高速公路交通密度對駕駛員變道和超車動作的影響-基于駕駛模擬器的研究

Effectoftrafficdensityondrivers’lanechangeandovertakingmaneuversinfreewaysituation

Adrivingsimulator

basedstudy高速公路情況下交通密度對駕駛員變道和超車動作的影響—基于駕駛模擬器的研究介紹-變道變道和超車時常發(fā)生，是道路安全和交通效率至關(guān)重要的操作。如Senetal.(2003)的研究，大約9%的道路交通事故是由變道引起的，同時大約35%~50%的道路交通死亡與超車操作有直接關(guān)系。Huang(2002)發(fā)現(xiàn)換道率在低密度區(qū)域增加，在一定密度附近達(dá)到最大值，然后在高密度區(qū)域降低。LiandSun(2015)發(fā)現(xiàn)變道可以增加交通流量和平均車速，從而提高交通效率。Lavallièreetal.(2011)設(shè)計(jì)了一個模擬駕駛實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)變道過程中年齡對駕駛員視覺搜索策略的影響，結(jié)果表明老年駕駛員在變道時對后視鏡和盲點(diǎn)的視覺檢查頻率低于年輕駕駛員。Chenetal.(2015)提出了一種在100輛汽車自然駕駛研究中檢測變道事件的方法，發(fā)現(xiàn)駕駛員在40-50英里/小時的速度范圍內(nèi)最頻繁地變道。介紹-超車Bella(2011)研究了交通量對超車機(jī)動的影響，發(fā)現(xiàn)交通量對跟車距離、超車距離和碰撞時間有顯著影響。Jenkins&

Rilett(2004,2005)開發(fā)了一種交通模擬算法，發(fā)現(xiàn)面對卡車時的通行時間和距離明顯大于面對客車時的通行時間和距離。介紹-目的測試駕駛員在不同交通密度下的變道和超車操作。分分析討論了變道超車過程中反映駕駛行為的關(guān)鍵變量，如變道超車的頻率、持續(xù)時間、速度和加速度方法-儀器北京交通大學(xué)(BJTU)的高保真駕駛模擬器執(zhí)行該實(shí)驗(yàn)（Yangetal.,2017）。北京交通大學(xué)模擬器由具有真實(shí)操作界面的全尺寸車艙、環(huán)境音響與震動反饋模擬系統(tǒng)、車輛動態(tài)模擬系統(tǒng)和數(shù)字視頻回放系統(tǒng)組成。駕駛場景以300度視野投射在車廂周圍的五個屏幕上。方法-參與者本實(shí)驗(yàn)招募了29名參與者，其中24名參與者（18名男性，6名女性）完成了實(shí)驗(yàn)，5名因模擬暈車而被排除在外。參與者的平均年齡為28.92歲（S.D.=7.807）。每位參與者持有至少2年的有效駕駛執(zhí)照。他們的平均駕駛經(jīng)驗(yàn)為6.17年，平均每年行駛里程超過15,000公里。完成實(shí)驗(yàn)后，每位參與者將獲得人民幣300元的報酬。方法-場景設(shè)計(jì)雙向四車道高速公路場景。道路全長22公里，車道寬3.5m。道路線形的詳細(xì)尺寸如圖1所示。由于道路為兩車道和四車道，駕駛員可以根據(jù)自己的喜好從左側(cè)或右側(cè)進(jìn)行變道。道路限速80公里/小時。方法-場景設(shè)計(jì)本研究設(shè)計(jì)了三種交通密度，以模擬穩(wěn)定流條件下的三種不同服務(wù)水平(Level-of-Service,LOS)，

8veh/km（密度1-LOSB）12veh/km（密度2–LOSC)18veh/km（密度3-LOSD）自由交通流量和高交通流量條件未包括在研究中：自由交通流量（LOSA）下，車輛幾乎完全暢通無阻，駕駛員可能會進(jìn)行變道和超車操作隨機(jī)，不受周圍交通流量影響；高交通密度（LOSE或LOSF）下，駕駛員的變道或超車操作可能會被擁擠的交通流過度干預(yù)和約束場景的其他車輛平均速度在60公里/小時左右，因此駕駛員可以在限速下執(zhí)行超車操作。根據(jù)交通密度和運(yùn)行速度，三種交通密度條件下的交通量從大約480輛/小時到1080輛/小時不等。方法-實(shí)驗(yàn)程序?qū)嶒?yàn)前，向每位參與者簡要介紹了實(shí)驗(yàn)要求，并閱讀并簽署了知情同意書。然后要求參與者像在現(xiàn)實(shí)生活中一樣開車并遵守交通規(guī)則。每位參與者進(jìn)行了10分鐘的練習(xí)駕駛，以熟悉模擬器操作。實(shí)驗(yàn)過程中，每個參與者被分配在三種交通密度條件下分別沿著測試道路行駛3次。每個場景中每位參與者的駕駛時間約為20分鐘。交通密度條件的順序是隨機(jī)排列的，以消除時間順序的影響。方法-數(shù)據(jù)收集不同的研究對換道過程的識別，特別是換道操縱的起始點(diǎn)的識別各不相同。Leeetal.,

(2004)將車輛首次橫向移動作為車道變換啟動的點(diǎn)。Salvucci&

Liu(2002)使用參與者的車道變化報告作為口回答。在本研究中，換道開始于前輪到達(dá)車道線時，結(jié)束于整車進(jìn)入相鄰車道時，這與Hanowskiet

al.,(2000)的定義相似。至于超車過程，Hegemanetal.,(2007)定義超車在左前輪接觸中心線時開始，并在左后輪再次越過中心線時完成。在本研究中，超車持續(xù)時間定義為從車輛第一次橫向移動的那一刻開始，到車輛返回原車道（即整車進(jìn)入原車道）時結(jié)束。至于車輛沒有返回原車道而是繼續(xù)在相鄰車道行駛的情況，則認(rèn)定為單純的換道操作。方法-分析方法由于實(shí)驗(yàn)是重復(fù)測量設(shè)計(jì)，每個場景使用相同的受試者，因此使用單向重復(fù)測量方差分析來調(diào)查三種不同交通密度下的變道和超車行為是否存在差異。采用Bonferroni調(diào)整的事后檢驗(yàn)來識別三種密度條件之間的差異。當(dāng)ANOVA的假設(shè)（即沒有顯著的異常值、因變量的近似正態(tài)分布和球形度）被違反時，F(xiàn)riedman的檢驗(yàn)被用作替代方法。此外，還進(jìn)行了Wilcoxon符號秩檢驗(yàn)以研究左右換道/超車性能之間的差異。方法-數(shù)據(jù)收集結(jié)果-變道頻率根據(jù)駕駛員的方向選擇，變道操作可分為左向或右向，即車輛分別向左或右相鄰車道行駛。左右車道在變換頻率之間沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異（z=-1.08，p=0.282）。交通密度對換道頻率有顯著影響（χ2(2)=24.86，p<0.01）。在三種密度條件中，換道頻率最高的是密度3，其次是密度2和密度1?？傮w趨勢是駕駛員的換道頻率隨著交通密度的增加而增加結(jié)果-變道持續(xù)時間車道變換持續(xù)時間受交通密度的顯著影響（χ2(2)=12.59，p<0.01）。事后測試進(jìn)一步表明，密度2和密度3中的車道變換持續(xù)時間明顯短于密度1對于不同的方向，Wilcoxon符號秩檢驗(yàn)（見表4）顯示左側(cè)換道持續(xù)時間明顯長于右側(cè)換道持續(xù)時間（z=-2.00，p<0.05）。結(jié)果-平均變道速度和加速度換道速度和加速度均由縱向和橫向的數(shù)值綜合而成，可以反映駕駛員在換道過程中的速度控制能力。交通密度對速度沒有顯著影響（χ2(2)=1.33，p=0.513）交通密度對加速度有顯著影響（χ2(2)=9.33，p<0.01）。根據(jù)成對比較，密度3的平均換道加速度明顯高于密度1和密度2。值得注意的是，密度1中的車道變換加速度為負(fù)且接近于零且標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。結(jié)果-超車頻率超車頻率可用于衡量駕駛員的超車需求（Hegemanetal.2007）。交通密度對超車頻率有顯著影響（χ2(2)=16.23,p<0.01），其中密度3的超車頻率最高，其次是密度2和密度1。此外，左右超車頻率無顯著差異（z=-0.58，p=0.559）。不同交通密度下超車時長無顯著差異（F=0.13，p=0.880）。但考慮超車方向時，左側(cè)超車時長明顯長于右側(cè)超車時長（z=-3.59，p<0.01）結(jié)果-超車時間結(jié)果-初始超車距離和車頭時距交通密度對初始超車距離（χ2(2)=6.55,p<0.05）和車距（χ2(2)=8.91,p<0.05）都有顯著影響。具體而言，密度3的初始超車距離明顯小于密度1，密度3和密度2的初始超車車距顯著小于密度1（見附錄圖A6）。此外，左右方向的初始距離和初始車頭時距的差異也很顯著（距離：z=-4.84，p<0.01；車頭時距：z=-5.11，p<0.01）（見表4）。右側(cè)的超車距離和車頭距離均小于左側(cè)。結(jié)果-瞬時速度和加速度超車時的速度控制能力在這個過程中對駕駛員的安全起著重要的作用，因?yàn)椴贿m當(dāng)?shù)乃俣炔僮骺赡軙黾优c同一車道和相鄰車道車輛的碰撞風(fēng)險。交通密度對瞬時加速度有顯著影響（F=3.76，p<0.05）交通密度對瞬時速度沒有顯著影響（F=1.82，p=0.188）。事后測試結(jié)果表明，密度3中的瞬時加速度明顯高于密度1在超車方向方面，Wilcoxon符號秩檢驗(yàn)結(jié)果顯示右側(cè)瞬時加速度明顯高于左側(cè)（z=-2.51，p<0.05）。討論雖然交通密度的變化對速度沒有影響，但平均換道加速度和瞬時超車加速度確實(shí)隨著交通密度的增加而顯著增加，表明駕駛員在高交通密度情況下完成換道和超車任務(wù)的意愿增強(qiáng)。此外，隨著交通密度的增加，初始超車距離和車頭時距減少，這可能對超車安全產(chǎn)生負(fù)面影響。Bella(2011)在駕駛模擬器研究中報告說，超車風(fēng)險與超車動作的開始有關(guān)，并且風(fēng)險隨著交通量的增加而增加。

Farah(2011)發(fā)現(xiàn)，與領(lǐng)先車輛的小間隙加上高速行駛會增加潛在的碰撞風(fēng)險。討論Huang(2002)研究了雙車道高速公路的換道行為，發(fā)現(xiàn)換道率首先隨著交通密度的增加而增加，然后在達(dá)到一定的密度值后減小。懷疑“特定密度值”可能大于本研究中密度3條件下的值。此外，Rahmanet

al.

(2005)提出了一個基于交通量的超車機(jī)動模型，結(jié)果表明超車頻率隨著