道路虛線與實線間過渡標線長度影響因素分析*

齊亞妮 楊 軫

(1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804； 2.新疆大學建筑工程學院 烏魯木齊 830046)

換道是駕駛人行車過程中最基本的駕駛行為之一，換道車輛會對平穩的交通流造成擾動，尤其對目標車道的交通流產生較大的負面作用[1]，目標車道的后隨車輛為避免碰撞，須制動減速，由原來較為平穩車速的行駛狀態，轉變為波動狀態，導致道路通行能力下降，甚至交通擁堵[2]。

目前國內外關于視距受限的駕駛人獲取前方道路通行權力信息的問題尚無針對性的研究。但輔助駕駛領域開展的一些研究技術可以借鑒，如道路交通標線檢測識別技術[3-5]，作為自動駕駛領域的基礎技術，服務于車道保持、車道偏離安全預警系統，主要是基于機器視覺[6]，對車輛軌跡進行采集[7]，利用路側及車載智能設備實現環境感知和信息交互，這項技術可以為視距受限的駕駛人提供前方道路標線的信息。但這需要借助于較為復雜的車載及路側智能感知、通訊設備，以及車路協同技術。以目前道路基礎設施服務水平，技術成熟度不足，實施和推廣需要一個較長的周期和較高的經濟成本。

為了解決駕駛人因視線受限而造成的換道過程中壓實線的問題，本研究從道路交通標線著手，提出一種新的解決方法：在道路原有白色虛線與白色實線標線之間增設一段虛-實線過渡標線。將過渡標線作為信息載體，提醒駕駛人，前方道路標線即將由虛線變為實線，便于其選擇合適時機進行換道操作。

過渡標線的設置，必須保證駕駛人只要在過渡標線起點前開始準備換道，即可順利完成換道操作(不壓實線)，所以過渡標線的長度如何確定非常重要。故本研究將重點探索分析過渡標線長度的影響因素。

1 過渡標線長度定義

1.1 過渡標線的位置

過渡標線的具體位置見圖1，設置在道路原有白色虛線與白色實線標線之間，其終點與原有道路的實線起點相接，過渡標線起點根據其長度倒推，并與道路虛線相接。

圖1 過渡標線的位置

1.2 過渡標線的長度

過渡標線的長度是要保證駕駛人在看到過渡標線起點時開始換道，并在實線起點前完成換道操作的長度。多數學者根據換道軌跡將換道過程分為3個階段：準備階段、執行階段、調整階段[8]，其示意見圖2。

圖2 換道過程與過渡標線長度示意圖

準備階段AB。駕駛人在看到分流指示標志時，根據當前交通運行條件，做出換道決策并為換道做準備。此階段車輛的外在行為特征與跟馳階段沒有太大的變化。

執行階段BC。駕駛人開始調整車身行駛方向，跨越車道線，直至車身邊緣初次跨越車道線，視為順利完成車道切換任務。

調整階段CD。車輛切換至目標車道后，駕駛人調整車身方向，使其與當前車道相匹配，調整階段結束。

為了便于理解過渡標線的長度，對照圖2：其中A點即駕駛人產生換道意圖時刻(看到過渡標線起點時刻)的位置。DL、DR為駕駛人的左右視距，而駕駛人視距被前方大車遮擋，受與前車車距的影響。駕駛人左右視距計算簡圖見圖3。

圖3 視距計算簡圖

式中：DL、DR分別為駕駛人的左、右視距，m；LL、LR分別為駕駛人視點距離左、右車道線的距離，m；HL、HR分別為視點垂直投影點距車身左右邊緣的距離，m；d為前車車尾與后車車頭間距，m。

考慮極限狀態下，若前方大車車身寬度H接近于車道寬度W，或前導車車輛向左或者右偏，則駕駛人的視距DL或DR近似于等于車距d。

2 實驗場景設計與數據采集

過渡標線的長度可能受到車道寬度、車距，以及車速的影響。相較于實車實驗，駕駛模擬器具有重復性好、場景再現容易、成本低等優點，故本研究主要通過駕駛模擬實驗探索過渡標線長度的影響因素。

2.1 實驗場景設計

1) 道路基本場景。道路橫斷面為雙向六車道，車道寬度為W，全長為6 km直線路段公路，道路標線由白色虛線、過渡標線和實線組成。

2) 交通環境。實驗場景中側向無環境車輛干擾，測試車輛前方設置了1輛車身寬度與車道寬度相近的前導車，前導車的橫向位置一直保持在測試車所在車道正中央行駛，用以遮擋駕駛人的視線。使用駕駛模擬軟件中行為模型函數鎖定測試車與前導車車距d，使其始終與測試車保持固定車距d行駛。

3) 參數設置。為了研究車道寬度及車距對過渡標線長度的影響，設定車道寬度4級水平，W=3.0，3.25，3.5，3.75 m，車距7級水平，d=15，25，35，45，55，65，75 m。為了避免駕駛人在駕駛場景中，駕駛操作固化，在實驗場景中，車距d根據選定數值隨機變化。

4) 駕駛任務。提前告知駕駛人過渡標線的意義，將過渡標線的起點視為換道提醒信號。要求駕駛人員開始保持在當前車道行駛，一旦看到換道信號，即可準備換道操作，換道至相鄰車道，后保持當前車道行駛，直至再次看到換道信號，換道至相鄰車道，如此往復，駕駛人車速控制在60～120 km/h。駕駛模擬實驗招募的駕駛人，男、女比例7∶3，平均年齡32歲，標準差4.9，平均駕齡7年，標準差為2.5。

2.2 數據采集

采集的數據主要有車速、車距、行駛距離、車輛偏航角、車身邊緣與道路標線間的橫向距離，數據采集頻率為20 Hz。車輛偏航角(psi)是指車身方向與車輛前進方向的夾角。車身邊緣與道路標線間的橫向距離(lanegapleft , lanegapright)是指車身左(右)側邊緣與當前車道左(右)側車道線間的距離，其參數示意見圖4。

圖4 參數示意圖

車輛在跟馳階段，3個參數psi，lanegapleft，lanegapright會小幅波動，而在換道過程中會有較大的變化。

圖5展示了1次向右換道過程中psi的變化。偏航角psi負值表示向左偏，正值表示向右偏。車輛在跟馳時，psi較為穩定或小幅波動，在換道執行階段開始時，psi開始連續增大，增大到極值，psi回調，完成換道后再小幅波動跟馳行駛。圖6展示了1次向右換道過程中2個參數lanegapleft、lanegapright的變化。車輛在跟馳階段，2個參數lanegapleft、lanegapright較為穩定或小幅波動。車輛向右換道過程中，如圖6中極值點所示，是車輛重心跨越車道線時刻，而后lanegapleft開始增大，當lanegapleft增大為0時，表示車身左側邊緣與左車道線的間距為0，表示車身已完全切換到目標車道，視為向右換道執行階段結束，如圖6中零點所示。根據提取的換道執行階段結束點的位置與換道信號位置之差，即為過渡標線的長度。

圖5 換道過程中psi的變化

圖6 換道過程中參數lanegapright/lanegapleft的變化

3 過渡標線長度的影響分析

3.1 模型自變量篩選

采用逐步回歸法探索各自變量對過渡標線長度的影響，此法選擇變量是以赤池信息準則(Akaike’s information criterion, AIC)為選擇標準，AIC值越小，表示擬合的模型精度越高越簡潔[9]。

為了減少試驗工作量，采用控制變量法，進行實驗。首先探索車道寬度W和車速V對過渡標線長度的影響。限定車距d為75 m，車道寬度W為3.0，3.25，3.5，3.75 m。逐步回歸，結果見表1。由表1逐步回歸結果來看，選擇全部自變量W和V時AIC=965.2。剔除變量W后，模型的AIC會減小，AIC=960.7，去掉變量V后，模型的AIC會增大，AIC=1 054.1。說明剔除變量車道寬度W后的模型是最優模型。

表1 過渡標線長度L0～車道寬度W+車速V逐步回歸結果(AIC=965.2)

由上述結果已知，車道寬度W不是影響過渡標線長度的關鍵變量，限定車道寬度W為3.5 m，車距d為15，25，35，45，55，65，75 m，探究車距d和車速V對過渡標線長度的影響。逐步回歸結果見表2。

表2 過渡標線長度L0～車距d+車速V逐步回歸結果(AIC=2 893.5)

由表2可見，采用全部自變量V和d回歸時，AIC=2 893.5，無論剔除V或d，均會使AIC增大，所以2個自變量V和d對因變量L0都有顯著影響。

3.2 回歸模型評價

對上述結果進一步擬合得到回歸模型，見表3。

表3 過渡標線長度L0 ～車距d+車速V回歸方程及顯著性檢驗結果

3.3 自變量的相對重要程度

表4 標準化回歸系數及標準化回歸方程

3.4 回歸模型的診斷

由于線性回歸模型有若干的前提假設條件，如殘差正態性、線性關系、同方差、非共線性等。對回歸模型的診斷，主要是對上述各項假定的檢驗。繪制模型診斷圖，見圖7～圖10。

圖7 線性關系檢驗——殘差圖

圖8 殘差正態性檢驗——標準化殘差正態Q-Q圖

圖9 同方差檢驗——標準化殘差圖

圖10 強影響點檢驗——Cook距離

1) 線性關系檢驗。由圖7可見，圖中橫坐標是模型的擬合值，縱坐標是預測殘差，可以看出，擬合值和殘差的散點隨機分布，而且其離散程度基本一樣，表示其滿足方差齊性的假定，并且擬合值與殘差值的觀測點在一條水平線附近波動，紅線與水平線比較接近，且沒有明顯的趨勢，說明自變量與因變量之間的線性關系假定成立。

2) 殘差正態性檢驗，圖8為標準化殘差的正態Q-Q圖，各個點基本在直線周邊分布，沒有顯著趨勢，可以認為正態性假定基本成立。

3) 同方差假設檢驗。圖9為標準化殘差圖，由圖9可見，x軸是回歸模型的預測值，y軸是標準化殘差絕對值開方，散點圖中實線沒有特別明顯的趨勢，可以認為是滿足同方差假設。

4) 強影響點檢驗。圖10中標注了Cook距離最大的3個點，但其最大的Cook距離也小于0.5，可以認為沒有強影響點。

過渡標線長度等于換道準備階段與執行階段的總長度減去視距，而車距會影響駕駛人的視距，車速影響換道執行階段的長度，故車距和車速是影響過渡標線長度的關鍵變量[10]。而車道寬度會影響駕駛人的路側視覺感覺，直接影響駕駛人的車速，進而影響換道執行階段的長度。而車道寬度又在一定程度上影響駕駛人的視距長度，鑒于車道寬度3.0～3.75 m之間的差距并不大，對車速和視距的影響較小，進而對過渡標線長度的間接影響此消彼長，影響不再顯著。

4 結論

本文針對道路行車過程中，駕駛人因視距受限導致換道過程中壓實線違章的現實問題，從道路交通標線著手，提出設置過渡標線的方案。結合駕駛人換道過程中車輛的行為特征，給出了過渡標線長度的定義。并通過駕駛模擬實驗，研究了過渡標線長度的影響因素，初步建立了過渡標線長度的線性回歸模型，并對回歸模型進行了檢驗。研究發現，車距與車速是影響過渡標線長度的關鍵變量，而車道寬度對過渡標線的長度無顯著影響。回歸模型中，自變量車距相對重要性高于自變量車速，且過渡標線長度與車距為負相關，與車速正相關。回歸模型可為過渡標線長度的設置提供參考。

過渡標線作為信息載體，提醒駕駛人前方道路標線即將由虛線變為實線，便于其選擇合適時機進行換道操作，引導其有秩序地使用道路，理論上應能避免司機因視距受限而產生換道壓線違章情況，進而促進道路交通安全，提高道路運行效率。而過渡標線作為一種區別于現有標線的新標線，駕駛人對其辨識結果有待進行研究，因此，下一步需要對過渡標線的形式進行深入分析，并對其有效性進行評估驗證。