龍科軍，張燕，鄒志云，谷健，郝威

(1.長沙理工大學，a.智能道路與車路協(xié)同湖南省重點實驗室，b.交通運輸工程學院，長沙410114；2.華中科技大學，土木工程與力學學院，武漢430074)

0 引言

城市道路交叉口匯集了機動車、非機動車和行人等交通流，這種混合交通特性影響交叉口的運行安全與效率[1]。近年來，交通沖突技術(shù)作為機動車安全評價的替代方法得到廣泛應(yīng)用，如何針對機非沖突特征，提出科學的機非沖突判別方法，對改善交叉口安全具有重要意義。

交通沖突判別方法有兩種：其一，以是否發(fā)生避險行為作為評判標準，基于機動車的減速與轉(zhuǎn)向行為來判別[2]，該方法缺陷在于避險行為不易觀察；其二，以空間或時間上的接近程度作為判別依據(jù)，包括距離碰撞時間(TTC)、后侵入時間(PET)等[3]。TTC為沖突判別的常用方法之一，國際上采用2.0 s作為判別沖突的依據(jù)，國內(nèi)學者利用85%累計頻率法得到?jīng)_突界定標準為TTC小于1.6 s[4]。TTC法適用于具有相同運行軌跡的沖突，如追尾沖突，用于交叉沖突時準確性降低。TTC 法的標準是沖突雙方在同一時刻到達沖突點，因?qū)_突的定義過于精確，會漏掉一些高風險沖突，比如：沖突雙方先后通過沖突點，但是時間差非常短，按照TTC 標準此次事件不是沖突，而實際情形下，該類事件非常危險，應(yīng)該被判斷為一次沖突。PET 是兩個交通參與者通過一個公共區(qū)域的時間差，適用于軌跡相交的沖突，但該方法只能用于沖突發(fā)生后評價。此外，王玉全[5]建立了定量判別的機非沖突數(shù)學模型；郭偉偉[6]提出了基于臨界沖突區(qū)域的沖突判別模型，但實際沖突過程中，臨界沖突區(qū)域會隨機動車速度、角度實時變化，導(dǎo)致臨界沖突區(qū)域難以確定。

實際的交叉口內(nèi)，非機動車穩(wěn)定性差，運行軌跡隨機多變，剎車和減速行為識別極其困難，故與車-車沖突相比，機非沖突具有難評估、后果不對等的特性，傳統(tǒng)的車-車沖突判別模型難以滿足機非沖突的分析與評估。本文選擇典型信號交叉口采集運行視頻，應(yīng)用軌跡追蹤軟件提取機動車和非機動車的軌跡與運行數(shù)據(jù)，總結(jié)機非沖突特征，提出符合機非沖突原理和特征的判別方法。

本文采集高頻車輛軌跡數(shù)據(jù)，結(jié)合機非沖突的時空分析，確定合理的沖突判別指標與標準，提出一種改進的TTC沖突判別模型，為道路交叉口機非沖突自動判別提供理論方法。研究成果可應(yīng)用于交叉口機非沖突安全預(yù)警、改善設(shè)計和交通管理等。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

選擇長沙市4 個機非沖突較為突出的信號交叉口，在天氣良好、無風條件的工作日早晚高峰進行俯視拍攝。考慮到信號交叉口機非沖突主要發(fā)生在右轉(zhuǎn)機動車和直行非機動車之間，故僅采集右轉(zhuǎn)機動車與直行非機動車間的沖突數(shù)據(jù)。

1.2 機非沖突定義

提取機非沖突樣本的首要任務(wù)是明確機非沖突的定義，多數(shù)研究中，將其定義為“兩個或兩個以上的道路使用者在空間和時間上互相接近的可觀察情況下，如果它們運動保持不變，就有發(fā)生碰撞的危險”[7]，同理，本文以機動車與非機動車是否具有發(fā)生碰撞風險作為機非沖突判別的定性標準。

1.3 機非沖突樣本提取方法

由于不同駕駛員和騎行者對風險的理解、風險應(yīng)對行為存在差異，一次機非沖突中，可能會產(chǎn)生兩種不同的操作行為，即采取避險措施和無避險措施。采取避險行為的機非沖突，機動車與非機動車相互接近且有發(fā)生碰撞的可能時，其中一方或雙方采取制動、轉(zhuǎn)向等避險行為；無避險行為的機非沖突，機非雙方在行駛過程中有碰撞的危險，但沒有或無法發(fā)現(xiàn)兩者采取明顯的剎車、換道等避險行為。

針對兩類沖突樣本采用不同方法提取其特征參數(shù)：有避險行為沖突樣本，以避險行為引起的車輛運動速度或方向改變的瞬間位置，作為沖突測量的基點，分別提取速度、位置、加速度等數(shù)據(jù)；無避險行為沖突樣本，按照當前速度，以距離潛在沖突點時間2 s 作為沖突測量的基點。圖1為沖突樣本提取示意圖。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用軌跡追蹤軟件獲取機動車和非機動車軌跡如圖2所示，共采集254 組樣本，其中，避險行為機非沖突樣本170組，無避險行為樣本84組。對軌跡數(shù)據(jù)進行平滑處理，提取數(shù)據(jù)如表1所示，包括沖突速度(機非沖突發(fā)生時雙方的瞬時速度)，沖突角度(雙方行駛方向所成夾角)，沖突距離(沖突發(fā)生時雙方的距離)，t1、t2(機動車與非機動車到達沖突點的時間)。

2 機非沖突特征

以沖突樣本數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：沖突發(fā)生時，機動車與非機動車速度較小，平均速度分別為3.05 m·s-1和3.46 m·s-1；右轉(zhuǎn)機動車與直行非機動車以追尾沖突為主，沖突角度平均值為36.8°；機非沖突的避險行為以減速為主，170 組避險行為沖突樣本中，轉(zhuǎn)向行為僅5 起，減速行為165 起，且減速度值較小，均值分別為機動車-1.04 m·s-2，非機動車-1.01 m·s-2；在有避險行為沖突樣本中，機動車與非機動車到達沖突點時間t1、t2的85%位值都等于2.0 s，這與傳統(tǒng)的TTC法是一致的。詳細的統(tǒng)計結(jié)果如表2～表5所示，其中，表2和表3樣本量為254起，表4和表5樣本量為165起。

圖1 機非沖突測量基點Fig.1 Measurement base point of vehicle-non-motor-vehicle traffic conflict

圖2 機非沖突軌跡示意圖Fig.2 Schematic diagram of vehicle-non-motor-vehicle traffic conflict trajectory

應(yīng)用軌跡數(shù)據(jù)進一步分析機非沖突下避險行為特征，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)機動車/非機動車到達沖突點前有4種情形：無避險行為、機動車減速、非機動車減速和兩者同時減速。當機動車先到達沖突點時，非機動車減速是主要避險行為，占57%(54起)；非機動車先到達沖突點時，無避險行為的比例最高，占40%(58 起)，機動車減速占38%(56起)；在機非沖突中，同時減速的情況較少，分別占13%(12 起)、9%(13 起)。避險行為統(tǒng)計結(jié)果表明：機非沖突中，因非機動車行駛靈活、軌跡路徑不可測，加之交叉口內(nèi)機非速度都較慢，避險行為具有較大的離散性。

表1 機非沖突樣本數(shù)據(jù)示例Table 1 Samples of vehicle-non-motor-vehicle traffic conflict data

表2 沖突速度統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistical results of conflict speed

表3 沖突角度與距離統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistical results of conflict angle and distance

表4 減速度統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistical results of deceleration

表5 t1、t2 統(tǒng)計結(jié)果Table 5 Statistical results of t1、t2

圖3 避險行為統(tǒng)計Fig.3 Statistics of risk aversion behavior

3 機非沖突判別方法

3.1 評價指標

(1)問題提出

目前，最常用的交通沖突評價指標TTC 是指沖突雙方維持目前速度和軌跡行駛，兩者行駛到碰撞點的時間，僅當兩者同時到達沖突點時被判為一起沖突，顯然，該方法理論上正確但與實際不符。當交通參與者以當前軌跡行駛，且以很小時間間隔先后通過沖突空間，此時，兩者的運動狀態(tài)相互影響，碰撞的風險較大，速度和軌跡的微小變化都將引發(fā)碰撞，故這種情況應(yīng)被判定為高風險。相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，當駕駛員以很短的時間間隔錯過對方的情況下，即使沒有碰撞過程，駕駛員還是感覺到并表現(xiàn)出像在碰撞過程中[8]，應(yīng)該將其看作一次沖突。然而，按照TTC 法，此次事件不能被判定為一起沖突，這說明經(jīng)典TTC 法不足以檢測所有潛在的危險情況。

由此，本文提出一種改進型TTC的機非沖突判別方法，將機非沖突定義為在道路空間、時間內(nèi)機動車與非機動車相互接近，交通參與者按照當前速度與軌跡行駛，到達沖突點的時間差小于閾值并且距離碰撞點的最大時間小于閾值的交通事件。

(2)評價指標

改進型TTC法包括兩個評價指標：沖突時間差TDTC(Time Difference To Collision)和距離碰撞最大時間MTTC(Maximum Time To Collision)。

TDTC 為某個時刻交通參與者按照當前速度和軌跡行駛，前車與后車到達沖突點的時間差[9]。如圖4所示，機動車與非機動車分別以速度v1、v2駛?cè)霙_突點，考慮到非機動車體積小，運行靈活，其尺寸大小對沖突判定的影響較小，可以忽略；機動車體積大，通過沖突點需要一定時間間隔，必須考慮機動車長度對沖突的影響，TDTC計算公式為

式中：d1為機動車到達潛在沖突點的距離；d2為非機動車到達沖突點的距離；l為機動車車長；v1為機動車瞬時速度；v2為非機動車瞬時車速；α為運行速度夾角。

圖4 機非沖突示意圖Fig.4 Diagram of vehicle-non-motor traffic conflict

MTTC 為沖突雙方維持目前的速度和軌跡行駛，到?jīng)_突點所需時間的最大值。MTTC作為評估碰撞接近度的指標，選擇兩者距離沖突點最大時間，因為第2 個到達沖突點更加安全。MTTC 計算公式為

3.2 沖突時間差TDTC與避險行為相關(guān)性分析

為獲得機非沖突判別指標TDTC的閾值，先對TDTC 與避險行為進行相關(guān)性分析。統(tǒng)計得到不同TDTC 下避險行為情況，如表6所示。當非機動車先到達沖突點，TDTC為0.0～1.0 s時，非機動車避險占10%(15 起)，機動車避險占37.7%(55 起)，同時減速占9%(13 起)，無避險行為占43%(63 起)；當機動車先到達沖突點，TDTC為0.0～0.8 s時，非機動車避險占58%(55起)，機動車避險占7%(7起)，同時減速占13%(12起)，無避險行為占22%(21起)。

表6 避險行為分析Table 6 Risk aversion behavior analysis table

由表6得出，在TDTC 較小時，通行權(quán)不明確，此時發(fā)生碰撞的可能性較大，沖突雙方會采取不合理的避險行為；隨著TDTC 增大，通行權(quán)界限逐漸清晰，車輛避險行為減?。划擳DTC足夠大時，一方到達沖突點的時間明顯早于另一方，晚到的一方會采取剎車或者躲避行為；當TDTC大于1 s時，車輛能選擇正確的方式通過交叉口，且不需要采取避險行為。

3.3 機非沖突定量判別

上述避險行為統(tǒng)計表明，TDTC 能夠表達碰撞發(fā)生可能性，TDTC 越小，發(fā)生碰撞的概率越大。文獻[9]中TDTC取0.66 s作為機非“嚴重沖突”的判別標準，本文應(yīng)用244 組機非沖突樣本的TDTC 數(shù)據(jù)，得到TDTC的累計分布如圖5所示，發(fā)現(xiàn)頻率曲線在85%出現(xiàn)“拐點”，參考文獻[4]，選取85%位累積頻率對應(yīng)的TDTC 作為機非沖突界定值，得到TDTC的閾值為1.1 s。

圖5 機非沖突樣本TDTC(沖突時間差)累計頻率圖Fig.5 Cumulative distribution of TDTC of vehicle-non-motor traffic conflict samples

TDTC 僅為發(fā)生碰撞可能性的一個方面，碰撞風險還與距離沖突點時間有關(guān)，選擇MTTC為另一個機非沖突判別指標。針對165 組有避險行為的沖突樣本進行統(tǒng)計分析，MTTC 統(tǒng)計結(jié)果如表7所示，均值為1.53 s，85%位值為2.2 s。選取85%作為機非沖突界限值，MTTC的閾值為2.2 s。

表7 MTTC統(tǒng)計結(jié)果Table 7 MTTC statistical results (s)

綜上，得到改進型TTC的機非沖突定量判別標準：某時刻，機動車與非機動車以當前速度和軌跡行駛，到達沖突點的時間差TDTC 小于1.1 s，且兩者到達碰撞點的最大時間MTTC小于2.2 s。

3.4 模型檢驗

以某交叉口為例，分別應(yīng)用PET、TTC、改進型TTC 進行機非沖突評估，其中，PET 通過軌跡數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。

考慮到機動車長度，TTC計算方法為

根據(jù)采集的254 組機非沖突樣本，對PET 與TTC進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表8所示，PET的85%值為1.5 s，將該值作為機非沖突判別的閾值，結(jié)果與Archer等[10]研究一致，表明本文機非沖突判別方法是有效的。同理，應(yīng)用TTC 法得到有效樣本數(shù)78組，TTC的85%值為2.2 s作為沖突判別臨界值。

表8 沖突指標統(tǒng)計結(jié)果Table 8 Statistical results of conflict indicators

為檢驗改進型TTC法的準確性，采集某信號交叉口運行軌跡，分別應(yīng)用TTC 法、改進型TTC 法、PET 法和樣本提取法進行機非沖突判別，其中“樣本提取法”為本文1.2 節(jié)中所述的機非沖突樣本提取方法，可以視為機非沖突的實際值，評價結(jié)果如表9所示。TTC 法得到的機非沖突次數(shù)僅為7 起，明顯小于另外3種方法，這與前文中關(guān)于TTC的表述一致，進一步證實了TTC 的缺陷。改進型TTC法(22 起)、PET 法(24 起)與樣本提取法(實際值25起)結(jié)果非常接近，證明改進型TTC 和PET 法能準確評估機非沖突。

表9 不同沖突度量指標判別結(jié)果Table 9 Evaluating results of different conflict metrics

4 結(jié)論

機非沖突特征分析表明，信號交叉口內(nèi)沖突過程中，駕駛?cè)丝赡懿扇”茈U行為或無避險行為，可能的避險行為有減速和轉(zhuǎn)向，且減速度相對較小。因此，單純以避險行為作為機非沖突判別的唯一依據(jù)存在缺陷，PET法對采取轉(zhuǎn)向規(guī)避沖突的車輛不能識別。

本文應(yīng)用高頻、連續(xù)車輛軌跡數(shù)據(jù)，考慮機非沖突具有難評估、后果不對等的特性，結(jié)合分析機非沖突特征與現(xiàn)有沖突判別方法的不足，提出一種面向機非沖突判別的改進型TTC法，該方法引入了沖突時間差TDTC 和距離碰撞最大時間MTTC 兩個指標定量判別機非沖突，應(yīng)用機非沖突樣本數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到各指標的判別閾值。

應(yīng)用TTC 法、改進型TTC 法、PET 法評估某實例交叉口，分別得到機非沖突數(shù)量。結(jié)果表明：TTC 法得到的沖突數(shù)量偏小，這與其方法缺陷相關(guān)；改進后的TTC 模型得到優(yōu)化，評估準確率比TTC 法提高了2.14 倍；改進型TTC 模型與PET 法和實際的機非沖突水平保持一致，證明了本研究的正確性。