余榮杰, 龍曉捷, 涂穎菲, 李 健
(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201804;2.上海國際汽車城(集團(tuán))有限公司,上海 201805)
近年來,在國務(wù)院《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+ ”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》推動(dòng)下,共享經(jīng)濟(jì)在我國蓬勃發(fā)展,成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力.2017年我國共享經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)51 365億,參與共享經(jīng)濟(jì)活動(dòng)總?cè)藬?shù)達(dá)7億[1],交通運(yùn)輸是共享經(jīng)濟(jì)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一.以汽車分時(shí)租賃為例,該共享經(jīng)濟(jì)理念于2010年起在中國發(fā)展[2].分時(shí)租賃為駕駛?cè)颂峁┝烁鼮榻?jīng)濟(jì)、靈活的用車可行性,降低了機(jī)動(dòng)化出行門檻.
當(dāng)前我國汽車分時(shí)租賃用戶以年輕駕駛?cè)藶橹鳎渲懈咝W(xué)生群體約占20%[2].由于分時(shí)租賃用戶駕駛經(jīng)驗(yàn)不足,駕駛習(xí)慣具有相當(dāng)大的不確定性,增加了道路交通的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),也對(duì)運(yùn)營企業(yè)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理提出了挑戰(zhàn),因此亟需對(duì)分時(shí)租賃用戶的駕駛行為進(jìn)行深入研究.通過對(duì)駕駛?cè)后w進(jìn)行風(fēng)格分類來識(shí)別潛在高風(fēng)險(xiǎn)駕駛?cè)?,并利用駕駛安全輔助系統(tǒng)(ADAS)、UBI(usage based insurance)等方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理,可降低分時(shí)租賃企業(yè)運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn).
駕駛風(fēng)格是表征駕駛?cè)斯逃旭{駛方式的整體性評(píng)價(jià)指標(biāo)[3].相關(guān)研究主要從節(jié)能駕駛、交通安全等角度,將駕駛?cè)藙澐譃閮深?激進(jìn)、溫和[4-8])或三類(激進(jìn)、溫和、謹(jǐn)慎[9-11]).既有研究表明,駕駛?cè)说鸟{駛風(fēng)格與交通安全密切關(guān)聯(lián),激進(jìn)駕駛風(fēng)格駕駛?cè)舜嬖陬l繁換道、急加減速、近距離跟馳等不良駕駛行為,易增加事故發(fā)生概率[12].
駕駛風(fēng)格研究主要基于主觀問卷調(diào)查[13]、駕駛模擬[8,10]、自然駕駛[4-5,8,13-17]等方法獲取數(shù)據(jù),并以高精度駕駛行為數(shù)據(jù)為主,如采集頻率為1 Hz[4,13]、10 Hz[5,15-16]的高頻衛(wèi)星定位(GPS)軌跡數(shù)據(jù).然而,汽車分時(shí)租賃企業(yè)采集的軌跡數(shù)據(jù)以車輛定位為目的,主要是低頻軌跡數(shù)據(jù)(GPS采集間隔為30~120 s).如何基于低頻軌跡數(shù)據(jù)特征,構(gòu)建駕駛風(fēng)格評(píng)估指標(biāo)并開展駕駛風(fēng)格分類仍待研究.
本研究基于汽車分時(shí)租賃企業(yè)的低頻軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行駕駛行為的辨識(shí)與特征提取,采用聚類算法對(duì)分時(shí)租賃用戶的駕駛風(fēng)格進(jìn)行劃分,并開展不同駕駛風(fēng)格駕駛?cè)说奶卣鞣治?
駕駛風(fēng)格評(píng)估的核心在于駕駛行為多維特征提取和分類模型的應(yīng)用.本節(jié)將從駕駛風(fēng)格特征指標(biāo)與評(píng)估歸類方法兩方面對(duì)既有研究進(jìn)行探討.
既有研究的駕駛風(fēng)格特征指標(biāo)可歸類為宏、中、微觀駕駛行為特征,常用指標(biāo)如表1所示.
表1 常用駕駛風(fēng)格特征指標(biāo)
由表1可知,多數(shù)研究基于加減速、跟馳等微觀駕駛行為進(jìn)行駕駛風(fēng)格評(píng)估.然而,微觀駕駛行為特征指標(biāo)的獲取依賴高精度軌跡數(shù)據(jù)或視頻數(shù)據(jù).面向海量用戶,汽車分時(shí)租賃企業(yè)采集的低頻軌跡數(shù)據(jù)不適用于此類微觀駕駛行為特征提取的開展.
在宏、中觀層面開展的駕駛風(fēng)格特征研究主要采用速度相關(guān)指標(biāo).宏觀層面主要關(guān)注平均速度和速度標(biāo)準(zhǔn)差,常以加速度、急加減速次數(shù)等微觀特征和超速行駛時(shí)間比例等中觀特征共同作為駕駛風(fēng)格評(píng)估依據(jù)[14,18].中觀層面的駕駛風(fēng)格特征研究常采用高速行駛或超速行為特征.Constantinescu等[14]、孫川等[18]認(rèn)為車速超過60 km·h-1和限速的80%時(shí)駕駛?cè)司邆涑賰A向,并將超過上述速度閾值的行駛時(shí)間比例作為駕駛風(fēng)格評(píng)估指標(biāo).高巖[19]將速度80~120 km·h-1和大于120 km·h-1的行駛時(shí)間比例納入駕駛風(fēng)格評(píng)估指標(biāo)體系.Feng等[5]定義相對(duì)超速時(shí)間比例為速度大于所有樣本駕駛?cè)诉\(yùn)行速度99分位的行駛時(shí)間與交通通暢狀態(tài)下正常速度行駛時(shí)間的比值,以此為依據(jù)劃分駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格,此方法排除了路況等因素造成相對(duì)低速行駛而無法反映駕駛?cè)苏鎸?shí)風(fēng)格的情況,可更準(zhǔn)確地判斷駕駛行為是否激進(jìn).
綜上,針對(duì)低頻軌跡數(shù)據(jù)特點(diǎn),本研究將關(guān)注租賃用戶的超速行為及其特征指標(biāo).
駕駛風(fēng)格評(píng)估方法可分為四類:基于規(guī)則的分類模型、監(jiān)督學(xué)習(xí)模型、非監(jiān)督學(xué)習(xí)模型和半監(jiān)督學(xué)習(xí)模型[26].
基于規(guī)則的分類模型通過指定閾值對(duì)駕駛風(fēng)格進(jìn)行判定[5,10,17],其難點(diǎn)為特征指標(biāo)閾值的確定.監(jiān)督學(xué)習(xí)模型在駕駛風(fēng)格評(píng)估時(shí)應(yīng)用廣泛,主要包括隨機(jī)森林[27]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11,27]、支持向量機(jī)[19]等,該類方法難點(diǎn)在于訓(xùn)練數(shù)據(jù)中駕駛?cè)孙L(fēng)格的標(biāo)定.
由于駕駛風(fēng)格是一個(gè)相對(duì)的概念,通常情況下缺乏先驗(yàn)知識(shí),難以進(jìn)行人工標(biāo)注類別.因此,非監(jiān)督學(xué)習(xí)模型的類別自動(dòng)劃分功能對(duì)于駕駛風(fēng)格分析更為適用,研究人員常通過對(duì)模型結(jié)果的解讀實(shí)現(xiàn)對(duì)各風(fēng)格類別的標(biāo)注.常用非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法包括聚類算法[14,18,20]、隱狄利克雷(LDA)模型[15]等.其中,由于K-means聚類算法具有簡(jiǎn)單、快速的特點(diǎn),而且在處理大數(shù)據(jù)集時(shí)具有可伸縮性和高效性,因此在駕駛風(fēng)格研究中應(yīng)用廣泛.
本研究基于某分時(shí)租賃企業(yè)在上海市的運(yùn)營數(shù)據(jù)開展駕駛風(fēng)格評(píng)估.研究數(shù)據(jù)包括用戶特征、訂單信息、車輛GPS軌跡、總線通訊信息(CAN)四個(gè)數(shù)據(jù)集.分時(shí)租賃車輛為純電動(dòng)汽車,數(shù)據(jù)采集時(shí)段為2017年6月12日—18日,采樣間隔為30 s.
對(duì)采樣間隔30 s的低頻軌跡數(shù)據(jù)開展實(shí)際行車路徑還原可行性研究.由于篇幅限制,分析過程不做贅述.結(jié)果表明,低頻軌跡數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn):①對(duì)于城市快速路等高等級(jí)道路路徑識(shí)別準(zhǔn)確性高,而對(duì)于城市道路,尤其路網(wǎng)密集區(qū)域軌跡還原精度低;②對(duì)宏觀路徑識(shí)別效果較好,結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)可獲取道路類型等宏觀出行信息和限速遵守情況、運(yùn)行穩(wěn)定性等中觀運(yùn)行特征;③對(duì)微觀軌跡識(shí)別精度較低,無法支撐變道、基于加速度等微觀駕駛行為的研究.
因此,基于駕駛?cè)嗽诳焖俾飞系男旭傑壽E數(shù)據(jù)提取運(yùn)行特征以開展駕駛風(fēng)格評(píng)估.
開源路線規(guī)劃引擎[28](OSRM)是支持OpenStreetMap(OSM)的第三方庫,將路線規(guī)劃算法與OSM的開放道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)相結(jié)合,可將坐標(biāo)捕捉到街道網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)地圖匹配.利用如圖1所示基于OSRM的地圖匹配工具實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)與地理信息圖層數(shù)據(jù)的匹配.
圖1 OSRM地圖匹配分析工具
駕駛風(fēng)格是個(gè)體習(xí)慣性的駕駛方式,可靠的駕駛風(fēng)格分析需要建立在一定里程基礎(chǔ)上[12].結(jié)合出行特征,借鑒既有研究的駕駛里程篩選條件[5],對(duì)城市快速路行駛里程大于80 km的駕駛?cè)说男袨閿?shù)據(jù)開展分析,分析樣本包含235位駕駛?cè)?、累?jì)19 347.69 km的城市快速路駕駛數(shù)據(jù).
2.2.1駕駛風(fēng)格評(píng)估特征指標(biāo)說明
基于相對(duì)超速時(shí)間比例評(píng)估駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格.相對(duì)超速時(shí)間比例(T)定義為特定駕駛情境(指定道路類型和交通運(yùn)行通暢狀態(tài))下速度高于v1行駛時(shí)長(zhǎng)和速度高于v2行駛時(shí)長(zhǎng)的比值,即:
式中:T為相對(duì)超速時(shí)間比例;tv1為速度高于v1行駛時(shí)長(zhǎng);v1為樣本駕駛?cè)顺鞘锌焖俾返?9分位車速;tv2為速度高于v2行駛時(shí)長(zhǎng);v2為城市快速路自由流車速[29].v1、v2取值參考圖2和表2,v1=90 km·h-1,v2=73 km·h-1.
圖2 城市快速路速度累積頻率分布
運(yùn)行特征指標(biāo)取值/(km·h-1)限速80自由流車速[29]7399分位車速90
基于相對(duì)超速時(shí)間比例,提出以下兩個(gè)駕駛風(fēng)格評(píng)估變量:
(1)Tl.駕駛?cè)薼在城市快速路行駛的相對(duì)超速時(shí)間比例,表征駕駛?cè)说某賰A向,計(jì)算式如下所示:
式中:tv1,q、tv2,q分別為第q次出行速度高于v1、v2行駛時(shí)長(zhǎng);n為出行次數(shù);
(2)QTl.駕駛?cè)薼在城市快速路行駛的相對(duì)超速時(shí)間比例的變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值),表征駕駛?cè)讼鄬?duì)超速行為的穩(wěn)定性,即對(duì)于特定駕駛?cè)?,相?duì)超速是習(xí)慣性或偶發(fā)行為,計(jì)算式如下所示:
式中:Tlq為第q次出行的相對(duì)超速時(shí)間比例.
2.2.2駕駛風(fēng)格評(píng)估數(shù)據(jù)集形成
基于第2.1節(jié)中GPS數(shù)據(jù)與地圖匹配結(jié)果,完成對(duì)各駕駛?cè)顺鞘锌焖俾烦鲂泻婉{駛操作信息的計(jì)算和整理,形成如表3所示評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集.
表3 駕駛行為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集說明
MacQueen[30]提出的K-means算法是聚類技術(shù)中最簡(jiǎn)單且有效的方法之一,工作機(jī)理為:設(shè)有k個(gè)類,根據(jù)目標(biāo)函數(shù)最小化原則,計(jì)算各樣本和聚類中心之間的最小距離,將樣本分配給距離它最近的聚類中心,如此反復(fù)迭代至滿足目標(biāo)函數(shù)最小或保持不變.K-means聚類算法最小化目標(biāo)函數(shù)為
應(yīng)用K-means進(jìn)行聚類分析時(shí),聚類數(shù)需要事先給定.由Kaufman等[31]提出的輪廓系數(shù)可作為聚類有效性評(píng)價(jià)指標(biāo),以優(yōu)選聚類數(shù).某樣本點(diǎn)xj的輪廓系數(shù)定義為
式中:a(xj)是xj與同類其他樣本的平均距離,即內(nèi)聚度;b(xj)是xj與最近類中所有樣本的平均距離,即分離度.最近類的定義為
式中:p是某個(gè)類Ck中的樣本.利用xj到某個(gè)類所有樣本平均距離作為衡量該點(diǎn)到該類的距離后,選擇離xj最近的一個(gè)類作為最近類.
對(duì)于樣本數(shù)據(jù)的某次聚類,求出所有樣本的輪廓系數(shù)后取均值得到平均輪廓系數(shù)sk,sk∈[-1,1].類內(nèi)樣本距離越近,類間樣本距離越遠(yuǎn),則sk越大,聚類效果越好,sk最大時(shí)k即為最佳聚類數(shù).
采用K-means方法劃分駕駛風(fēng)格類別,基于輪廓系數(shù)計(jì)算結(jié)果得到最佳聚類數(shù)為3,s3=0.43.聚類結(jié)果如圖3、4及表4所示,依據(jù)相對(duì)超速時(shí)間比例和單次出行相對(duì)超速時(shí)間比例的變異系數(shù)將駕駛風(fēng)格劃分為謹(jǐn)慎、溫和、激進(jìn)三類,各風(fēng)格分別占樣本駕駛?cè)说?4.04%、36.60%、9.36%.各風(fēng)格的特點(diǎn)為:
(1) 謹(jǐn)慎.相對(duì)超速時(shí)間比例最低且單次出行相對(duì)超速時(shí)間比例變異系數(shù)較高,即超速傾向低,相對(duì)超速為偶發(fā)行為.
(2) 溫和.相對(duì)超速時(shí)間比例較低且單次出行相對(duì)超速時(shí)間比例變異系數(shù)較高,即超速傾向較低,相對(duì)超速為偶發(fā)行為.
(3) 激進(jìn).相對(duì)超速時(shí)間比例最高且單次出行相對(duì)超速時(shí)間比例變異系數(shù)較低,即超速傾向較高,相對(duì)超速在各次出行中較為穩(wěn)定地出現(xiàn).
圖3 聚類結(jié)果
圖4 各風(fēng)格駕駛?cè)讼鄬?duì)超速行為特征箱圖
Fig.4 Boxplots of relative speeding characteristics for different driving styles
表4 各風(fēng)格駕駛?cè)讼鄬?duì)超速行為特征描述統(tǒng)計(jì)
為進(jìn)一步探究各駕駛風(fēng)格的差異性,從個(gè)體特征、出行特征、車輛運(yùn)行特征(速度、車輛能耗)和違章記錄角度開展了各駕駛風(fēng)格的特征差異分析.如表5所示的方差分析結(jié)果表明,不同駕駛風(fēng)格的租賃用戶在個(gè)體、違章特征無顯著差異,但在車輛運(yùn)行特征和出行特征方面存在顯著差異.
表5 各風(fēng)格駕駛?cè)颂卣鞣讲罘治鼋Y(jié)果
Tab.5 ANOVA analysis of driver’s characteristics for different driving styles
駕駛?cè)颂卣魈卣髯兞縁值P值個(gè)體特征性別0.860.42年齡(分組)0.380.69出行特征單次出行平均行駛里程26.570.00*單次出行平均時(shí)長(zhǎng)28.890.00*高峰行駛時(shí)間比例7.420.00*夜間行駛時(shí)間比例1.960.14運(yùn)行特征平均速度26.880.00*速度變異系數(shù)3.150.04*車輛能耗效率90.280.00*違章特征違章次數(shù)0.160.86安全相關(guān)違章比例0.210.82
注:*表示在0.05水平下顯著.
個(gè)體特征方面,不同駕駛風(fēng)格在年齡和性別方面無顯著差異,但存在一定的趨勢(shì),如表6、7所示.18~25歲年輕駕駛?cè)酥袃H2.86%駕駛風(fēng)格激進(jìn),這可能與駕齡、駕駛經(jīng)驗(yàn)、技能等相關(guān),新手或駕駛經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足的年輕駕駛?cè)烁鼮橹?jǐn)慎;與其他年齡組相比,46~60歲謹(jǐn)慎駕駛?cè)吮壤畹停みM(jìn)駕駛?cè)吮壤罡?不同性別駕駛風(fēng)格構(gòu)成如表7所示.
表6 各年齡分組駕駛風(fēng)格構(gòu)成
表7 不同性別駕駛風(fēng)格構(gòu)成
違章特征方面,將違章分為與安全無關(guān)(違章停車)和與安全相關(guān)(超速、違反標(biāo)志標(biāo)線指示等)兩類.基于方差分析結(jié)果,不同駕駛風(fēng)格間近半年違章次數(shù)、安全相關(guān)違章比例均無顯著差異,然而具有一定趨勢(shì),即激進(jìn)駕駛?cè)诉`章次數(shù)高于溫和及謹(jǐn)慎駕駛?cè)?,如?所示.三種風(fēng)格駕駛?cè)说陌踩嚓P(guān)違章比例均高于上海市總體的69%[32].
表8 三種風(fēng)格駕駛?cè)诉`章特征
出行特征方面,不同駕駛風(fēng)格的單次出行里程、單次出行時(shí)長(zhǎng)和高峰行駛時(shí)間比例有顯著差異,由高到低依次為謹(jǐn)慎、溫和、激進(jìn),如圖5和表9所示.夜間行駛時(shí)間比例由高到低依次為激進(jìn)、溫和、謹(jǐn)慎,但三種風(fēng)格駕駛?cè)碎g不存在顯著差異.
表9 三種風(fēng)格駕駛?cè)顺鲂刑卣?/p>
車輛運(yùn)行特征方面,三種駕駛風(fēng)格間速度差異顯著.如圖6和表10所示,謹(jǐn)慎、溫和、激進(jìn)駕駛?cè)丝焖俾沸旭偲骄俣纫来卧龃?,這與聚類變量所表征的超速傾向是一致的,而激進(jìn)駕駛?cè)怂俣茸儺愊禂?shù)更低,保持速度穩(wěn)定的能力更強(qiáng).此處速度穩(wěn)定是相對(duì)駕駛?cè)俗陨硭俣人蕉?,如在相同的速度波?dòng)(速度標(biāo)準(zhǔn)差)情況下,平均速度更高的駕駛?cè)司哂凶儺愊禂?shù)更低、速度穩(wěn)定性更高的特點(diǎn).既有研究中,Chen等[33]發(fā)現(xiàn)速度中等或較高的駕駛?cè)丝v向速度波動(dòng)性更低,與本文結(jié)論相似.
車輛能耗特征方面,不同風(fēng)格駕駛?cè)藢?duì)應(yīng)的車輛平均能耗效率(即單位電量行駛里程均值)也存在顯著差異,如表11所示,謹(jǐn)慎、溫和、激進(jìn)駕駛?cè)说钠骄芎男室来紊?表12表征了不同風(fēng)格駕駛?cè)说奶卣鲗?duì)比.
圖6 速度特征箱圖
駕駛風(fēng)格平均速度/(km·h-1)速度變異系數(shù)/%謹(jǐn)慎58.2541.33溫和63.6142.40激進(jìn)78.4331.64
表11 三種風(fēng)格駕駛?cè)塑囕v能耗特征
表12 不同風(fēng)格駕駛?cè)颂卣鲗?duì)比
Tab.12 Comparison of driver characteristics between three driving styles
項(xiàng)目駕駛?cè)颂卣髡急戎?jǐn)慎54.04%,溫和36.60%,激進(jìn)9.36%個(gè)人特征①年齡、性別無顯著差異;②18~25歲年輕駕駛?cè)思みM(jìn)風(fēng)格比例最低違章特征①租賃用戶安全相關(guān)違章比例高于上海市總體;②激進(jìn)駕駛?cè)诉`章更多,但違章次數(shù)、安全相關(guān)違章比例無顯著差異出行特征①單次出行平均行駛里程和平均時(shí)長(zhǎng)由高到低依次為謹(jǐn)慎、溫和、激進(jìn);②高峰行駛時(shí)間比例由高到低依次為謹(jǐn)慎、溫和、激進(jìn);③夜間行駛時(shí)間比例由高到低依次為激進(jìn)、溫和、謹(jǐn)慎,但各風(fēng)格間無顯著差異車輛運(yùn)行特征①超速傾向和平均速度由高到低依次為激進(jìn)、溫和、謹(jǐn)慎;②激進(jìn)駕駛?cè)吮3炙俣确€(wěn)定能力最強(qiáng);③車輛能耗效率由高到低依次為激進(jìn)、溫和、謹(jǐn)慎
相對(duì)超速行為特征可作為駕駛風(fēng)格識(shí)別依據(jù),基于駕駛?cè)讼鄬?duì)超速時(shí)間比例和各次出行相對(duì)超速時(shí)間比例兩個(gè)特征變量,將駕駛風(fēng)格聚為謹(jǐn)慎、溫和、激進(jìn)三類,其中激進(jìn)駕駛?cè)苏紭颖究傮w的9.36%.
不同駕駛風(fēng)格在出行及運(yùn)行特征方面也具有差異性.對(duì)于出行特征,謹(jǐn)慎、溫和、激進(jìn)駕駛?cè)藛未纬鲂衅骄旭偫锍?、單次出行平均時(shí)長(zhǎng)和高峰行駛時(shí)間比例依次減少.對(duì)于車輛運(yùn)行特征,謹(jǐn)慎、溫和、激進(jìn)駕駛?cè)说某賰A向、運(yùn)行速度及車輛能耗效率依次升高.然而,駕駛風(fēng)格間個(gè)人特征(年齡、性別)及違章方面無統(tǒng)計(jì)上的顯著差異.
本研究?jī)H針對(duì)城市快速路駕駛行為,后續(xù)可考慮引入其他道路類型(高速公路、城市道路等)的運(yùn)行特征、出行特征等對(duì)駕駛風(fēng)格及風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更全面的評(píng)價(jià).此外,當(dāng)前對(duì)駕駛行為的研究仍停留在分析階段,對(duì)于駕駛風(fēng)格激進(jìn)的駕駛?cè)巳后w,可針對(duì)性制定安全教育項(xiàng)目或UBI方案等風(fēng)險(xiǎn)管理措施,以降低分時(shí)租賃企業(yè)運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn).
同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2019年9期