（载运工具运用工程专业论文）城市道路驾驶员车道变换行为及注视转移特性研究.pdf

摘要 随着我国城市化进程的加快和机动车保有量、驾驶员的快速增加，城市交通的安全 和畅通成为一个严峻的问题。车道变换作为城市道路上经常发生的驾驶行为有其自身的 特性并对交通及安全产生影响。虽然由换道引起的交通事故占总事故的比例很小，但是 由其引起的事故所造成的交通延迟却占全部事故类型导致的交通延迟的十分之一，给人 民生产、生活带来了很大的负面影响。因此，有必要对城市道路环境下的车道变换行为 特性进行深入的研究。 本文在调研国内外相关研究的基础上，开展了车道变换行为及注视转移特性的研 究。分析了车道变换行为的形成条件和类型并将车道变换过程划分为决策、执行和调整 三个阶段。通过在城市道路环境下的试验，得到了驾驶员车道变换行为的试验录像和相 关数据。结合试验录像和实际驾驶特点将注视区域划分为七部分，并使用p r e m i e r e 软件 对录像中的注视点进行了统计分析，得到了驾驶员车道变换过程中的注视概率和注视点 的转移路径及概率，对比分析了不同熟练程度的驾驶员和车道变换不同方向下的注视转 移特性。 利用注视点数据和驾驶员操控车辆的相关数据，作出了驾驶员车道变换过程中注视 车道、开启转向灯以及车辆速度随时间变化的曲线图。分析了不同熟练程度驾驶员车道 变换过程中的驾驶控制行为和注视行为。 研究结果表明，城市道路上驾驶员从产生车道变换的意图到实施操作动作一般需要 6 秒钟的时间。不同熟练程度驾驶员车道变换行为的差异性主要集中在决策阶段和执行 阶段，熟练驾驶员通过视觉系统获取的信息更充分、全面，并且可以更快地感知信息， 作出判断，对车辆的操控也比非熟练驾驶员更加灵活和自如，行车的安全性和舒适性较 高。不同方向变换车道时，驾驶员主要从换道方向一侧获取信息，向左侧与向右侧变换 车道的注视转移特征总体上呈现一定的对称性。在车道变换执行阶段开始时大约有4 5 9 6 的驾驶员开启了转向灯。驾驶员在车道变换整个过程的速度变化是一个减速一加速一稳 速的过程。 关键词：城市交通环境；车道变换；注视区域；注视概率；注视点转移 a b s t r a c t t h eu r b a nt r a f f i cs a f e t yh a sb e e nas e r i o u sp r o b l e mw i t ht h ec o u n t r y u r b a n i z a t i o np r o c e s s s p e e d i n gu pa n dt h en u m b e ro fv e h i c l ei n c r e a s e dr a p i d l y l a n ec h a n g ew h i c ho f t e nh a p p e n s o nt h eu r b a nr o a dh a si t sc h a r a c t e r i s t i c sa n di n f l u e n c e st h es a f e t yo ft r a f f i c a l t h o u g ht h e t r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e db yl a n ec h a n g ea c c o u n ta s m a l lp e r c e n t a g eo ft h et o t a la c c i d e n t s ，b u t t h ed e l a yc a u s e db yt h i sk i n do fa c c i d e n ta c c o u n to n e t e n t ho ft h ew h o l ed e l a yc a u s e db ya l l k i n d so fa c c i d e n t sa n di th a sg r e a tn e g a t i v ei m p a c tt ot h ep e o p l e s l i f e t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt os t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl a n ec h a n g ei nu r b a nt r a f f i ce n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , t h el a n e - c h a n g i n gb e h a v i o ra n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe y em o v e m e n tw e r e a n a l y z e db yr e a d i n gt h er e l e v a n tr e s e a r c h e s t h i sp a p e ra n a l y s i st h ec o n d i t i o na n dt h et y p e so f t h el a n e c h a n g i n gb e h a v i o r , d i v i d et h r e ep h a s eo ft h el a n ec h a n g ep r o c e s s ：d e c i s i o n m a k i n g ， i m p l e m e n t a t i o na n da d j u s t m e n t f i r s t ，w eg e tt h ev i d e oa n dr e l a t e dd a t ao fl a n e c h a n g i n g b e h a v i o rt h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta n dd i v i d ef i x a t i o na r e a si n t o7p a r t s t h e n ，a n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so fe y em o v e m e n to fd r i v e r sw h oh a v ed i f f e r e n tp r o f i c i e n c ya n dl a n e c h a n g i n g b e h a v i o r si nd i f f e r e n td i r e c t i o n sb a s e do nt h ea n a l y s i so ff i x a t i o no ft h ee x p e r i m e n tv i d e ob y p r e m i e r es o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h ed a t u mo ff i x a t i o na n dr e l a t i v ed a t aw h e nt h ed r i v e r sa r ec o n t r o l l i n gt h e v e h i c l e ，w ec a ng e tt i m e - c o u r s eg r a p h so fg a z i n gl a n e ，o p e n i n gt h et u r n i n gs i g n a la n ds p e e ds o a st oa n a l y z et h eb e h a v i o ro fd r i v e rc o n t r o la n d e y e m o v e m e n tw h oh a v ed i f f e r e n t p r o f i c i e n c y t h er e s u l t ss h o wt h a ti t r e q u i r e s6s e c o n d st od e c i s i o n m a k i n gt h eb e h a v i o ro f l a n e c h a n g i n gg e n e r a l l y t h ed i f f e r e n tp r o f i c i e n c yd r i v e r s d i s t i n c td i f f e r e n c e so f l a n e 。c h a n g i n gb e h a v i o ra r em a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h ep r o c e s s e so fd e c i s i o n - m a k i n g ， i m p l e m e n t a t i o n s k i l l e dd r i v e r sc a no b t a i na n dp e r c e i v em u c hm o r ei n f o r m a t i o nt om a k e j u d g m e n t s o t h e r w i s e ，i ti sm o r ef l e x i b l eo fd r i v e rc o n t r o lf o rs k i l l e dd r i v e r s s oa st om a l 【e t h ed r i v i n gm o r es a f ea n dc o m f o r t a b l e w h e nl a n ec h a n g eh a p p e n si nd i f f e r e n td i r e c t i o n s ， d r i v e r sa l w a y so b t a i ni n f o r m a t i o nf r o mt h eo b j e c t i v el a n ea n di ti sa l m o s ts y m m e t r i c a lf o re y e m o v e m e n to fd r i v e r s a tt h eb e g i n n i n go fi m p l e m e n t a t i o no fl a n ec h a n g e ，a b o u t4 5p e r c e n t d r i v e r so p e nt h et u r ns i g n a l t h e c h a n g eo fs p e e di sad e c e l e r a t e d a c c e l e r a t e d c o n s t a n t p r o c e s s k e yw o r d s ：u r b a ne n v i r o n m e n t ；l a n ec h a n g e ；f i x a t i o na r e a s ；g a z e f r e q u e n c y ；e y e 1 1 1 0 v e m e n t 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 研究背景 近年来，随着机动车保有量和驾驶人的快速增加，城市化进程的进一步加快及城市 机动化程度的日益提高，加剧了我国长期以来形成的城市机动车增长与道路设施滞后的 结构性矛盾，决定了我国道路混合交通严重，道路交通设施匮乏的状况依然存在【l 】。 目前，我国道路交通的总需求和基础设施不相适应的情况短期内不会有根本转变。 作为动态系统，道路交通系统的运行受到各方面因素的影响和制约，驾驶员行为对交通 环境的安全性和畅通性起到了越来越重要的作用。为了获取更高的车速或驾驶的舒适 性，驾驶员车道变换行为经常发生，具有其自身特性并对交通运行产生影响。 我国城市道路设计规范中，根据道路在城市道路网中地位、交通功能等将城市 道路分为以下四类：( 1 ) 快速路，为城市中大运量、长距离、快速交通服务。快速路道 路中间设分隔带，是大城市交通运输的主要动脉。( 2 ) 主干路，是城市中主要的常速交 通道路，主要为相邻组团之间和市中心区的中距离运输服务。( 3 ) 次干路，是介于城市 主干路与支路间的主要集散道路，是城市中数量较多的交通性道路。( 4 ) 支路，是次干 路与街坊路的联系道路，以生活性服务功能为主。所有这些道路通过平面交叉或立体交 叉的连接组成了复杂的城市交通网络。城市道路上进行车道变换时很容易发生交通事 故，究其原因主要有： 1 城市道路交通环境复杂，车流量较大，交通参与者复杂，混合交通现象严重，因 此变换车道时容易产生交通冲突，发生交通事故的机率较大。 2 我国部分驾驶员社会交通法制意识薄弱，加之城市道路机动车驾驶人中很大一部 分为低驾龄驾驶员，由于道路交通环境复杂多变，驾驶员驾驶经验不足，对交通信息的 处理不够合理，发现潜在危险和处理突发事件的能力有限，车道变换时产生交通冲突的 可能性大大高于其他道路。 3 道路交通工程设施不健全，中国大部分城市道路交通渠化不够或未加渠化，而使 机动车非机动车、机动车行人之间侧向干扰大。同时，城市道路既具有交通性功能，又 具有商业性功能。造成道路上行人穿越较多，由于缺乏必要的交通设施，当变换车道时 就可能由于观察不足或是突发事件引发交通事故。 4 交通视距不足，在城市道路的有些地方，过高的、过密的绿化树及广告牌的设置 阻挡了驾驶员的视线，以致行车时不能及时掌握交通状况。 第一章绪论 5 城市道路交通管理技术水平较低，交通违法行为较多，交通环境比较混乱，车道 变换时容易发生交通事故。 综合看来，城市道路交通环境下，由于道路交通环境的复杂性和驾驶员信息感知 和操作能力的差异性及车辆种类繁多、道路设施欠缺及交通管理水平有限等影响，驾驶 员很可能对安全变道的可行性作出错误的判断，从而使车辆处在潜在的危险之中，变换 车道时产生交通冲突和交通事故的概率远远大于其他道路。 车道变换时可能发生的碰撞有多种：追尾碰撞、斜向碰撞和侧向刮擦等，分别如图 1 1 所示【2 1 。 追尾碰撞斜向碰撞 侧向刮擦 图1 1 车道变换时可能发生的碰撞形式 虽然车道变换时发生的碰撞相对于其它类型的碰撞较少，仅占交通事故的4 f 3 】由 其引起的交通事故死亡的人数仅占到总死亡人数的0 5 左右【4 1 。但由这种碰撞造成的交 通阻塞占全部碰撞事故类型导致的交通延迟的十分之一【5 1 ，从而大大增加了出行的时间， 对经济造成了严重的负面影响【6 】o 由此可以看出，道路交通安全、畅通问题已经变成复杂的社会问题，成为全球关注 的热点问题，特别是城市道路。而相比较而言，我国城市道路的安全形势则更为严峻。 1 1 2 研究的目的 作为一个动态系统，道路交通系统的运行受到各方面因素的影响和制约，为了获取 更高车速或者减少来自周围交通环境的影响，驾驶员车道变换行为是行车过程中经常发 生的驾驶行为，对交通运行产生很大的影响。 受驾驶员的判断能力、操作特性等因素的影响，车道变换行为具有其复杂性。为了 2 长安人学硕l j 学位论文 改善道路交通的安全性和畅通性，有必要对车道变换行为特性进行研究。本文主要研究 的问题如下： 1 不同熟练程度驾驶员在车道变换过程中注视点转移特性的差异性： 2 驾驶员向不同方向变换车道时是否由于方向的不同而存在不同的注视转移特性； 3 不同熟练程度驾驶员在车道变换过程中对转向灯及对车速等的驾驶控制行为有 何不同； 4 不同熟练程度驾驶员在车道变换过程中对后视镜及不同车道的视觉行为有何不 同。 1 1 3 研究的意义 我国城市道路交通量大、车型多、驾驶员素质差异大，交通条件复杂，交通事故频 发。在影响道路交通事故的诸多因素中，人是处于核心地位的。据欧盟统计换道事故中 由驾驶员人为原因造成的约占7 5 【7 1 。因此，研究车道变换过程中的驾驶员行为特性对 减少换道事故有重要意义。 由于我国驾驶员的交通安全意识和法制观念比较淡薄，车道变换过程中的不规范操 作和违章现象比较严重。国内外道路交通事故处理的实践证明，各类道路交通违法行为 是导致交通事故发生的根本原因。预防和减少道路交通事故，从根本上讲，要从预防和 减少交通违法行为做起。因此，研究车道变换行为特性，对引导驾驶员安全换道、提高 行车安全性具有重要意义。 研究车道变换行为特性，了解驾驶员的操作特性，为进一步理顺交通、车辆的运行 状态，进而改进车流运行状态、提高交通系统的运行安全和运行效率提供理论依据。 研究不同熟练程度驾驶员及不同车道变换方向和车道变换不同阶段的车道变换特 性，对改善车道变换过程中低驾龄驾驶员正确合理的操作及提高交通运行效率有着重要 的意义。 研究城市道路车辆变换车道行为的驾驶控制和视觉行为特性，对减少驾驶员的负担 和判断错误，提高交通安全和通行能力将起到重要作用。 在车道变换行为特性研究方面，国内还尚未形成系统、成熟的理论，课题的研究可 以为这方面的研究提供理论支持。同时，为道路建设与改造、汽车设计、道路交通事故 防范等基础性工作提供理论依据，也可以给其它复杂人机环境系统安全性评价研究以新 的启发。 第一章绪论 1 2 国内外研究回顾 1 2 1 国外研究回顾 1 9 9 9 年w v a nw i n s u m 和d d ew a a r d 等人【8 1 选取了8 名熟练驾驶员利用驾驶模拟器 在不同车道宽度、不同的车速和不同的车道变换方向下进行了车道变换的试验。被试驾 驶员根据工作人员的信号进行车道变换。依据试验数据作出了方向盘转动角度、车辆距 车道分界线的时间、横向距离等随时间变化的关系曲线图。并分析了驾驶员在不同条件 下的试验结果。 2 0 0 1 年日本丰田研发设计中心的h i r o s h io h m o 9 】利用固定式驾驶模拟器，在有无自 适应巡航器的条件下，进行了车道变换的试验，采集驾驶行为等的特性参数，研究了驾 驶员车道变换过程中的行为特征。研究结果表明：外界有效信息可以减少驾驶员车道变 换过程中的误操作发生率，但对外界因素如何影响驾驶员进行车道变换及对车道变换与 其影响因素的关系并未进行具体分析。 2 0 0 2 年美国d r e x e l 大学的d a r i od s a l v u c c i ，a n d r e wl i u 1 0 1 选取了1 1 名至少有两年 驾驶经验的驾驶员在模拟的多通道高速公路的环境下利用驾驶模拟器进行了车道变换 试验，综合调查了从左到右和从右到左换道时的方向盘，油门，转向灯和眼睛运动随时 间的变化过程，作出了各驾驶控制和视觉行为随时问的变化曲线。研究发现：车道变换 中方向盘的变化曲线呈正弦波特征，换道前驾驶员都有轻微的减速，换道开始后加速到 一个较高车速并保持这一车速行驶，从左向右变换车道的视觉曲线和从右向左变换车道 的视觉曲线互为始末。 2 0 0 5 年美国“国家公路交通安全管理局( n h t s a ) 的研究人员l o u i st t n l 采用小轿 车和多功能运动型车两种试验车，选取3 9 名驾驶员在高速公路和普通公路上进行了 2 3 9 4 9 英里( 约3 8 5 5 8 k r n ) 的试验，采集到了8 6 6 7 个换车道行为。重点研究了换车道前l o s 的时段。结果表明，小轿车的换车道频率高于多功能运动型车。论文分析了从左到右 和从右到左的车道变换的特性，并得出了换车道期间的眼睛注视分布特征。 2 0 0 5 年美国n a s a a m e s 研究中心的t h o m a s a y r e s 1 2 1 开展了车道变换行为中驾驶员 使用后视镜的特性研究。研究得出：虽然汽车后视镜可以有效消除驾驶员视觉盲点，但 是驾驶员在进行车道变换过程前一阶段对p r m s ( p a s s e n g e r - s i d er e a r - v i e wm i r r o r s ) 的使 用非常有限，驾驶员的这一特性使得其不能通过p r m s 获得进行车道变换的足够信息， 从而不能起到减少交通事故的作用。 2 0 0 6 年g p a s t o r 币t ip t e j e r o 等人f 1 3 】选取了男女各1 2 名熟练驾驶员在高速公路和平 4 k 安人学硕j ：学位论文 常道路上进行了实车试验，并用摄像机记录驾驶员的眼镜运动。通过观看、分析试验录 像得到驾驶员在不同道路上观看后视镜的频率和时间的关系，并进行了差异性分析。结 果表明，驾驶员在不同道路上观看后视镜的视觉行为存在显著性差异，并对差异性进行 了分析。 2 0 0 7 年g u i h u ay a n g ，b e v e r l yj a e g e r 和r o n a l dr m o u r a n t d 4 1 研究了熟练和非熟练驾 驶员在三种不同交通量的情况下从右到左变换车道的前、中、后三个阶段中车辆行车线 位置变化及观看后视镜和其他驾驶行为的差异。研究得出结论：不同熟练程度的驾驶员 观看后视镜等的注视时间基本相同，但非熟练驾驶员对车辆的操控能力不如熟练驾驶员 好，并且两组驾驶员之间的主要区别在于一些行为和多任务的处理。 2 0 0 9 年s h a nb a o 和l i n d an gb o y l e d s 】选取了年轻、中年和老年驾驶员各2 0 名在两 个交通事故发生频率不同的十字路口进行了左转、右转和直行的实车试验。分析了不同 年龄驾驶员在不同条件下观看后视镜等区域的视觉搜索模式。 1 2 2 国内研究现状 2 0 0 1 年吉林大学的魏丽英、隽志才、田春林【1 6 】利用线性跟驰理论对道路上行驶的 相邻车辆之间的距离、速度和加速度进行了分析，在此基础上，通过模拟、对比分析多 车道车头时距和单车道车头时距之间的关系判定道路上的车道变换行为，得到驾驶员车 道变换和路径选择的基本规律。 2 0 0 2 年同济大学的邹智军、杨东援分析了强制性车道变换和任意性车道变换两 种车道变换类型的各种常见情形，建立了描述车辆车道变换意图的产生、车道变换可行 性分析以及车道变换的实施等行为的车道变换模型。此外，作为一种特殊的车道变换行 为，还建立了车辆在拥挤状态下的挤车变道行为的挤车变道模型。 2 0 0 4 年山东理工大学的王晓原、孟昭为、宿宝斟1 8 1 利用模糊逻辑方法在驾驶员知 识和经验基础上建立了主观判断过程，设计了基于模糊逻辑的车道变换算法，构建了微 观交通流仿真的车道变换模型。采用不同流量下车辆换道次数的观测值与模拟值进行比 较，验证了模型的有效性。 2 0 0 5 年华南理工大学的李丹丹等i l9 】研究了多车道交通系统中车道变换行为的影响 因素，分析了交通规则、车辆因素、驾驶员性格及行车计划等影响因素，在此基础上建 立了车道变换模型并提出了车辆控制策略。 2 0 0 7 年哈尔滨工业大学的黄秋菊f 2 0 】分别从车型组成、车道数、交通量等方面对车道 变换行为的车型组成特性及小型车换道特性、主路为多车道的出入口处的车辆换道特 第一章绪论 性、车道变换行为发生临界交通量进行了研究。借助冲突理论分析了以上典型特性对交 通安全的不利影响， 2 0 0 7 年吉林大学的王文霞【2 1 1 研究了高速公路基本路段上车辆换道行为的运行特性， 分析了车辆变换车道的运动学过程，提出了避免发生碰撞事故的条件，并建立了最小安 全距离模型。通过对匀速、匀加速两类典型运行状态的讨论，基于换道车辆实施匀速、 匀加速和修正匀加速三种加速控制策略，对最小安全距离进行了理论求解分析，并利用 驾驶模拟器试验验证了模型的正确性。 2 0 0 8 年西北工业大学的李迎峰、史忠科、周致纳2 2 】通过分析快车道行驶车辆对当前 车辆的影响，结合蒙特卡罗仿真方法，提出了一种新的换道随机决策模型。并在不同的 流量条件下，对车辆换道次数的实测值和仿真模拟值进行具有统计意义的显著性差异分 析，验证了模型的有效性。 2 0 0 9 年哈尔滨工业大学的裴玉龙、于涛2 3 1 以哈尔滨市的小客车和大客车驾驶员作为 研究对象，拍摄记录了他们在车道变换过程中的注视点变化情况，如注视时长及注视点 变化等数据。筛选出7 5 9 次车道变换作为有效样本，着重分析了驾驶员注视点的注视概 率和两注视点之间转移概率的分布规律，得到驾驶员在车道变换过程中的注意力分配特 性。 2 0 0 9 年长沙理工大学的郭文莲【2 4 1 分析了城市道路车道变换行为及车辆换道行为对 城市道路通行能力的影响。计算出车辆换道时不发生碰撞的起始最小纵向安全距离，并 建立了最小纵向安全距离模型。结合统计数据，应用m a t l a b 软件验证了车辆变道最小 安全距离模型的可行性。 1 2 3 国内外研究评述 驾驶员是车道变换行为的主体因素，国外对车道变换行为特性的研究是以对驾驶员 行为特性的研究入手的，并集中在基于驾驶员特性的微观车道变换层面，关于车道变换 行为特性，国内也开展了相关的研究，但是研究成果与国外相比则较少。研究难点在于 车道变换过程中驾驶员行为特性的检测和车道变换行为与影响因素的定量关系的研究， 多是就车道变换行为本身进行的微观建模研究。 国内对车道变换的研究多集中在：( 1 ) 仿真模型的建立，如微观交通中的仿真模型； ( 2 ) 纯理论的公式推导，如交通流交织区的车道变换、安全距离；( 3 ) 车道变换某一 特性方面，如期望轨迹、最小安全距离等；( 4 ) 交通环境对车道变换的影响因素方面研 究较少，如交通标志等。 6 长安人学硕士学位论文 国内外学者对车道变换的研究存在的不足之处：大部分研究局限于纯理论的公式推 导，许多数据是从某一个特定的控制条件下的、短期的、有限制的设备上收集的，而缺 少全面的车道变换轨迹实测数据。而利用驾驶模拟器进行车道变换的试验并不能真实的 反映道路交通场景，驾驶员的决策及操作也与实际行车有很大的不同。 综上所述，国内外学者对车道变换的研究大多没有真实道路上的实车试验，多数是 通过建模仿真和利用驾驶模拟器进行研究，部分实车试验也是人为地控制驾驶员实行车 道变换，这些都与驾驶员实际行车时的车道变换有很大的差别，也不能得到全面、详实 的试验数据。若能通过真实的道路试验手段，获取大量真实的车道变换实测数据，则可 为研究车辆的轨迹变换规律提供更加丰富和详实的资料。 1 3 本文的研究 本文阐述了城市道路环境下的车道变换的特性，明确了驾驶员是车道变换的主体因 素。分析了车道变换的形成条件，并对车道变换的类型和阶段进行划分，为研究车道变 换行为特性提供理论基础。 通过城市道路交通环境下的实车试验，利用眼动仪获取试验录像和相关数据。从试 验录像中筛选有效的车道变换过程，分析录像中驾驶员注视点的数据和利用转向灯的情 况及车道变换过程中车辆速度的变化，得到不同熟练程度驾驶员和向不同方向变换车道 的驾驶员视觉行为特性和驾驶控制行为特性。 本文的研究思路如下： 7 8 长安人学硕l 学位论文 第二章车道变换行为分析 2 1 车道变换行为的形成条件 车道变换行为描述的是驾驶员的驾驶特性，车道变换行为的本质是一个决策思维过 程【2 5 1 ，是驾驶员根据交通环境和自身需求及驾驶特性，从周围环境中获取车辆的车速、 车辆间距等交通信息，经过大脑进行决策判断等处理并完成驾驶目标策略的综合行为过 程【2 6 】。 车道变换行为是驾驶员在驾驶过程中通过控制车辆所表现出来的一种行为。驾驶员 是这一行为的决定性因素，所以分析车道变换行为首先要了解驾驶员如何决策在什么样 的条件下需要进行变换车道。通过文献资料阅读【2 7 h 3 7 1 和对驾驶员在城市道路交通环境 下车道变换行为的分析，总结出车道变换行为形成的条件有： ( 1 ) 驾驶员的主观意愿，即驾驶员在主观上对车辆运行状态不满意，为了追求更加 理想的运行条件而产生车道变换的需求。进一步研究分析可知：引起驾驶员在对车辆运 行状态不满意的因素主要有车辆的运行速度、加速度以及与当前车道前车之间的车头间 距等影响驾驶员驾驶舒适性的因素。 ( 2 ) 具备车道变换的时间条件，驾驶员感知、判断周围交通环境并作出判断、决策 和操控车辆进行车道变换的时间能够得到周围交通环境的允许和驾驶员能力的许可，从 而在时间上保证安全顺利的实现车道变换以到达目标车道。 ( 3 ) 具备车道变换的空间条件，即目标车道和原始车道可以提供车辆发生车道变换 所需的足够的行驶空间，不会因为空间不足而在车道变换时与其他车辆发生碰撞。 ( 4 ) 具备良好的车辆状况，车辆应当具备进行车道变换的动力支持和转向能力的许 可，以便从机械上保证在预期的空间和时间条件下完成车道变换的动作。 车道变换行为是否发生所依赖的这几个条件中主观意愿表达了驾驶员与周围交通 环境的关系；时间条件表明了车辆的运行状态与交通环境的关系：空间条件表达了车辆 与原车道和目标车道中其他车辆的几何位置关系；车辆状况表达了车辆在某行驶状态下 的可控状态的改变潜力。只有这些条件均具备车道变换才会发生。 换道行为由驾驶员交通特性和外部交通环境决定。驾驶员交通特性是指驾驶员在交 通环境中的心理、生理和行为特征，包括驾驶员在车辆行驶过程中的驾驶倾向性和反应 特性等 3 8 】。除了驾驶员外，车辆所处的交通环境对车道变换行为同样起着重要作用【3 9 1 ， 交通环境包括当前车道车辆和相邻车道车辆的运行位置、状态等。当前车道的交通信息 9 第二章车道变换行为分析 包括本车与车道前方车辆之间的车头间距、相对速度，当前车道前方车辆是否正在( 或 者将要) 发生车道变换( 或转向) 的行为，当前车道前方是否有重型车辆，以及后方车 辆的风险系数等；相邻车道的交通信息包括本车和目标车道前方车辆的纵向距离、相对 速度；目标车道前方车辆是否正在( 或将要) 发生车道变换( 或转向) 行为，目标车道前方 是否有重型车辆及后方车辆的行驶状态等。 特别说明的是，由于行驶车道本身的特性要求，比如车辆在合流、分流和交织路段 上行驶，如道路条件由三个车道变为两个车道或在十字路口转弯等，这种情况下，即使 驾驶员没有变换车道的主观意愿或是时空条件和车辆状况不够理想，如果要实现正常行 驶，也必然会发生车道变换的行为；另外，公交车驶入站台、前方有障碍等情况也不受 驾驶员主观意愿等条件的影响。 2 2 车道变换的类型 车道变换行为是驾驶员为满足自己的驾驶舒适性、驾驶意图而采取的偏离本车道， 进入相邻车道行驶的行为，是驾驶员基于本车的行驶状态，通过对周围交通信息的感知、 判断，控制车辆完成驾驶目标策略的综合过程。根据追求利益动机的不同，车道变换行 为可分为强制性车道变换和任意性车道变换柏1 。其中任意性车道变换是本文研究的基础 和重点。 2 2 1 强制性车道变换 强制性车道变换是指按照交通规则和驾驶员的行驶计划，为了完成正常行驶目的而 必须在一定区间内实施车道变换的行为，车道变换的关键是车辆必须在前方某一关键点 之前完成车道变换的行为。如匝道的分流、合流，交织区，交叉路口左右转，绕过前方 障碍物，公交车驶入站台等。 图2 1 中给出了城市交通中三种最为常见的强制性车道变换的情形。车辆a 由于正 前方停止车辆b 阻挡了其在当前车道上继续行驶的路线，因此必须准备变换到右侧车道 才能保持正常行驶；车辆c 根据其既定路线必须在前方交叉口左转，因此当看到前方的 车道导向标线时则要准备向左变换车道；车辆d 已接近当前车道结束点，所以也要向左 变换车道。另外，公交车在接近停靠站时从内侧行驶车道变更至外侧的公交停靠车道的 变道行为也是一种比较常见的强制性变道行为。 1 0 长安人学顾士学位论文 车r停止彳辆b前方将芦左转车辆c 岛印 ii - _ - _ 车辆d 图2 1 城市交通环境中常见的强制性车道变换的情形 强制性车道变换行为有明确的目标车道，只要目标车道出现足够的空间，就执行车 道变换行为。当前的交通状况要求车辆一定要离开当前行驶的车道时，强制性换道就需 要被执行。例如车辆左转时必须由其它车道驶入左转专用车道，这时目标车道与换车道 动机不受驾驶员类型决定。如果在指定区域未能换入目标车道，其行驶行为将受到一定 限制，比如减速甚至制动停止，直到目标车道出现合适空间再重新启动完成换道行为。 2 2 2 任意性车道变换 任意性车道变换是指驾驶员为了避免与前方慢车发生碰撞或是减慢自身车速等而 发生的变换车道行为，变换车道为了追求更快的车速，更自由的驾驶空间，其根本目的 是为了减少延误，获取速度优势，增加驾驶的舒服性。例如主线上车辆为了避免受匝道 汇入车辆的影响而变换车道的行为。 任意性车道变换现象主要发生在快速车辆跟随慢车行驶时，当前车道行驶状态不能 满足驾驶员的要求时，驾驶员就会观察相邻车道的交通环境是否优于本车道的驾驶环 境。如果相邻车道行车条件比当前车道优越，就会产生换道意图。如图2 2 所示，车辆 a 由慢车道变换到快车道。如果当前车道前方行车条件的优越性长时间的低于相邻车 道，则产生的换道意图会明显高于当前车道行车条件只是偶尔低于相邻车道的情况。变 换车道需求的产生往往有一个时间累积的过程，是一种判断性变换车道行为，是驾驶员 为了改善车辆的行驶状态而自发进行的换道行为。不同类型的驾驶员产生的换道意图的 程度也是不同的。如果驾驶员的鲁莽程度高，在相同条件下产生的换道意图要强。在城 市道路上行驶的车辆若要发生任意性换道行为，其行为产生的动机主要有： ( 1 ) 提高车辆行驶速度； ( 2 ) 超越慢车或重车： 第一二章车道变换行为分析 ( 3 ) 避让障碍物。 在驾驶员决策判断换道过程中，首先要根据当前车道和目标车道的运行车速，判断 能否进行车道变换。其次观察目标车道及当前车道前后车辆的运行情况，查看并估计目 标车道可提供空间的大小。如果可接受间隙不能满足安全变换车道的要求，驾驶员将保 持车辆在当前车道上继续行驶；如果可接受间隙能够满足安全变换车道的要求，驾驶员 将实施车道变换操作，从而在目标车道获得更大的速度和驾驶舒适性。 快车道 l翻形 l口 一 。” 么v l旷 ljl口， | 图2 2 车辆向快速车道变换示意图 道 2 3 车道变换的操作规范 2 3 1 车道变换的操作纲要 我国是交通事故的多发国，近几年交通事故发生数和伤亡人数均较高，引发交通事 故的各因素中人是最主要的，我国有相当一部分驾驶员漠视交通法规、安全意识淡薄， 在驾驶车辆变换车道的过程中不按规定操作，任意变道甚至违章变道，导致了车道变换 过程中的碰撞、刮擦等事故。 驾驶员驾驶车辆在多车道的道路上超车、避让障碍物、转弯、掉头或停车需要变更 车道时，应注意观察道路交通流的状态，正确选择行驶车道和判断变更车道的时机，按 规定操作，安全完成变更车道的过程。 ( 1 ) 变更车道时，首先要观察与判断车辆后方、车辆一侧和目标车道上的交通流 情况；确认安全后打开转向指示灯示意，并再次通过后视镜观察两侧道路上有无车辆超 越，确认准备驶入的车道是否有足够的空间。在不妨碍目标车道内车辆正常行驶的情况 下平稳转向，到达目标车道后，关闭转向指示灯。 ( 2 ) 每次变更车道只能变更到相邻的车道。如果变更到相邻车道以外的车道，应 1 2 长安人学硕上学位论文 先变更到相邻的车道，行驶一段后再变更到另一条车道。在车道分界线为实、虚线的路 段，实线一侧的车辆严禁变更车道。 ( 3 ) 交叉路口变更车道，应提前观察道路交通标志和路面标线，根据需要行驶的 方向选择行驶车道，按导向箭头方向在进入实线区前驶入导向车道。 ( 4 ) 躲避障碍物变更车道时，应适当提前进行变道，防止相邻的车道有来车阻滞 变道而造成制动停车或强行变更车道，发生碰撞事故。 ( 5 ) 变更车道时，应避免突然急转转向盘驶入相邻的车道，防止与正常行驶的车 辆相碰撞或因路面光滑引起车辆侧滑。但变换车道不能过于缓慢，长距离压线行驶会影 响其它车辆行驶。 2 3 2 向左和向右变更车道的方法 向左或向右变更车道是城市道路行车时经常发生的驾驶行为，对交通安全和畅通有 着重要的影响，变更车道时，应观察车辆周围交通环境，判断变换车道的时间和空间条 件是否允许。 向左侧变更车道的操作要领： 变更前：( 1 ) 观察左侧前方的交通环境，通过左侧后视镜确认左侧后方车辆状况， 查看是否有足够的空间执行车道变换；( 2 ) 确认变换车道后，打开左转向指示灯，示意 变更方向，使周围车辆了解本车状态并有充足的时间避让；( 3 ) 再度确认左侧前后方的 交通环境，如发现车道变换所需的时空条件不能满足，如车流中间无间距，或车流中间 有间距，但后车很快驶近，间距消失等情况，则暂时不进行车道变换的执行动作，等待 合适时机进行下一步操作。 变更中：( 1 ) 在靠近目标车道的一侧行驶，确认安全状况后，即可向左转动转向盘， 开始变更车道；( 2 ) 当驾驶员看见车前中央距车道分界线1 5 2 0 c m 时，开始向右缓慢回 转转向盘，并随时做好停车准备；( 3 ) 变换车道中，如果左侧车道车辆不允许本车进入 车道，应及时退出变更车道，并等待时机进行变换。 变更后：( 1 ) 变更后保持车辆与道路呈平行状态在目标车道中央直线行驶，不允许 压线行驶。如不符合要求，应通过转向盘调整行驶方向，( 2 ) 当车辆完全进入左侧车道， 且保持直线行驶后，及时关闭转向灯。 向右变更车道时操作要领与向左变换时基本相同，但由于驾驶员位置在车辆左侧， 所以向右变换时应注意车辆右侧的行人、自行车等，以免发生刮擦、碰撞。在城市道路 上行驶时，如果车辆即将进入导向车道，则禁止变换车道。 第二章车道变换行为分析 向左或向右变换车道时，通过后视镜不能完全的得到车辆后方的信息，而是存在一 定的盲区，由于驾驶员位黄关系，车辆右侧的盲区更大，如果得不到盲区的交通信息， 车道变换时可能会发生交通事故。当驾驶员不能确定盲区交通环境时，应通过转动头部 等措施观察车辆后方状况，以确保安全的变换车道。 综上所述，向左或向右变换车道时应先确认车辆前后方的交通环境，打开转向灯后 应再度确认安全状况，然后转动转向盘向目标车道移动，车辆完全进入车道后，及时关 闭转向灯。转向灯应在变更车道前3 秒以上开启，向周围车辆发出警示，使其有充足的 时间避让，如果突然变更行驶路线，会大大增加发生交通事故的可能性。 交通量较大时变更车道，除了打开转向灯，有时也需要用手示意，从车窗伸出左手 做出向左变更车道的手势，然后观察后方车辆的行车状态，如果后方车辆速度降低，应 尽快提高车速变更车道，后方车辆速度不降低，则不能变更车道。 交通量较大时变更车道，不仅要注意观察前车的行驶状态，还应注意观察车到前方 其他车辆的行车状态，防止由于制动不及时而造成交通事故。 2 4 车道变换行为的阶段划分 车道变换过程是驾驶员根据交通环境作出判断并操控车辆的一个综合过程。但我们 可以把整个过程分为几个阶段。国内外专家、学者从车辆位置或控制方法的角度出发， 定义了车道变换行为的概念并划分了阶段。 c h o v a n 认为车道变换行为即是车辆的侧向位置有目的的变化【4 1 1 。 w o r r a l l | 4 2 】将车道变换过程划分为准备、执行、持续三个阶段。车道变换的准备阶段 为车辆开始向目标车道靠拢到车辆到达两车道分界线所持续的时间和距离；车道变换的 执行阶段为车辆到达两车道之间的标线至车辆越过两车道之间的分界线的过程；车道变 换的持续阶段为车辆完全到达目标车道到车辆在目标车道上恢复正常行驶状态为止。 v a i lw i n s u m 8 】根据转向盘转角的变化将车道变换划分为3 个阶段。以向左变换车道 为例，从驾驶员向左转动转向盘开始至转到最大角度时为第一阶段，从转动最大角度到 转角为零为第二阶段，转角为零到转向盘向右转动到最大角度为第三阶段。 杨建国等【4 3 】修正了传统的换道过程在时间上的2 段式和3 段式，将换道过程分为4 个 阶段：( 1 ) 转动转向盘使车身航向角扭转到一个合适的角度；( 2 ) 在前轮零度转向的情况 下将车辆移动到合适的换道位置；( 3 ) 通过方向盘反转将车身航向角回收到初始状态； ( 4 ) 如果与目标位置有差异，通过转向盘进行适当调整。 哈尔滨工业大学的黄秋菊【2 0 】基于库尔曼行为模式将车道变换过程划分为信息感知 1 4 长安人学硕l 学位论文 阶段、条件评价阶段和选择执行阶段。见图2 3 。 j 钚乍道河车 f 标车道跟乍 河车| l 巡盟半堂划掣胖 图2 3 基于行为学的车道变换阶段划分 哈尔滨工业大学业的裴玉龙删根据换道过程中车辆运行曲率的变化将换道过程划 分为四个阶段：如图2 4 所示，第一阶段为从变道初始点到曲率最大值点；第二阶段从 曲率最大值点到车道分界线，这里将车辆看作是具有车头转角的质点；第三阶段为车辆 从车道分界线( 曲率为零) 到曲率最大值点；第四阶段为从曲率最大值点到变道行为完成 终点。这样，车辆在终点处具有同初始位置相同的行驶特性，只是在平面位置上发生了 改变。 - ， j ii 基 二攀芝二 l 三 l 网 褂 7 | 三i 网 甓 k i： - - ： , - f x ，m - 骞j 竺! p 1 敏l 铂 列 嫠 筘 缀 i i x i m i i i il 图2 4 车道变换过程分析 c h o v a i l 和v a nw i n s u m 分别从车身运动变化和转向盘转角角度进行了车道变换行为 的阶段划分，c h o v a n 提出了决策阶段的概念，但是没有给出决策阶段的过程如何确定， v a nw i n s 啪则从操作动作开始划分，忽略了决策阶段；杨建国等人扭角、靠拢、收角和 调整四个阶段的划分，黄秋菊根据行为学的阶段划分和裴玉龙根据车辆运行曲率的阶段 划分在实际的道路试验中无法确定各阶段的起始和结束点。 结合以上研究，本文认为车道变换过程可划分为决策阶段、执行阶段和调整阶段。 决策阶段为驾驶员产生换道意图到开始执行换道操作动作，执行阶段为操作动作开始至 车辆整体越过车道分界线，调整阶段为车辆越过车道线至车辆在目标车道平稳行驶。 第三章试验及数据处理 第三章试验及数据处理 3 1 试验目的 本次试验的目的如下： ( 1 ) 通过对驾驶员在城市道路环境下驾驶车辆的试验，得到驾驶员行车时的录像， 并记录眼部运动、手部操作及车速等相关数据。 ( 2 ) 观看试验录像并筛选出符合条件的车道变换录像。 ( 3 ) 对筛选出的录像进行逐帧分析，获得驾驶员在车道变换过程中的注视点的频次 及转移路径，分析不同熟练程度驾驶员和不同方向的车道变换注视转