基于交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的個(gè)性化換道觸發(fā)研究*

朱乃宣，高振海，胡宏宇，呂 穎，趙偉光

（1.吉林大學(xué)，汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春100025；2.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司智能網(wǎng)聯(lián)開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春130011）

前言

道路環(huán)境的交通態(tài)勢(shì)建模是智能車(chē)用來(lái)保障其在道路區(qū)域內(nèi)安全行駛、防止側(cè)翻和碰撞等危險(xiǎn)狀況發(fā)生的關(guān)鍵技術(shù)手段，已受到了廣泛關(guān)注和研究。交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要用于處理原始的傳感器數(shù)據(jù)，通常包括來(lái)自立體視覺(jué)［1］、雷達(dá)［2］和激光雷達(dá)［3］的最低級(jí)別的原始數(shù)據(jù)，模型借助上述傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)當(dāng)前車(chē)輛周?chē)h(huán)境進(jìn)行合理而簡(jiǎn)捷的表達(dá)，其主要信息有邊界的位置信息（車(chē)道線、路沿、路口）和道路內(nèi)的障礙物信息等。當(dāng)前常見(jiàn)的態(tài)勢(shì)評(píng)估方法是通過(guò)柵格地圖或者人工勢(shì)場(chǎng)法建立風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)模型。

柵格地圖模型是貝葉斯占用過(guò)濾器［4］的變體，在智能車(chē)輛領(lǐng)域，基于貝葉斯占用濾波理論的占用網(wǎng)格已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種研究中［5-9］；至于采用人工勢(shì)力場(chǎng)法建立風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)模型，是由Khatib提出的［10］。核心思想是障礙物產(chǎn)生斥力場(chǎng)，目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生引力場(chǎng)，機(jī)器人在合勢(shì)場(chǎng)下沿著勢(shì)場(chǎng)下降最快的方向移動(dòng)。當(dāng)前在決策規(guī)劃領(lǐng)域中常用的方法為：建立道路、車(chē)道線和障礙車(chē)的斥力場(chǎng)以及目標(biāo)點(diǎn)的引力場(chǎng)，根據(jù)車(chē)輛行駛軌跡求解勢(shì)場(chǎng)參數(shù)［11-17］。

在換道決策方面，學(xué)者們致力于研究換道行為觸發(fā)機(jī)理。其方法有基于規(guī)則［1］、隨機(jī)效用理論［19］、跟馳模型［20］和最小安全距離模型［21］等。

近年來(lái)，為了使得駕駛輔助系統(tǒng)越來(lái)越人性化，與駕駛員特性相結(jié)合的個(gè)性化換道輔助系統(tǒng)的研究也正廣泛進(jìn)行。研究者通過(guò)傳統(tǒng)聚類(lèi)方法［22-23］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［24］、隱馬爾可夫模型［25］、隨機(jī)森林法［26］和支持向量機(jī)［27-28］等方法對(duì)駕駛員數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)駕駛員的風(fēng)格和能力進(jìn)行分類(lèi)，進(jìn)而獲得模型中不同的參數(shù)。

然而，現(xiàn)有的個(gè)性化換道觸發(fā)研究大部分基于大量駕駛數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)機(jī)器或者深度學(xué)習(xí)的方法獲得駕駛員的特性參數(shù)。該方法受場(chǎng)景和數(shù)據(jù)質(zhì)量影響較大，且可解釋性差，無(wú)法正確分析駕駛員對(duì)交通風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方式。

針對(duì)上述問(wèn)題，為直觀、合理地構(gòu)建個(gè)性化的換道觸發(fā)，本文中提取駕駛員日常駕駛的真實(shí)數(shù)據(jù)，從中提取出其換道數(shù)據(jù)，并基于人工勢(shì)場(chǎng)理論搭建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，通過(guò)對(duì)駕駛員實(shí)際換道中的風(fēng)險(xiǎn)分析，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的換道觸發(fā)，最終通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)進(jìn)行了功能驗(yàn)證。

1 行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)設(shè)計(jì)

本文中為了快速量化車(chē)輛在環(huán)境中的行駛風(fēng)險(xiǎn)水平，建立了障礙物的行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)，該行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)綜合考慮了障礙物的外形尺寸和障礙物與自主車(chē)輛的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其中，靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)僅由障礙物本身屬性以及外形決定；動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)則由障礙物的運(yùn)動(dòng)和自主車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)所決定。此外，根據(jù)不同駕駛員對(duì)行駛風(fēng)險(xiǎn)容忍能力的不同，分析出各自在行駛過(guò)程中所能忍受的風(fēng)險(xiǎn)水平，為后續(xù)換道觸發(fā)算法的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1.1 靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)

靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)主要考慮障礙物的屬性和外形，其場(chǎng)強(qiáng)大小受兩個(gè)因素的影響：一是自主車(chē)輛與障礙物的相對(duì)距離；二是自主車(chē)輛接近障礙物的方向。自主車(chē)輛與障礙物之間的相對(duì)距離越小，發(fā)生交通事故的可能性就越大，因而靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)越大。對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)而言，其行駛方向受到限制，即機(jī)動(dòng)車(chē)的側(cè)向速度通常遠(yuǎn)小于縱向速度。因而，在障礙物的縱向方向上，靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)有較大的影響范圍；而在障礙車(chē)的側(cè)向方向上，靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的影響范圍較小。因此，對(duì)于障礙物的靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)可采用二維高斯函數(shù)。同時(shí)考慮到機(jī)動(dòng)車(chē)的外形尺寸較大，機(jī)動(dòng)車(chē)邊緣與中心點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)差值較大，故采用1階中心距的二維高斯函數(shù)不太合適。為此，采用高階中心距的二維高斯函數(shù)作為障礙物的風(fēng)險(xiǎn)危險(xiǎn)場(chǎng)。高階中心距展平了函數(shù)的峰頂，使得整個(gè)障礙物表面都有相近的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)。靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的公式為

式中：(x，y)為交通環(huán)境內(nèi)某一點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)；(xobs，yobs)為障礙物中心點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)；A為場(chǎng)強(qiáng)系數(shù)；β為高階系數(shù)；σx和σy為障礙物的外形函數(shù)；Lobs為障礙物縱向方向的長(zhǎng)度；Wobs為側(cè)向方向的長(zhǎng)度；kx和ky為障礙物橫縱向尺寸系數(shù)。

以圖1所構(gòu)建的交通場(chǎng)景為例，規(guī)定行駛方向?yàn)閄軸正向，車(chē)輛以id為索引，每輛車(chē)的位置和車(chē)速等數(shù)據(jù)如表1所示，其中車(chē)輛的橫縱坐標(biāo)為車(chē)輛質(zhì)心的坐標(biāo)，L、D和v分別為車(chē)輛的長(zhǎng)度、寬度和速度。本文中均以自車(chē)id=0構(gòu)建交通環(huán)境中的行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)，靜態(tài)及動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)中的參數(shù)取值如表2所示。

圖1 交通場(chǎng)景示意圖

表1 車(chē)輛相關(guān)數(shù)據(jù)

表2 行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)參數(shù)取值

圖1所示的交通場(chǎng)景中形成的靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)在障礙物的縱向方向上有較大的影響范圍，而且隨著障礙物縱向長(zhǎng)度的增加，影響范圍也越大。從圖3可以看出，靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)隨著相對(duì)距離的減小而增大，對(duì)于接近障礙物邊緣的點(diǎn)，場(chǎng)強(qiáng)接近峰值，整個(gè)障礙物表面的場(chǎng)強(qiáng)大小相近。因此，使用高階中心距二維高斯函數(shù)建立的靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)基本滿足要求。

圖2 靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)等勢(shì)線

圖3 靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)

1.2 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)

動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的構(gòu)建需要綜合考慮障礙物和自主車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小主要受到4個(gè)因素的影響，分別是相對(duì)距離、相對(duì)速度的絕對(duì)值、相對(duì)速度的方向和自主車(chē)輛的接近方向。當(dāng)相對(duì)速度方向和接近方向相同時(shí)，相對(duì)距離越小，相對(duì)速度的絕對(duì)值越大，則引發(fā)交通事故的可能性就越大，因而動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)越大。當(dāng)其他3項(xiàng)相同時(shí)，相對(duì)速度的絕對(duì)值越大，則引發(fā)交通事故的可能性也越大，因而動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)越大。

為了滿足以上要求，本文中以二維高斯函數(shù)為基礎(chǔ)建立了動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)。動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的公式為

式中：σv為障礙物的速度與自主駕駛車(chē)輛速度的函數(shù)；vobs為障礙物在縱向方向上的速度；v為自主駕駛車(chē)輛的縱向速度；kv為速度系數(shù)；relv為描述障礙物與自主駕駛車(chē)輛相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的函數(shù)；α為相對(duì)速度系數(shù)，其余定義與靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)相同。kv和α具體取值見(jiàn)表2。

上述被視為障礙物的車(chē)輛的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)等勢(shì)線和場(chǎng)強(qiáng)如圖4和圖5所示。由圖可見(jiàn)：動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)隨著相對(duì)距離減小而逐漸增大；當(dāng)相對(duì)距離相等時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)隨著相對(duì)速度絕對(duì)值的增大而增大。動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的峰值小于場(chǎng)強(qiáng)參數(shù)A，且與相對(duì)速度的絕對(duì)值大小有關(guān)，相對(duì)速度的絕對(duì)值越大，動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的峰值越大。此外，動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的峰值并不在車(chē)輛邊緣處，它隨著兩車(chē)相對(duì)速度關(guān)系、相對(duì)距離和障礙車(chē)尺寸等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。綜上所述，構(gòu)建的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)基本滿足要求。

圖4 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)等勢(shì)線

圖5 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)

1.3 總行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)

車(chē)輛的總行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)為靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)與動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的疊加即

行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)等勢(shì)線如圖6所示。由圖可見(jiàn)，障礙物車(chē)輛1的車(chē)速小于自車(chē)，因此自車(chē)的前車(chē)（車(chē)1）相當(dāng)于逐漸“接近”自車(chē)。如車(chē)4繼續(xù)保持在當(dāng)前車(chē)道行駛，隨著自車(chē)與車(chē)1的相對(duì)距離的減小，自車(chē)受到的行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)越大。自車(chē)為了將受到的行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)維持在一定范圍內(nèi)，需要減速行駛。自車(chē)如果想要維持當(dāng)前車(chē)速行駛，則必須換道。自車(chē)的左側(cè)車(chē)道上，由于車(chē)2和車(chē)3都產(chǎn)生了較大的場(chǎng)強(qiáng)，而在右側(cè)車(chē)道上，車(chē)4相當(dāng)于“遠(yuǎn)離”自車(chē)，因此在右車(chē)道上的場(chǎng)強(qiáng)較低，故自車(chē)向右側(cè)換道更為安全。綜上所述，構(gòu)建的行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)能夠識(shí)別車(chē)輛向右換道的趨勢(shì)，同時(shí)計(jì)算出換道時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)，以此評(píng)判駕駛員對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的接受程度。

圖6 行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)等勢(shì)線

2 個(gè)性化換道觸發(fā)設(shè)計(jì)

2.1 駕駛員數(shù)據(jù)采集

為了辨識(shí)駕駛員的特性，在自由駕駛工況下進(jìn)行大量試驗(yàn)，以收集各類(lèi)駕駛員的駕駛數(shù)據(jù)。按圖7所示的流程，構(gòu)建了駕駛員行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它使用了一輛真實(shí)車(chē)輛，輔以慣性導(dǎo)航、角毫米波雷達(dá)和VECTOR VN1630A CAN采集設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)駕駛習(xí)慣并收集駕駛數(shù)據(jù)。

圖7 駕駛員數(shù)據(jù)采集流程圖

在采集系統(tǒng)中，駕駛員通過(guò)操縱車(chē)輛轉(zhuǎn)向盤(pán)、油門(mén)踏板和制動(dòng)踏板使車(chē)輛行駛。車(chē)輛的狀態(tài)參數(shù)可從車(chē)輛OBD中通過(guò)CAN信號(hào)獲得；真實(shí)的駕駛場(chǎng)景的經(jīng)緯度和車(chē)輛加速度等信息可從慣性導(dǎo)航通過(guò)CAN信號(hào)獲得；周?chē)?chē)輛與障礙物的相對(duì)位置、速度和加速度等信息通過(guò)車(chē)輛四角的毫米波雷達(dá)獲得，每個(gè)角雷達(dá)可檢測(cè)150°范圍內(nèi)的障礙物，最遠(yuǎn)可檢測(cè)80 m，通過(guò)CAN信號(hào)傳輸，使用VECTOR VN1630A采集CAN信號(hào)。整個(gè)過(guò)程中總計(jì)錄制了以下數(shù)據(jù)以便后續(xù)分析：車(chē)速、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速、橫縱向加速度、橫擺角速度、制動(dòng)主缸壓力、油門(mén)踏板開(kāi)度、經(jīng)緯度以及周?chē)系K物的位置、速度、加速度。

試驗(yàn)地點(diǎn)在中國(guó)長(zhǎng)春，選定了一段路線作為駕駛場(chǎng)景，選取的路段涵蓋了常見(jiàn)的場(chǎng)景，如直行、連續(xù)彎道、環(huán)島、換道、高架和擁堵等，全程約12 km，單次駕駛時(shí)長(zhǎng)約25 min。

選擇了30名駕駛員作為測(cè)試樣本。正式測(cè)試前，駕駛員先對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行一段時(shí)間的試駕，以熟悉車(chē)輛和試驗(yàn)步驟，除了設(shè)備外車(chē)上無(wú)其他配件。試驗(yàn)后對(duì)其駕駛員信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 駕駛員信息

2.2 換道數(shù)據(jù)提取

考慮到后續(xù)要分析駕駛員的換道觸發(fā)，本文中將對(duì)自由駕駛數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取和分段，從中剝離出換道數(shù)據(jù)段進(jìn)行分析。因此，本文中設(shè)定的轉(zhuǎn)向行駛的條件是：

（1）車(chē)速v＞2 m∕s2；

（2）轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角δsw＞5°；

（3）轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)速δ˙sw＞5°∕s。

當(dāng)汽車(chē)脫離穩(wěn)定直線行駛時(shí)，開(kāi)啟數(shù)據(jù)的提??；當(dāng)汽車(chē)重新進(jìn)入直線行駛或者超過(guò)設(shè)定的工況持續(xù)時(shí)間Tcon（本文設(shè)置Tcon=7 s），則完成一段數(shù)據(jù)的提取，得到一組駕駛員轉(zhuǎn)向的時(shí)序數(shù)據(jù)。

上述通過(guò)提取得到的均是由駕駛員操縱轉(zhuǎn)向的時(shí)序數(shù)據(jù)，但是其中一部分是由于道路曲率的變化而使得駕駛員進(jìn)行轉(zhuǎn)彎操作。為了得到換道的數(shù)據(jù)，本文中對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行了航向角估算以排除非換道數(shù)據(jù)。

考慮到航向估計(jì)模型的簡(jiǎn)單易用且能真實(shí)反映車(chē)輛特性，本文中基于單車(chē)模型進(jìn)行計(jì)算，使用單車(chē)模型需做如下假設(shè)：

（1）不考慮車(chē)輛在Z軸方向的運(yùn)動(dòng)，只考慮XY水平面的運(yùn)動(dòng)；

（2）左右側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)角一致，這樣可將左右側(cè)輪胎合并為一個(gè)輪胎，以便于搭建單車(chē)模型，如圖8所示；

圖8 單車(chē)模型

（3）車(chē)輛行駛速度變化緩慢，忽略前后軸載荷的轉(zhuǎn)移；

（4）車(chē)身和懸架系統(tǒng)是剛性的。

具體符號(hào)定義見(jiàn)表4。

表4 單車(chē)模型參數(shù)定義

根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型可得

同時(shí)假設(shè)車(chē)輛的方向變化率等于車(chē)輛的角速度，則車(chē)輛的角速度為

聯(lián)立式（9）和式（10）可得

質(zhì)心側(cè)偏角可由式（12）獲得

對(duì)˙在時(shí)間上積分可獲得航向角的歷程。

圖9為兩段提取的轉(zhuǎn)向工況下轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和經(jīng)過(guò)估算的航向角的時(shí)間歷程，其中圖9（a）反映了在該工況下車(chē)輛航向角整個(gè)時(shí)間段前后變化很小，由此可知該段數(shù)據(jù)為換道數(shù)據(jù)；圖9（b）則表示了典型的轉(zhuǎn)彎段數(shù)據(jù)的特征。由此，便可以將非典型的換道的數(shù)據(jù)從訓(xùn)練集中剔除。

圖9 典型換道工況和調(diào)頭工況的轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角和航向角

2.3 駕駛員換道風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制分析

在完成了換道風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)計(jì)算后，本文中定義了兩個(gè)閾值，分別為規(guī)劃閾值Qp和安全閾值Qs。其中規(guī)劃閾值Qp為駕駛員所能接受的自車(chē)車(chē)道前方風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)強(qiáng)度，安全閾值Qs則為整個(gè)換道過(guò)程中駕駛員所能接受的最大風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)強(qiáng)度。以圖1的場(chǎng)景為例，Qp為換道開(kāi)始時(shí)刻車(chē)1形成的行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)；Qs為換道整個(gè)過(guò)程中所有車(chē)輛形成的行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)的最大值。

當(dāng)自車(chē)以當(dāng)前車(chē)速或者期望車(chē)速在當(dāng)前道路上行駛時(shí)，如果前方車(chē)輛速度過(guò)低或存在障礙物時(shí)，不同駕駛員會(huì)采取不同的操作以降低前方行駛風(fēng)險(xiǎn)。比較保守的駕駛員往往傾向于減速繼續(xù)保持車(chē)道，從而有較大的Qp；激進(jìn)的駕駛員則會(huì)立刻變換車(chē)道，繼而Qp較小。然而，Qs正相反，激進(jìn)駕駛員往往接受能力強(qiáng)，Qs較大，后方和周?chē)?chē)輛對(duì)其換道的影響較小；保守駕駛員則相反。

圖10示出了某次換道過(guò)程中行駛風(fēng)險(xiǎn)的變化。自車(chē)在開(kāi)始換道時(shí)刻前方的行駛風(fēng)險(xiǎn)為0.124 3，總行駛風(fēng)險(xiǎn)為0.174 6。隨著車(chē)輛始駛向相鄰車(chē)道，車(chē)輛的行駛風(fēng)險(xiǎn)也繼續(xù)增加。在3.3 s時(shí)，車(chē)輛的行駛風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到最大值0.608 1。隨后車(chē)輛換到相鄰車(chē)道，前方行駛風(fēng)險(xiǎn)變成0，總行駛風(fēng)險(xiǎn)也逐漸下降。當(dāng)車(chē)輛換道完成時(shí)，車(chē)輛的行駛風(fēng)險(xiǎn)為0.005 6。本文中將換道起始時(shí)的前方行駛風(fēng)險(xiǎn)作為引發(fā)換道的行駛風(fēng)險(xiǎn)，換道過(guò)程行駛風(fēng)險(xiǎn)的最大值作為該駕駛員所能接受的行駛風(fēng)險(xiǎn)。即本次換道中，該名駕駛員的Qp=0.124 3，Qs=0.608 1。

圖10 換道過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)

2.4 個(gè)性化換道觸發(fā)方法

圖11為采集駕駛員中的3名駕駛員的某段換道工況的Qp和Qs盒形圖。明顯看出，不同駕駛員可接受的行駛風(fēng)險(xiǎn)有顯著差別。從整體分布來(lái)看，駕駛員1可忍受的前方風(fēng)險(xiǎn)最低，能接受的行駛風(fēng)險(xiǎn)最高，而駕駛員3則趨于保守，能夠忍受前方車(chē)輛的風(fēng)險(xiǎn)盡量減少換道，同時(shí)對(duì)周?chē)h(huán)境風(fēng)險(xiǎn)接受程度較低。

圖11 3位駕駛員換道Qp和Qs的對(duì)比

因此，本文中選取每位駕駛員在線統(tǒng)計(jì)得到的Qp和Qs的中位數(shù)作為該名駕駛員的最終閾值，并且該值隨換道工況次數(shù)的增加而逐漸獲得動(dòng)態(tài)更新。車(chē)輛能夠觸發(fā)換道軌跡規(guī)劃系統(tǒng)的條件為

式中：Qfn為自車(chē)當(dāng)前車(chē)道前方風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)；Qn為周?chē)h(huán)境的總風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)；Qp和Qs為前n-1次換道工況規(guī)劃和安全閾值的中位數(shù)。

3 實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果

本文中選取了15名駕駛員進(jìn)行了實(shí)車(chē)驗(yàn)證，本節(jié)將選取其中3名駕駛員進(jìn)行說(shuō)明。試驗(yàn)開(kāi)始前，駕駛員對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛先進(jìn)行一段時(shí)間的試駕，以熟悉車(chē)輛和試驗(yàn)流程。

將基于交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的個(gè)性化換道觸發(fā)程序?qū)隡atlab∕Simulink中，通過(guò)VECTOR VN1630A實(shí)時(shí)獲取駕駛員的車(chē)輛操控?cái)?shù)據(jù)和角雷達(dá)信息，通過(guò)程序進(jìn)行換道工況提取。駕駛員每完成一次換道，就根據(jù)雷達(dá)信息計(jì)算出該次的Qpi和Qsi，在線統(tǒng)計(jì)Qp和Qs的中位數(shù)，并更新閾值。

在完成自由駕駛后，令每名駕駛員分別完成如圖12所示的換道工況。自車(chē)以40 km∕h行駛，前車(chē)以30 km∕h行駛，兩車(chē)初始間距為100 m，駕駛員正常駕駛，自由選擇時(shí)機(jī)進(jìn)行換道。該工況以驗(yàn)證Qp對(duì)換道觸發(fā)的影響（考慮到實(shí)車(chē)場(chǎng)景的安全性，Qs暫不測(cè)試）。

圖12 實(shí)車(chē)驗(yàn)證場(chǎng)景

圖13示出基于前方風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)曲線和3位駕駛員對(duì)應(yīng)的Qp閾值。從圖中可以看出，該試驗(yàn)工況下1-3號(hào)駕駛員理論換道時(shí)刻分別為11.97、7.24和3.91 s，具有明顯的區(qū)別。圖14為1-3號(hào)駕駛員的實(shí)際換道過(guò)程橫向位移的時(shí)間歷程曲線，從圖中橫向位移的第1個(gè)拐點(diǎn)可以看出，實(shí)際1-3號(hào)駕駛員的換道觸發(fā)時(shí)刻分別為12.05、6.57和4.31 s，它們很好地符合駕駛員對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的接受程度。

圖13 基于前方風(fēng)險(xiǎn)的換道觸發(fā)

圖14 駕駛員的實(shí)際換道軌跡

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的換道觸發(fā)功能，本文中提出了一種基于人工勢(shì)場(chǎng)的交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。本文的主要內(nèi)容和成果如下。

（1）行駛風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)設(shè)計(jì)

基于人工勢(shì)場(chǎng)理論，對(duì)交通環(huán)境中的障礙物，建立了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)，綜合考慮了其物理屬性和狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了自車(chē)對(duì)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為換道觸發(fā)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

（2）換道觸發(fā)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與處理：采集駕駛員日常駕駛的數(shù)據(jù)，通過(guò)車(chē)輛的單車(chē)模型進(jìn)行航向估算，從中提取出駕駛員的換道數(shù)據(jù)工況。

駕駛員換道風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制分析：定義了駕駛員換道的規(guī)劃閾值Qp和安全閾值Qs，并據(jù)此分析了駕駛員換道過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)變化過(guò)程。

個(gè)性化換道觸發(fā)方法：通過(guò)對(duì)采集的駕駛員換道數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定不同駕駛員換道過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)接受程度，從而得出個(gè)性化的換擋觸發(fā)時(shí)刻。

（3）實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證

選取典型工況進(jìn)行了個(gè)性化換道觸發(fā)的實(shí)車(chē)驗(yàn)證，結(jié)果表明：基于交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的個(gè)性化換道觸發(fā)算法可針對(duì)不同駕駛員實(shí)現(xiàn)個(gè)性化換道觸發(fā)。

本文中研究了基于交通風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的個(gè)性化換道觸發(fā)機(jī)理，并完成了實(shí)車(chē)驗(yàn)證。但仍存在一些有待進(jìn)一步深入研究和探討的內(nèi)容，如：

（1）根據(jù)變化無(wú)常的環(huán)境車(chē)輛狀態(tài)在交通風(fēng)險(xiǎn)建模中融入障礙物意圖識(shí)別與軌跡預(yù)測(cè)；

（2）完成個(gè)性化的換道軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)。