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駕駛經(jīng)驗對穩(wěn)定跟車行為的影響

2018-11-15 08:37:36朱興林
交通科技與經(jīng)濟 2018年6期
關(guān)鍵詞:時距車頭正態(tài)分布

朱興林,王 媚

(新疆農(nóng)業(yè)大學 交通與物流工程學院,新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830052)

跟車過程中駕駛員的駕駛經(jīng)驗是影響交通行為的重要原因。人-車-路-環(huán)境四要素組成的道路交通系統(tǒng)中,人(尤其是駕駛員)作為處理交通信息的判斷者和決策者,其反應(yīng)能力影響著整個系統(tǒng)的運行,是道路交通系統(tǒng)中最重要和最活躍的因素[1],反應(yīng)時間是衡量駕駛經(jīng)驗的主要指標。近年來,國內(nèi)外學者對駕駛員反應(yīng)能力的研究做了很多拓展性工作,Ossen等[2]利用反應(yīng)時間和敏感度量化了駕駛員的反應(yīng)能力,分析了個體駕駛員之間的跟車行為差異;王福建等[3]基于實際的駕駛行為特性,將駕駛員的駕駛狀態(tài)分為強跟馳、弱跟馳和自由流三種狀態(tài),建立能夠描述這三種狀態(tài)的車頭時距三元混合分布模型;Piao等[4]根據(jù)實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)跟車距離隨速度的增加而增加,且在高速路段行駛時的跟車距離相較于低速時存在較大的波動;張智勇等[5]利用基于GPS的實時動態(tài)車輛跟馳數(shù)據(jù)采集方法,較好地解決了跟車狀態(tài)下駕駛員行為和車輛運行特征的時間序列實測數(shù)據(jù)采集問題;李廣玉[6],王亞培[7]等利用計算機仿真技術(shù),結(jié)合模糊控制規(guī)則給出高速公路上車輛跟馳行為的一種仿真。袁偉等[8]通過實測高速公路上駕駛員的跟車數(shù)據(jù),探討了穩(wěn)速跟車階段駕駛員的期望跟車間距與跟車速度之間的關(guān)系;菅美英等[9]基于駕駛模擬試驗數(shù)據(jù),分析老年駕駛員的跟馳行為特征,并深入研究駕駛員跟馳行為的影響因素。

以上跟車行為的研究側(cè)重于根據(jù)模型進行理論分析,對駕駛經(jīng)驗差異考慮較少。鑒于此,本文利用車載激光雷達設(shè)備,以不同經(jīng)驗的駕駛員為試驗對象,在實際交通流中獲得有無經(jīng)驗駕駛員穩(wěn)定狀態(tài)下的行車特征,從而給研究不同經(jīng)驗駕駛員的跟車行為提供可靠的試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗設(shè)備

Hi-Drive10跟車駕駛行為分析系統(tǒng)由北京奧澤爾科技發(fā)展有限公司研制,不僅能夠采集跟車狀態(tài)下的各類數(shù)據(jù),還可用于交通流量計算、微觀交通仿真、道路通行能力分析和交通安全影響評價等交通工程學的研究。Hi-Drive10跟車駕駛行為分析系統(tǒng)由數(shù)據(jù)分析軟件、硬件設(shè)備及輔助裝置三部分組成。

1.2 試驗對象

本試驗總共招募非職業(yè)性且持有中華人民共和國C1駕照的駕駛員56名,身體健康,無明顯影響交通行為的身體特征,其從事的職業(yè)主要有學生、教師、職員、個體戶及自由職業(yè)者,年齡20歲~55歲,其中女性駕駛員16名,男性駕駛員40名。因駕駛經(jīng)驗無法用駕齡進行科學地衡量,為突出駕駛經(jīng)驗對反應(yīng)時間的影響,選擇駕駛里程數(shù)作為分組標準,將試驗對象分為無經(jīng)驗駕駛員和有經(jīng)驗駕駛員兩組,其中無經(jīng)驗駕駛員的駕駛里程在10萬km以下(駕齡小于或等于5年),有經(jīng)驗駕駛員的行駛里程在20萬km以上(駕齡大于或等于10年)[10],無經(jīng)驗駕駛員和有經(jīng)驗駕駛員各28名。受試駕駛員基本情況如表1所示。

1.3 試驗道路

選取烏魯木齊市河灘快速路新醫(yī)路入口到米東區(qū)出口作為試驗路段,全長約15 km,雙向6車道,小客車限速100 km/h。該路段路面情況良好,以小汽車為主,車輛跟車狀態(tài)穩(wěn)定,該路段能在相對穩(wěn)定的環(huán)境下突出駕駛員的駕駛行為特點。

表1 受試駕駛員基本情況

1.4 試驗車輛

試驗假定影響跟車行為的主要因素是由駕駛經(jīng)驗決定,車輛的選擇上盡量為駕駛員創(chuàng)造相似的行駛環(huán)境,排除車輛因素對駕駛員跟車行為的影響,是本次試驗的首要條件,故試驗車輛選擇家用小型汽車。

1.5 試驗過程

試驗從2016年4月開始至2016年6月結(jié)束,每次試驗前期會尋找符合試驗條件的駕駛?cè)藛T、試驗車輛及其他準備事項,除去為了測試設(shè)備是否正常運行的2次實地試驗,可使用的試驗數(shù)據(jù)總共有先后7次。另外,試驗均選擇天氣及道路交通條件良好的白天進行。

2 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛經(jīng)驗對跟車距離的影響

穩(wěn)定跟車狀態(tài)是指車輛在進行跟車行為時,在一定的時間內(nèi)保持恒定的行駛狀態(tài),是交通流中最常見、占據(jù)時間比例最大的一種交通狀態(tài),影響到交通流的整體運行狀況,對交通流的影響至關(guān)重要[11]。判斷穩(wěn)定跟車狀態(tài)的方法一般有兩種:一種是定義速度差Δv=0時為穩(wěn)定跟車狀態(tài)。另一種定義方法以加速度為判斷標準。Ozaki[12]定義車輛加/減速度在±0.5 m/s2內(nèi)的行駛狀態(tài)為穩(wěn)定跟車狀態(tài),而Sultan[13]確定的加/減速標準為±0.6 m/s2。張智勇[14]根據(jù)試驗采集的數(shù)據(jù)利用聚類分析法將跟車過程分為加速啟動、穩(wěn)定跟車和減速停車三個部分,結(jié)果表明加/減速度在[-0.677 m/s2,0.533 m/s2]為穩(wěn)定跟車狀態(tài),這一結(jié)果與Ozaki和Sultan的結(jié)果比較接近。考慮到駕駛員對速度的判斷誤差和駕駛操作的不穩(wěn)定性,本文將加/減速度在[0.6 m/s2,-0.6 m/s2]時的跟車行為定義為穩(wěn)定跟車狀態(tài),選取符合加/減速度特征的跟車數(shù)據(jù),如圖1所示。

圖1 符合穩(wěn)定跟車條件的加速度

2.1 跟車距離統(tǒng)計分析

由于試驗道路在烏魯木齊市河灘快速路進行,小型汽車限速100 km/h,兩類駕駛員在不同跟車速度下跟車距離反應(yīng)的規(guī)律大致相同,故選取跟車速度為80 km/h的跟車距離作為試驗分析數(shù)據(jù),跟車距離統(tǒng)計描述及箱形圖如表2、圖2所示。

表2 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離統(tǒng)計表

由表2可知,無經(jīng)驗駕駛員跟車距離的均值最大最小值均比有經(jīng)驗駕駛員要高。由圖2跟車距離箱形圖來看,無經(jīng)驗駕駛員的跟車距離普遍比有經(jīng)驗駕駛員高,這與無經(jīng)驗駕駛員駕駛技能不熟練、心理素質(zhì)差等因素有關(guān),符合駕駛員個人特性。

圖2 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離箱形圖

2.2 相關(guān)性分析

由于駕駛里程是衡量駕駛經(jīng)驗的重要指標,駕駛里程越長相應(yīng)的駕駛經(jīng)驗也越豐富,為定性分析穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛經(jīng)驗對跟車距離的影響,將每位駕駛員的跟車距離均值列出,并與累計行駛里程進行顯著性檢驗,檢驗結(jié)果如表3所示。

表3 駕駛里程與跟車距離相關(guān)性分析

由表3相關(guān)性分析結(jié)果可知:在置信度(雙側(cè))為0.01時,駕駛里程與跟車距離的相關(guān)性非常顯著,相關(guān)系數(shù)顯著不為0(Pr=0.00<0.05,且相關(guān)系數(shù)-0.626為負值,說明駕駛里程與跟車距離存在負相關(guān)關(guān)系,即駕駛里程越長,跟車距離越小,駕駛里程越短,跟車距離越大。

2.3 跟車距離分布函數(shù)

考慮到樣本中少量噪聲點對檢驗結(jié)果產(chǎn)生影響,本文采用隨機抽樣的方法。每次隨機抽取100個樣本,重復抽取100次,并對每次抽取的樣本數(shù)據(jù)進行擬合和檢驗,從而得到穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離分布函數(shù)的參數(shù)擬合如表4所示。

由表4可知,擬合得到的Gamma分布函數(shù)的參數(shù)變異系數(shù)范圍為[0.1,0.3],而對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的參數(shù)變異系數(shù)范圍為[0.03,0.09],對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)的參數(shù)變異系數(shù)在10-2等級,遠遠低于Gamma分布函數(shù),故對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)更能符合穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離的分布規(guī)律。穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離的頻數(shù)分布圖如圖3所示。

表4 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離分布函數(shù)擬合

圖3 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下跟車距離頻率統(tǒng)計圖

由圖3可知無經(jīng)驗駕駛員跟車距離主要分布在55~75 m,有經(jīng)驗駕駛員則主要分布在45~65 m,無經(jīng)驗駕駛員頻數(shù)峰值最高的跟車距離要高于有經(jīng)驗駕駛員。根據(jù)隨機抽樣的方法得知,對數(shù)分布函數(shù)能很好地反映穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛員的跟車距離特性,故無經(jīng)驗駕駛員和有經(jīng)驗駕駛員分別服從lnN(2.985,0.828)和lnN(2.874,0.954)的對數(shù)正態(tài)分布,密度函數(shù)如式1、式2所示。

(1)

(2)

綜合以上分析可知駕駛經(jīng)驗對跟車距離有以下影響作用:穩(wěn)定跟車狀態(tài)下,無經(jīng)驗駕駛員的跟車距離普遍比有經(jīng)驗駕駛員高;駕駛里程與跟車距離有著明顯的相關(guān)性,且相關(guān)系數(shù)為負值,說明駕駛里程越短跟車距離越大,駕駛里程越長跟車距離越小。

3 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛經(jīng)驗對車頭時距的影響

3.1 車頭時距統(tǒng)計分析

穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時距的定義為跟車距離與跟隨車(試驗車)速度的比值[15],如式3所示。在穩(wěn)定的交通流中,駕駛員完成相關(guān)反應(yīng)和操作是以車頭時距為控制要素的,而反應(yīng)能力和操作能力與駕駛員的個人經(jīng)驗密切相關(guān),故研究駕駛經(jīng)驗對車頭時距的影響,能更好地理解跟車過程中駕駛員個人特性與跟車行為的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(3)

式中:ht為t時刻駕駛員的車頭時距;Δx(t)為t時刻前導車與跟隨車相對距離;v(n+1)(t)為t時刻跟隨車的瞬時速度。

由于速度過低時影響駕駛員跟車行為的因素增多,以此為衡量駕駛員反應(yīng)能力和操作能力存在較大誤差,而速度過高車頭時距過小,跟車行為特征減弱,根據(jù)車頭時距的定義,選取跟車速度為20 km/h~80 km/h的車頭時距作為試驗分析數(shù)據(jù),車頭時距統(tǒng)計描述及箱形圖如表5、圖4所示。

由表5可知,無經(jīng)驗駕駛員車頭時距的均值及最大值比有經(jīng)驗駕駛員要高,最小值相同。由圖4可看出,無經(jīng)驗駕駛員的車頭時距普遍比有經(jīng)驗駕駛員高,說明無經(jīng)驗駕駛員為了自身行車安全會對前導車的排斥性更強,且相對有經(jīng)驗駕駛員會保持較大車頭時距,符合駕駛員個人特性。

3.2 相關(guān)性分析

同樣,為了進一步分析穩(wěn)定跟車狀態(tài)下駕駛經(jīng)驗對車頭時距的影響,將累計行駛里程與車頭時距進行顯著性檢驗,檢驗結(jié)果如表6所示。

表5 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時距統(tǒng)計描述

圖4 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時距圖

車頭時距駕駛里程車頭時距Pearson相關(guān)性1-0.281顯著性(雙側(cè))0.000.039N5656駕駛里程Pearson相關(guān)性-0.5311顯著性(雙側(cè))0.0390.00N5656

由表6可知,置信度(雙側(cè))為0.01時,駕駛里程與車頭時距的相關(guān)性較顯著,相關(guān)系數(shù)顯著不為0(Pr=0.039<0.05),且相關(guān)系數(shù)為負值-0.281,說明駕駛里程與車頭時距存在負相關(guān)關(guān)系,即駕駛里程越長,車頭時距越小,駕駛里程越短,車頭時距越大。

3.3 車頭時距分布函數(shù)

同樣對所有車頭時距數(shù)據(jù)進行簡單隨機抽樣,每次隨機抽取100個樣本,重復抽取100次,對每次抽取的樣本數(shù)據(jù)進行擬合和檢驗,將所有抽取到的跟車距離的平均值作為擬合參數(shù),得到穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時距頻率分布如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定跟車狀態(tài)下車頭時距頻率統(tǒng)計圖

由圖5可知無經(jīng)驗駕駛員的車頭時距集中在5.6 s~6.2 s,有經(jīng)驗駕駛員則在5.4 s~6.0 s。圖5顯示的頻率曲線分布規(guī)律類似于正態(tài)分布,并對該分布進行檢驗。利用矩估計法計算無經(jīng)驗駕駛員的期望值μ=6.062,標準差σ=0.349;有經(jīng)驗駕駛員的期望值μ=5.900,標準差σ=0.250。對擬合后的模型進行假設(shè)檢驗:H0:假設(shè)車頭時距服從參數(shù)為[μ,σ]的正態(tài)分布;H1:假設(shè)不服從參數(shù)為[μ,σ]的正態(tài)分布。分別進行單樣本的K-S檢驗得無經(jīng)驗駕駛員檢驗值車頭時距p=0.585,有經(jīng)驗駕駛員反應(yīng)時間p=0.328,故兩類駕駛員反應(yīng)時間均接受原假設(shè)H0(0.05的顯著水平下)。

為了進一步驗證H0的假設(shè),通過Q~Q圖進行檢驗,如圖6所示。

綜合K-S檢驗的值和圖6可知,擬合的正態(tài)分布模型與實測數(shù)據(jù)有較好的匹配度,故無經(jīng)驗駕駛員和有經(jīng)驗駕駛員的車頭時距分別服從N(6.092,0.349)和N(5.900,0.250)的正態(tài)分布,密度函數(shù)表達式如式4、式5所示。

(4)

(5)

圖6 車頭時距Q~Q圖分布檢驗

綜合以上分析可知駕駛經(jīng)驗對車頭時距有以下影響:穩(wěn)定跟車狀態(tài)下,無經(jīng)驗駕駛員的車頭時距普遍比有經(jīng)驗駕駛員高;駕駛里程與車頭時距有著明顯的相關(guān)性,且相關(guān)系數(shù)為負值,說明駕駛里程越短車頭時距越大,駕駛里程越長時間將越小。

4 結(jié)束語

本文在特定的交通環(huán)境下,利用車載激光雷達設(shè)備分析了穩(wěn)定跟車狀態(tài)下有無經(jīng)驗駕駛員跟車行為特性,研究結(jié)果表明穩(wěn)定跟車狀態(tài)下,無經(jīng)驗駕駛員的跟車距離普遍比有經(jīng)驗駕駛員高,駕駛員的累計駕駛里程與跟車距離有顯著的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為負值,說明隨著累計駕駛里程的增加跟車距離隨之減??;無經(jīng)驗駕駛員的車頭時距也普遍比有經(jīng)驗駕駛員高,駕駛員的累計駕駛里程與車頭時距有顯著的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)亦為負值,說明隨著累計駕駛里程的增加車頭時距隨之減小。探究駕駛經(jīng)驗對穩(wěn)定跟車行為影響可了解不同駕駛員的跟車行為差異,從而能有針對性地對無經(jīng)驗駕駛員進行反應(yīng)能力訓練,提高其在實際道路上的應(yīng)急水平,進而提高行車安全性。

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