、真實、可靠，樣本代表性廣泛，非常適合于駕駛行為特征分析和模型標定與驗證.“上海自然駕駛研究”是我國首個自然駕駛項目，開始于2012年12月，結束于2015年12月，歷時3年，共采集60位駕駛員近161 055 km的駕駛數據.該研究基于上海自然駕駛數據(SH-NDS)，通過建立變道切入行為自動化提取標準，從變道切入目的和轉向燈使用，持續時間和危險程度，以及后隨車反應等方面系統分析中國駕駛員的變道切入準備、實施、影響3個層面的行為特征，力求深化我國變道理論及其應用的相關研究.

1 研究綜述

既有研究普遍關注一般變道的基本特征.在變道之前，Gipps[6]認為駕駛員需要分析變道的可能性和必要性.Yang和Koutsopoulos[11]根據不同變道目的將其分為強制性變道和自由性變道.前者常出現在當前車道終止、阻塞，進出交叉口區域，進出匝道，以及規避障礙物、車道禁行等情況；后者常出現在前方有低速車輛或大型車輛、路側有公交車輛和慢行交通，以及車輛自主變換至快車道或慢車道等情況.

使用轉向燈是變道行為的重要特征，后隨車通常根據轉向燈辨別前車變道意圖.在變道之前，合理地使用轉向燈，能夠有效提高交通效率和防止碰撞事故[12].Ponziani[12]和Olsen[13]研究發現，變道過程因未使用轉向燈造成的事故比例高于駕駛分心.世界上大多數國家對駕駛過程中的轉向燈使用均有明確規定，轉向燈使用率成為判別國家和地區駕駛風格的重要依據[14].

持續時間是變道實施過程的關鍵特征.持續時間是指相鄰車道前車從原車道開始偏移至完全穩定于目標車道所經歷的時間長度.這一特征對駕駛模擬的輸出有顯著影響，如變道車的加速行為以及后隨車的反應等[15].既有研究表明，一般的變道持續時間多在1～16 s之間[15-16].

碰撞時間(time-to-collision, TTC)也是變道過程的重要特征之一，常被用于評估ADAS的性能.碰撞時間等于前后兩車的間距除以相對速度.由于變道行為容易引發追尾、側碰事故，因而碰撞時間成為判別變道行為危險程度的重要指標.Olsen[13]根據碰撞時間將變道劃分為四個危險級別，即不緊急，緊急，緊迫以及瀕臨事故等四個緊急程度.Talmadge[17]認為碰撞時間可以用于避撞系統的預警觸發，在危險變道情況下向后隨車駕駛員發出警報.

變道行為不可避免地對目標車道后隨車的駕駛行為產生影響[18].Zheng等[19]提出，變道容易使得后隨車從正常行駛的平衡態轉變為速度波動的非平衡狀態，而后又從非平衡狀態過渡到新的平衡態.Cassidy等[20]證實在交通擁擠的上游路段，當車輛變道至快車道的比例超過一定閾值時，就會造成下游路段交通不穩以及通行能力下降.Laval和Daganzo[21]認為這種通行能力下降是由于變道車輛的有界加速度使得后隨車反復制動產生跟車空隙，從而造成“時停時走”現象以及交通流振蕩.這個結論和Zheng等[19]的研究具有一致性.

綜上所述，既有研究缺乏專門針對變道切入行為全面系統的梳理.更進一步來說，既有的變道行為結論大多基于發達國家的研究，其結論并不一定適用于中國駕駛環境,而中國道路交通環境復雜，駕駛員的駕駛風格迥異，可能致使某些研究結論存在偏差.由于變道切入相比于一般變道更具有典型意義，其對交通流的影響也更為顯著，因此迫切需要使用有效數據開展深入研究.本文基于上海自然駕駛數據對變道切入特征進行分析，能夠豐富國內駕駛行為和交通流理論研究，保證研究成果的真實可靠.對變道切入行為的分析結論，在一定程度上也能反映駕駛員駕駛風格，從而針對不安全的駕駛風格進行安全教育與干預糾正；同時，相關分析結論可以為研究所在地ADAS和自動駕駛的開發與應用提供重要的參考依據.因此，變道切入行為研究具有廣泛的應用價值.

2 數據準備

2.1 數據采集系統

研究數據來自“上海自然駕駛研究”項目，該項目由同濟大學、通用汽車公司、弗吉尼亞理工大學三方合作開展，旨在了解中國駕駛員的車輛使用、操縱及安全意識.5輛測試車安裝了先進的SHRP2 NextGen數據采集系統，包含車輛總線數據接口、三軸加速度計、可跟蹤8個目標的雷達系統、溫度及濕度傳感器、GPS定位系統和4路攝像頭.數據采集系統的不同設備設置了不同的采樣頻率，分布在10～50 Hz之間[22].數據采集系統在車輛點火后自動啟動、熄火后自動關閉，全時記錄實際駕駛過程中駕駛員的駕駛行為、車輛運行狀況等數據.經過處理，所有采集得到的信息將以CSV文件和視頻方式保留.

2.2 變道切入行為自動化提取

研究中，自然駕駛測試車始終以后隨車的視角再現相鄰車道前車的變道切入行為.如圖1所示，自然駕駛測試車作為后隨車，其雷達系統記錄變道切入車的位置和速度信息.位置信息通過兩個變量確定：縱向間距和橫向間距，前者指后隨車(即測試車)和變道切入車的縱向距離，后者指測試車和變道切入車的橫向距離(左為正，右為負).類似地，速度信息可由測試車和變道切入車橫向、縱向的相對速度確定.

圖1 變道切入行為場景及雷達目標信息

在進行變道切入行為自動化之前，需要確定變道切入過程中一些關鍵變量的閾值范圍.從自然駕駛數據庫中人工篩選300個變道切入片段，結合前向視頻、雷達以及車輛總線數據，分析各項參數的分布范圍，最終設定自動化提取算法的準則如下：

(1) 橫向間距閾值.在變道切入車開始變道前，其與測試車的橫向間距 > 2.2 m；在變道切入車完成變道后，其與測試車的橫向間距 < 1.2 m.該準則保證變道切入車橫跨車道完成切入行為.

(2) 縱向間距閾值.變道切入車與測試車的縱向間距不宜大于120 m，否則變道切入將無法影響測試車的駕駛行為.該準則保證變道切入行為的影響具有實際意義.

(3) 速度閾值.變道切入車和測試車在片段全過程中，縱向速度均大于 1 m·s-1.該準則保證前后兩車始終處于運動狀態.

利用上述準則自動化提取，與此同時，定義了3個關鍵時間點：起始時刻、越線時刻和終止時刻.圖2是提取到的一個典型變道切入行為片段.

在變道切入車開始橫向運動后，其與測試車的橫向間距不斷減小，定義橫向間距(絕對值)不斷減小前的最后一個局部最大值為變道切入起始時刻；當變道切入車不斷靠近目標車道，某一時刻，其與測試車的橫向間距(絕對值)等于測試車與車道邊線距離，定義該時刻為變道切入越線時刻；當變道切入車成為雷達正前方目標后，定義兩車橫向距離(絕對值)等于0的第一個時刻為變道切入終止時刻.

圖2 變道切入過程橫向距離變化及關鍵時刻

2.3 提取結果

經過視頻驗證，共計得到涉及51位駕駛員出行過程中的4 734個前車變道切入片段.51位駕駛員的年齡分布在23歲至51歲之間，平均駕齡7.2年，其中男性44人，女性7人.在進行視頻驗證的同時，記錄各片段所在道路類型，變道切入目的以及變道切入車轉向燈使用等基本信息.4 734個變道切入片段有926個在地面道路，1 219個在高速公路，2 589個在快速路.

3 變道切入行為特征分析

3.1 變道切入目的

沿用Yang和Koutsopoulos[11]變道行為的分類方法，將變道切入分為強制性和自由性兩種.通過觀察前向視頻，強制性變道切入目的有：進出交叉口區域；進出匝道；規避施工區或障礙物等.自由性變道切入目的有：規避原車道前方慢車；變換切入至快/慢車道；無明顯意圖等.根據不同道路類型，判別駕駛員實施變道切入的根本動機，統計以上兩類6種變道切入目的如表1所示.

對于3類道路，原車道前方車輛速度慢是變道切入車變換車道最主要的原因，綜合占比達到50.9%，高于Olsen[13]針對一般變道的研究結果.在其研究中，州際公路和高速公路上因前方慢車導致的變道占所有變道數目的比重最大，達37.24%.對此結果合理的解釋是：原車道前方車速度低于變道切入車，使得其行駛受阻或跟車過近，誘發變道切入車駕駛員實施變道切入至測試車所在車道，從而規避前方慢車，并獲得速度和空間優勢.

由于地面道路存在平面交叉口，車輛在選擇對應的進口道和出口道時，常發生變道切入行為.尤其是當駕駛員意識到車輛處于錯誤的進口道時，更容易發生切入搶道行為.因進出匝道而導致的變道切入最常出現在快速路，而車輛自主變換切入至快/慢車道最常出現在高速公路，這與道路實際情況相符.令人比較意外的是，各類道路均存在一定比例的無明顯意圖變道切入.考慮可能的原因是：當目標車道及原車道前方均無其他車輛時，變道切入車不受前導間距的限制，駕駛自由度顯著增加，因而誘發部分駕駛員實施變道切入.此外，一些駕駛員駕駛風格較為激進，客觀上也可能隨意變道切入.

表1 不同道路類型變道切入目的比例

3.2 轉向燈使用

車輛變道切入前須開啟轉向燈提示后隨車.表2統計了不同道路類型變道切入車轉向燈使用情況.可以看出，各類道路轉向燈使用率均不高，總體的使用率僅為50.2%，而快速路轉向燈使用率最低(45.5%)，這表明有相當比例的駕駛員安全意識淡薄，也從側面反映了駕駛員在實施變道切入操作普遍較為急促，對轉向燈使用并不重視.

表2 不同道路類型轉向燈使用比例

Olsen等[13]研究得到美國緊急情況變道轉向燈使用率為53.3%，王建強等[23]研究得到中國高速公路一般變道的轉向燈使用率為65.0%，均高于變道切入發生的轉向燈使用率.歸納來說，駕駛員在變道切入未使用轉向燈的原因有：忘記開啟；短時間內不能及時開啟；強制加塞而不開啟等.

3.3 持續時間

變道切入持續時間定義為起始時刻到終止時刻所經歷的時間長度.此定義與Toledo[15]關于一般變道持續時間的定義相似，其規定變道車橫向運動開始時間點和結束時間點所經歷時長為持續時間.依照該定義，圖1中的持續時間約為5.7 s.

所有4 734個切入片段的持續時間最小值為0.7 s，最大值為12.3 s，均值3.82 s，方差2.28 s.對不同道路類型的切入持續時間進行差異性檢驗，結果表明差異不顯著(P值為0.345 1).

變道切入持續時間的分布可以作為微觀交通仿真的重要輸入參數[15].選定8種可能的分布類型，包括指數分布、Gamma分布、正態分布、對數正態分布、Logistic分布、對數Logistic、拉普拉斯分布以及Pearson 5分布等，利用統計分析軟件@RISK對變道切入持續時間分布類型進行研究，以赤池信息量準則(AIC)為擬合優度比選標準，AIC越小表示擬合效果越好.結果表明對數正態分布對變道切入持續時間的擬合效果最好，其分布如圖3所示.這與Toledo[15]和Hetrick[16]關于一般變道持續時間的分布研究相一致.

對數正態分布的密度函數如下：

(1)

式中：μ為對數正態分布均值;σ為對數正態分布標準差，可由樣本均值和樣本方差求得，即

(2)

計算得到：μ= 1.174，σ= 0.517.Toledo[15]基于美國1 790個一般變道行為，得到樣本均值為5.5 s,μ= 1.376，σ= 0.550，較本文的研究結果更大.這表明變道切入持續過程時間比一般變道更為短促，駕駛過程更為緊張.對此可能的解釋是駕駛員在變道切入過程中，往往面臨后隨車迫近的壓力，使得變道實施更為迅速.

圖3 變道切入持續時間分布(對數正態分布)

3.4 變道切入危險程度

TTC常被用于評估駕駛安全性，特別是對于追尾與側碰場景.對于變道切入實施過程，碰撞時間是衡量其危險程度的重要指標.Olsen[13]基于碰撞時間，對3 228個一般變道片段(TTC為正)劃分了4個危險級別：無危險(1級，TTC大于5.5 s)；緊急(2級，TTC大于3 s，小于等于5 s)；緊迫(3級，TTC大于1 s,小于等于3 s)；瀕臨碰撞(4級，TTC小于等于1 s).由于TTC等于兩車間距除以相對速度，而相對速度等于后隨車速度減去變道切入車速度，因此正的TTC有實際意義.在全部4 734個變道切入片段中有2 008個TTC為正值.為了與Olsen的研究成果相對比，本文沿用其分級方法，計算變道切入行為片段平均TTC，得到不同道路類型條件下的危險程度分布.

如表3所示，79.4%的切入行為片段屬于無危險級別.高速公路和快速路緊急和緊迫變道切入比例低于地面道路，表明地面道路的變道切入行為更為突然，危險程度更大.對此合理的解釋是地面道路交通流混合且復雜，駕駛員因進入錯誤進口道、規避突然出現的行人或路面障礙物等均可能導致其采取緊急變道切入行為.與Olsen[13]的研究相比，變道切入行為在緊急、緊迫和瀕臨事故等危險程度上均比一般變道更具風險，對交通安全的不利影響也更為突出.

表3 不同道路類型變道切入危險級別分布

3.5 后隨車反應

變道切入對后隨車影響主要體現在迫使后隨車減速讓出空間.但在實際情況中，存在著相反的行為，即后隨車駕駛員向前加速，迫使變道切入車無法正常插入.因此，后隨車的速度變化是變道切入影響的直觀體現.本文比較變道切入起始時刻和終止時刻(如2.2定義)自然駕駛試驗車的速度差異，從而分析變道切入對后隨車的影響.速度差異可以用速度變化百分比衡量，即始末時刻速度差值與起始速度的比值，如下：

(3)

式中：Pv為速度變化百分比；v1為試驗車起始時刻速度；v2為試驗車終止時刻速度.

一般認為測試車在前車變道切入前6 ～ 3 s屬于正常行駛過程，計算該時間內測試車速度變化百分比得到正常速度波動范圍.結果表明，90%的測試車速度變化百分比速度在5.2%以內.因此，測試車速度增降幅在5%以內可視為車輛速度的正常波動.統計不同道路類型速度變化百分比絕對值大于5%的變道切入行為片段，分析變道切入車輛對后方測試車的縱向速度影響，結果如表4和圖4所示.

由表4及圖4結果可知，不同道路駕駛員減速和加速的比例在7∶3左右.地面道路急加速或者急減速(|Pv| > 20%)比例大于高速公路和快速路；相反，地面道路速度變化百分比較小的比重小于高速公路和快速路.相比于高速公路、快速路，后隨車在地面道路行駛時，更容易受到變道切入的影響，速度波動也較為明顯.可能的原因是地面道路交通處于間斷流狀態，車速較低，因交叉口、路段出入口以及慢行交通等干擾，車輛變道切入行為往往比較激進，從而導致后隨車反應更為劇烈.

雖然變道切入過程后隨車減速是常態，但也不能忽視加速情形.在所有變道切入片段中，近15% 的后隨車速度變化百分比超過10%，反映出一些測試車駕駛員在意識到前車有變道切入意圖時并未采取謹慎的駕駛態度.這也從側面說明部分中國駕駛員在駕駛過程中表現出的激進風格：一方面，對正常切入行為的“不禮讓”；另一方面，對異常切入行為(違法變道和緊急加塞等)的“不容忍”.

表4 變道切入車輛對后隨車速度變化的影響分布

圖4 不同道路類型后隨車速度變化百分比差異對比

4 結語

基于自然駕駛采集的真實駕駛行為數據，提取4 734個變道切入行為片段，從變道切入準備、實施過程，以及對后隨車的影響等方面解析中國駕駛員的變道切入行為.結果表明，規避原車道前方慢車是車輛采取切入行為最主要的原因，各種道路設施上均存在一定比例的無目的變道切入行為；中國駕駛員切入持續時間與轉向燈使用比例均小于美國，表現出較為激進的駕駛風格；近15%的后隨車駕駛員在前車變道切入時速度變化百分比超過10%，表現出明顯的“不禮讓”或“不容忍”.相比于高速公路和快速路，地面道路的切入行為對后隨車的影響更大，其危險程度也更高.本文針對變道切入行為進行的特征分析在駕駛員駕駛風格劃分與安全教育方面具有良好的應用價值.研究結果有利于深入理解車輛變道切入特征，為國內微觀交通仿真、駕駛模擬以及自動駕駛研究提供一定的參考依據；同時，從中美對比角度分析變道切入行為，也將豐富國內微觀駕駛行為和交通流理論研究.