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不同车道速度限制对车道变换行为的影响：基于驾驶模拟器的研究
作者：Jing Shi、Meiyu Liu
摘 要
不同车道速度限制对车道变换行为的影响：基于驾驶模拟器的研究当的变道行为会增加驾驶员发生车祸的风险和受伤严重程度。本研究假设，区分每车道限速高速公路可以减少不适当的车道变换行为。通过驾驶模拟器试验，研究了不同限速值分配到不同车道时驾驶员的变道行为和相应的工作负荷水平。参与者（n=36）经历了三种不同的测试场景，具有不同的限速配置。将变道行为与描述变道行为的五个指标进行比较。同时，制定了任务工作量指标，对驾驶员主观体验测试的关键方面进行评价。结果表明，限速配置对车道变换行为以及相应的驾驶工作量水平有很大的影响。这尤其适用于相邻车道有不同最大和最小速度限制的情况，驾驶员的行为与其他情况不同。车道变换的频率较低，持续时间较短，驾驶员倾向于避免“在车道边缘上滚动”的危险行为，因此，这些易于补偿的安全驾驶策略表明，与不同的每车道速度限制情景相关的驾驶安全水平提高。研究结果可为高速公路交通管理提供重要参考。
关键词：每车道速度限制差异；车道变换；驾驶行为；驾驶工作量；NASA-TLX；驾驶模拟器；
1 绪论
限速控制是提高交通效率和安全性的重要管理措施。为此，采用了几种先进的速度控制方法，包括变速限位控制（Letter和Elefetriadou，2015；Lyu、Lin、Wang和Yang，2017；Wang、Seraj、Bie、Quiu和Niu，2016）；动态限速控制（Soriguera、Torn和Rosas，2013；Zhang和Ioannou，2017；Zhu和Ukkusuri，2014）。在这些方法中，速度限制允许临时变化，但高速公路路段的所有车道都有统一的速度限制设置。在这种情况下，慢行车辆可能会不断占用任何车道，从而导致速度的大幅度变化，并可能降低交通效率。事实上，在更高级的设置下，高速公路路段的不同车道可能具有不同的限速值，即每车道的不同限速（DPLSL）。
图1 具有DPLSL配置的公路实例
图1说明了一个实际的DPLSL环境。DPLSL的目的是将在不同速度范围内行驶的车辆分为不同的车道，从而减少每个车道的速度变化。这种设计的动机是为了提高交通系统的安全性和效率（Yang和Sun，2012年）。与均匀限速控制相比，驾驶员在DPLSL条件下具有明显的变道行为。了解这些行为对指导高速公路安全设计具有重要意义。然而，在过去的文献中发现的调查是有限的。
先前的研究表明，不当的变道操纵可能导致各种类型的碰撞，如追尾碰撞、侧滑碰撞和角度碰撞（Pande和Abdel Aty，2006年）。除了事故率的增加（Jula、Kosmatopoulos和Ioannou，2000年），不适当的车道变换也导致交通拥堵（Wang和Knipling，1994年）。为了评估车道变更的安全影响，开发了许多方法，尤其是基于替代测量的方法（Chai和Diew，2015年），包括轨道分析（翁和强，2014年）、交通冲突技术（Elbasyouny和Sayed，2013年）和速度剖面分析（郑、安和蒙赛尔，2010年）。这些方法的准确性和实用性在很大程度上取决于对驾驶员变道行为的理解。
以前的研究关注速度限制对驾驶行为的影响，特别关注超速问题，如驾驶员的速度感知（Milliken，1998年）、期望速度（Mannering，2009年）和遵守速度限制（Mevius，2011年）。然而，对于DPLSL高速公路上的车道变换行为还没有进行充分的调查（Yang和Sun，2012年）。
清楚了解DPLSL对驾驶行为的影响对于交通管理机构正确配置不同车道的限速至关重要。为此，本研究旨在分析某些变道行为，同时比较不同DPLSL配置下的情况。由于系统的可控性、可重复性和可设计性更强，采用了基于模拟器的驾驶实验（Dong、Richards、Yang和Jiang，2014；Shechtman等人，2007）。模拟交通情景适合于比较研究，因为许多干扰因素，如道路几何设计和背景交通流特征，都可以控制和调整。
另一个值得探索的重要方面是在DPLSL配置下行驶时的工作负荷水平，这是公认的驾驶行为和交通安全的关键影响因素。完成车道变换基本上是一个认知过程，具有协调的驾驶动作，它将产生相当程度的心理和身体工作量。使用DPLSL在高速公路上行驶可能需要额外的工作量资源，因为有复杂的限速标志和路面标记需要驾驶员注意。以前的研究发现，认知工作量的高水平会导致检测失败和反应时间的增加（Hancock、Wulf、Thom和Fassnacht，1990年；Makishita和Matsunaga，2008年）。另一方面，增加的工作量水平也可以促进特殊的安全驾驶策略，以补偿交通事故的潜在威胁（Calvi、Benedetto和Damp;apos;Amico，2017；Cantin、Lavalli_re、Simoneau和Teasdale，2009；Casutt、Martin和J_ncke，2016；Hoogendoon、Hoogendoon、Brookhuis和Daamen，2010）。为了测量和量化驾驶时的工作量水平，制定了许多方法和标准，包括生理测量（例如心率、呼吸频率和大脑活动）（Hoogendoorn等人，2010年）、反应时间（Cantin等人，2009年）和主观工作量。
综上所述，本研究旨在提出一个详细的驾驶模拟器实验设计，以探讨不同DPLSL设置下的驾驶行为。此外，本研究旨在记录测试过程中自我评估的工作量测量值，这可以反映参与者的心理和身体压力以及某些情绪体验。据我们所知，这项研究首次将这些与变道行为相关的重要方面联系起来。
以下各节首先介绍了本实验的详细内容，包括参与者、场景设计、装置、驾驶任务、驾驶工作量的自我评估方法以及所采用的行为测量。接下来，从换车道频率、换车道持续时间、横向加速度峰值、平均纵向速度以及任务工作量指标等方面比较了三种不同情况下的换车道行为。此外，还提供了一个分析，重点是不完整或危险的车道变换（例如，车道边缘滚动、不安全间隙和失效屈服）。基于所有这些结果，在最后一节中，我们总结了一个深入的讨论以及主要的发现。。
2 模型
2.1 参与者
本研究共招募了37名参与者。除一名女性驾驶人因模拟器适应症退出试验外，36名参与者成功完成了试验，其中男性驾驶人25名，女性驾驶人11名。下面的分析只涉及成功完成测试的36名参与者。
驾驶人年龄从23岁到59岁，平均年龄为37岁，自这些驾驶人获得驾驶执照以来的年数从1岁到23岁不等，实验时的平均年龄为7.6岁。任务解释后获得知情同意。数据是匿名收集的。参与者可以在任何时候终止参与实验而不产生任何后果。参加者获得100元人民币的参与费。所有实验程序均按照赫尔辛基宣言的伦理准则进行。
2.2 基本方案设计
DPLSL的概念在实践中主要应用于两种类型的配置，一种配置包括不同的最小速度限制和相同的最大速度限制，另一种配置对相邻车道应用不同的最大和最小速度限制。实验中设计并测试了三种不同的方案，包括两种典型的DPLSL方案和具有统一最大和最小速度限制的常规方案。
以单向双车道直线高速公路路段为基本道路环境。两条车道的车道宽度均为3.5 m，路段总长为4 km。在模拟器中配置了三种不同的限速控制方案，即“常规方案”、“简单DPLSL方案”和“复杂DPLSL方案”，如图2所示。
常规情况：内外车道都有相同的限速。最高限速设定为120 km/h，最低限速设定为60 km/h。在以下分析中，该情景作为参考情景。
简单的DPLSL场景：内外车道（即120 km/h）的最大限速相同，但最小限速不同（即内外车道分别为90 km/h和60 km/h）。
复杂的DPLSL场景：两条车道的最大和最小速度限制都不同。最高限速120公里/小时和100公里/小时，内外车道的最低限速分别为90公里/小时和60公里/小时。
2.3 仪器
测试是在一个高保真驾驶模拟器中进行的，该模拟器包括一个底座固定的左舵驾驶、自动变速器车辆和提供300度视野的周围屏幕，如图3所示。
图2三种方案的限速配置（a）常规场景的屏幕截图（b）每个场景的限速配置
图3驾驶模拟器的外观
测试中使用了300度模拟器屏幕的全视图。该模拟器可以为驾驶员在过肩检查时提供一个真实的视角，因此适用于研究车道变换行为。该装置能够模拟各种驾驶任务和道路交通环境的场景。模拟器车辆的细节，如驾驶舱、加速和制动踏板、方向盘和换档，都与真实车辆相同。数字模拟翼镜和后视镜也包括在内。为了复制真实的场景，该模拟器还可以提供模拟的背景噪声。
2.4 驾驶考试任务
要求每个驾驶员对相应的三个场景进行三次独立的连续测试。整个实验总共包含108个测试（36个驱动程序3个场景）。在每次测试之后，驱动程序还需要休息，在此期间他们完成了关于任务工作量索引的问卷调查。为了消除这三个场景的排序效果，每个参与者被分配一个随机的测试序列。在测试之前，要求驾驶员按正常方式驾驶，并遵守两条车道的最大和最小限速。此外，还提供了一个预热期，让驾驶员熟悉并适应该装置。司机们在准备考试时结束了热身。在每个驾驶员的测试过程中，每个驾驶之间有大约2分钟的停顿，以适应场景的变化。
整个高速公路路段分为三个部分，如图4所示，在0.4 km路段的起点称为“加速区”，在3.0 km路段的中间称为“变道区”，在0.6 km路段的终点称为“缓冲区”。在每次试验期间，试验车辆（驾驶模拟器）在外侧车道和加速区开始时被激活。驾驶员在加速区加速车辆。在接近变道区时，如果前面的车辆慢了，驾驶员可能会进行变道以获得更高的速度。缓冲区用于减速和停车。注意，只有车道变换区的数据被收集用于以下分析。
每个场景的背景交通量由10辆大小和类型相同的车辆组成，每辆车都设计为以预先定义的恒定速度运行。背景车辆的初始位置和速度如表1所示。一旦试验车辆距离起点300 m，所有这些车辆都将被激活（参见图4）背景车辆的运动设计保证它们不会相互碰撞，等等。
图4 场景平面设计（以复杂DPLSL场景为例）
表1背景车辆的初始位置和行驶速度
重要的是，由于存在多辆慢速背景车辆，它可以略微促进驾驶员改变车道的意图。请注意，为每个场景配置了内部车道上的慢速车辆（以60 km/h的速度运行）和外部车道上的慢速车辆（以70 km/h的速度运行）。
2.5 驾驶工作量自我评估
先前的研究表明，驾驶员的工作量水平对其驾驶行为有显著影响（Lavalli_re、Donmez和Reimer，2010年；Reimer，2011年；Stasi等人，2009年），因为驾驶工作量增加时需要更多的关注（Underwood、Chapman、Brocklehurst、Underwood和Crundall，2003年）。评估每个测试中驾驶员的工作量是很有趣的。本研究采用美国宇航局的任务负荷指数（NASA-TLX）方法（Hart和Staveland，1988）来评估驾驶员的工作量。要求受试者在每次测试后立即完成一份任务负荷问卷，在此问卷中，他们根据自己在测试过程中的感受，主观地评价了心理需求、身体需求、驾驶表现、努力和挫折程度。
2.6 描述车道变换行为的测量
在车道变换过程中，车辆的轨迹可以用其时变的纵向和横向运动来描述。先前的研究（Jula等人，2000年；Salvucci和Liu，2002年）发现，时间变化的横向加速度al（t）可以使用正弦函数建模，如等式（1）所示。
这里，w是车道宽度，t是完成车道变换的总时间（车道变换持续时间），t是从车道变换的起点算起的时间。通过积分横向加速度al_t随时间t，可以确定横向速度。然后，通过对横向速度随时间的积分，可以确定横向移动距离。因此，车道变换的持续时间对于反映车道变换轨迹至关重要，因此本研究将其作为描述车道变换行为的措施之一。如图5所示，两个横向加速度峰值也被用作车道变换行为的度量。
注意，根据实验数据，车道变换前后的横向加速度变化很小，因此在确定车道变换过程的起点和终点时，很难使用一定的加速度阈值。在本研究中，我们首先观察到这些车道变化，然后通过搜索第一个峰值点的加速度的第一个局部最小值以及时间的向后方向来确定起点。相反，我们仅仅通过搜索加速度的第一个局部最小值的点来确定终点，从第二个峰值的点开始，沿着时间的前进方向搜索。
车道变换过程涉及纵向加速度或减速度（Mar和Lin，2005年），但对于高速行驶的车辆而言，其幅度相对较小（Yong、Rui和Guo，2014年）。本研究直接使用平均纵向时间（s）
图5车道变换期间横向加速度的一个观察示例
在车道变换过程中反映车辆纵向运动的速度。除了这些基于轨迹的变道特性外，本研究还考虑了每次试验的变道频率。共采取了五种措施来描述车道变换行为，具体定义和解释如下：
换道持续时间：完成换道所用的时间。更准确地说，在本研究中，如果横向加速度从零开始增加，并且自达到第一个峰值后反向，然后在达到第二个峰值后降至零，则计算成功的车道变换。同时，在每次换道结束时，目标车体应完全位于目标车道上。根据这个过程，每一次车道变换的开始时间就是侧向加速度开始增加的时间。结束时间是指横向加速度归零且目标车体完全在目标车道上的时间，如图5所示。
横向加速度峰值：在整个换车道过程中，很容易理解前半部分，车辆向合流方向增加横向加速度。如果横向加速度继续保持在这个方向，车辆将继续增加其横向速度和向合流方向的位移。最终，车辆在每次换道结束时的横向速度应大约为零。因此，车道变换过程中有一部分在相反方向上具有横向加速度，以使进入目标车道的初始横向速度中性。换言之，零水平线和加速度曲线包围的区域（参见图5）对于上x轴部分和下
资料编号：[5999]
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