基于实车驾驶数据的信号交叉口车辆运行特性

龙岩松， 徐 进,2*， 潘存书， 孙子秋

(1.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074； 2.山区复杂道路环境“人-车-路”协同与安全重庆市重点实验室， 重庆 400074)

信号交叉口的延误包含停车等待时间和损失时间，其中损失时间主要由车辆减速和启动加速过程由于速度折损造成时间损失构成。掌握车辆在交叉口的运动学行为特性是分析交叉口微观运行状态的核心，车辆在信号交叉口减/加速度的实测值和分布是计算损失时间和通行能力的基本依据和基础参数，因此，理解车辆的减速和加速行为是描述交叉口车辆运行特性的关键环节。

许多学者对交叉口的车辆运行状态和驾驶行为特性进行了研究，唐克双等[1]从交叉口视频图像中提取了车辆在相位切换时的加速度以及绿灯相位下的减速度，分析了交叉口的危险驾驶行为特征。江泽浩等[2]建立了随机效应Logistic模型以描述车辆在绿灯倒计时下的“通过/停止”决策行为。马新露等[3]通过图像识别环形交叉口的车辆轨迹数据，引入驾驶心理参数，建立了车辆在信控环形交叉口的元胞自动机模型。冯仁科等[4]通过实车驾驶实验采集驾驶员生理参数和车辆运行速度，建立了驾驶人心生理指标与减速度的关系模型。白婧荣等[5]通过采集设有纵向减速标线的城市道路交叉口路段和未设置标线的交叉口路段的流量、速度、驾驶员瞳孔指标和车辆横向偏移量等数据，进行统计分析，发现设置纵向减速标线有利于驾驶人提前控制车速，提升交叉口安全性。Zhu等[6]针对信号相位切换情况下引起的车辆刹车减速行为进行研究，改进优化速度模型以描述信号交叉口车辆的跟驰行为。魏福禄等[7]基于信号交叉口的实测数据，分析了不同转弯半径下左转车辆的速度分布特性，构建了改进的全速度差模型。雷朝阳等[8]针对信号交叉口通行效率问题提出了一种考虑信号灯状态的经济车速引导模型。Liao等[9]结合认知科学和最优控制思想，运用分层控制结构建立了各类交叉口的减速停车行为模型。Aswad-Mohammed等[10]分析了信号交叉口的视觉注意力分配与停车时间、车头时距以及跟车类型之间的关系。Almallah等[11]基于信号交叉口的视频图像数据，分析了启动加速度和加速度变化率与反应时间之间的关联性。

目前，针对信号交叉口的驾驶行为研究主要是以跟驰行为、驾驶决策行为和速度控制行为为主。现有研究大多针对于车辆从进口道驶入交叉口的这一过程，分析信号交叉口环境因素、驾驶人因素对于车辆运行状态变化的影响，缺乏对于车辆驶离交叉口这一过程的研究。而且，未给出红灯相位减速停车时的减速度和绿灯启亮后启动加速的加速度这两个核心参数的统计特征值和阈值，并对仿真模型参数进行标定和验证。同时现有的手段主要是通过视频图像来提取车辆运行状态，存在误差大、视频覆盖区域受限的严重局限。为对车辆从驶入到驶出信号交叉口这一连续行为进行系统、精确的研究，基于实车驾驶试验，采集车辆连续运行参数，分析车辆在信号交叉口的速度时变特性，确定信号交叉口车辆减速度和加速度的值域，为跟驰模型以及微观交通仿真提供核心参数的标定值，为交叉口的信号配时和交通管理提供实测数据参考和理论依据。

1 试验方案

1.1 试验地点

在重庆市主城区开展了实车驾驶试验，共包含8处信号交叉口，图1所示为所选取信号交叉口的全景图，8处交叉口几何形状各异，基本涵盖了城市道路上常见的几种交叉口类型。表1所示为各交叉口的主要信息。驾驶试验分为两处地点开展，第1～5处为渝中区的5处信号交叉口，第6～8处交叉口位于南岸区。

图1 试验选取的信号交叉口

表1 试验地点主要信息

1.2 试验设备及车辆

使用前向碰撞预警系统Mobileye 630(图2)读取汽车CAN总线数据，读取频率约为10 Hz。Mobileye输出的数据文件中包括速度、时间、道路曲率、车间距等信息。对速度进行差分可以计算出车辆纵向加速度，利用移动平均滤波器对实时速度以及纵向加速度进行平滑处理，去掉信号噪声和毛刺。在车辆前车窗和右侧车窗各安装一台行车记录仪，记录车辆在行驶过程中的周围道路环境，在后期处理数据时，对车速变化的原因进行分析。试验车辆为别克GL8和现代胜达，均是城市道路上常见的车型。

1.3 试验人员及试验安排

实车驾驶试验共招募了63名身体健康、具有熟练驾驶经验的驾驶人，有3位驾驶人的数据丢失或者记录中断，有效试验人数为60人，其中男性36人，女性24人。驾驶人的年龄分布为23～51岁，平均年龄为36.5岁；实际驾龄分布为2～22年，平均驾龄为10.1年。

测试前仅告知驾驶人行驶路线，为尽可能多的采集到驾驶人受交通信号阻滞的数据，每位驾驶人按照既定路线进行2～3次的驾驶循环。试验过程中，让驾驶人按照自己的平时的驾驶习惯开车，对于驾驶人的操作不做任何干预和提示，以采集自然驾驶状态的行驶数据。

2 信号交叉口的减速/加速行为特征

本文中主要研究驾驶人在交叉口的减速停车行为，以及绿灯启亮后的车辆起步加速行为。因为每次驾驶试验车辆不一定停在停止线处，按照驾驶人在交叉口的停车位置将驾驶人通过交叉口的驾驶行为划分为减速行为和加速行为。

从速度曲线中甄别出在交叉口有停车行为的行程并进行标记，然后将不同被试的速度曲线叠加在同一坐标系，如图3所示。8处交叉口的几何结构、视距和车流量存在差异，驶入时的行驶速度变化曲线也存在区别。图3(a)、图3(c)、图3(d)3处信号交叉口的车流量饱和度较高、通视性较差，速度曲线在距离停车位置很近时才具有明显的减速、加速趋势，车辆距离停车位置较远时速度波动较大。而图3(b)、图3(e)、图3(f)、图3(g)、图3(h)5处信号交叉口的进口道路段均为平直线，车流量较低，跟车行为较少，车辆速度变化趋势比较稳定，趋势性较强。

图3 试验交叉口的车辆速度曲线

通过回看行驶过程的视频图像，按照试验车辆受前车影响的情况，试验车辆在驶近交叉口信号灯的减速行为可分为2种，自由流减速停车和跟车减速停车；加速通过交叉口的行为可分为有交通冲突和无交通冲突两种情况。当车流量较大时，车辆运行速度主要受交通干扰的影响，不能很好反映驾驶人的驾驶意愿；而车辆在不受交通影响时的速度变化主要是由驾驶人的风格和驾驶经验决定的，具有较强的规律性。因此，将试验中车辆在交叉口不受交通干扰的数据汇集到一起，对车辆在信号交叉口以自由流状态进行减速的行为和无交通冲突加速行为的速度特性进行研究。

2.1 减速行为特性

查看行驶视频图像，对自由流的行驶数据进行标记，提取出自由流的汽车行驶速度曲线并叠加在同一个坐标系内，如图4(a)所示，曲线样本数为137条。从交叉口前200 m到车辆停车每隔50 m划分一个断面，统计出85th、中位值、15th分位值，如表2所示。当车辆以自由流驶入交叉口时，车辆速度普遍较高，介于55～80 km/h之间。本文中试验道路的最高限速为60 km/h，驾驶人在交通状况较好时会选择较高的行驶速度来驶入交叉口，甚至是超速行驶。

图4 车辆驶入交叉口停车前的减速行为

表2 特征断面的速度分布

在-200 ～100 m区间内，车速幅值平缓下降，但速度幅值的分布区间没有明显的变化，各断面85th车速和15th车速差值基本都在20 km/h左右；从-100 m断面位置起车速下降较快，车速幅值分布

区间明显趋于收敛，并逐渐在停车点降为零。基于此，可以判定驾驶员在交叉口前100 m至停车时表现出更强的减速意愿，其中最后50 m内的速度下降幅度最大。

车辆在信号交叉口的减速停车行为是典型的预见性制动，驾驶人根据实时的车速、车辆位置以及对前方交通状况的判断，做出决策并采取相应的驾驶操作，以使车辆安全、平稳地在目标位置停止。将驾驶人在交叉口减速制动的初速度和减速距离数据绘制成散点图，如图4(b)所示，能发现制动初速度与减速距离具有明显的相关性，即减速距离随着初速度的增大呈非线性的增长，并且，初速度越高，各散点的离散程度越大。对初速度和减速距离数据进行曲线拟合，如表3所示，其中幂函数的拟合精度最高，得到初速度V0与制动距离S的关系式为

表3 初速度与减速距离拟合公式

(1)

2.2 加速行为特性

图5(a)所示为车辆起步之后的速度实测值曲线，其变化趋势与减速曲线相比具有一定的对称性。表4所示为按50 m长度间隔设置断面，提取断面上的速度分位值，可以看出从车辆启动开始到50 m断面处，速度幅值的分布范围逐渐增加，行驶了50 m之后车速分布的离散性趋于稳定。与表3进行对比，车辆加速驶离过程中的断面车速都明显小于减速驶入过程中对应断面位置的车速，因此，车辆在无交通干扰的情况下，驾驶人驶离交叉口时需要更长距离才能加速至期望速度。

表4 特征断面的速度分布

车辆驶离交叉口时的加速行为是一个速度持续上升并在达到目标速度后保持一个稳定车速行驶的过程。从每条速度曲线中识别出车辆达到稳定速度时的行驶位置，即加速距离，得到“加速距离-稳定速度”散点数据，如图5(b)。虽然车辆在交叉口的减速曲线与加速曲线具有一定的对称性，但距离-速度的散点数据分布存在显著差别，加速行距离-稳定速度散点数据呈带状分布。对散点数据进行曲线拟合，由表5可看出各模型拟合精度相差不大。

图5 绿灯相位车辆启动后的行驶速度

表5 稳定速度与加速距离拟合公式

2.3 纵向加速度特性

纵向加速度是描述车辆运动学行为的重要参数，将纵向加速度分为制动减速度(驶入交叉口)和加速度(驶离交叉口)。根据实测数据，计算得到车辆在减速过程中的平均减速度和加速过程中的平均加速度，分别对其进行升序统计，得到纵向加速度累积频率曲线，如图6所示。从图中能观察到2条累积频率曲线彼此分离，说明车辆在信号交叉口的制动减速度与加速度之间存在显著的差异，减速度总体上大于加速度。对试验样本的制动减速度和加速度的均值进行计算，车辆在交叉口的减速度均值为-0.921 m/s2，标准偏差为0.269；加速度均值为0.785 m/s2，标准偏差为0.206；85th加速度值为1.02 m/s2，85th减速度为1.19 m/s2。

图6 纵向加、减速度累积频率曲线

3 驶入/驶离信号交叉口的驾驶模式

3.1 驶入交叉口时的减速模式

即使车辆在交叉口的减速行为不受周围车辆影响，在减速过程中的减速度也不是一个定值，图7(a)是车辆减速过程的速度-时间曲线，能观察到汽车行驶速度并不是线性下降；图7(b)是加速度-时间曲线，车辆从开始减速至停止的过程中，减速度呈一个先增大后减小的变化趋势。按照减速度曲线变化的特点，车辆在交叉口的减速行为可分为3个阶段，如图7(b)中的虚线标注。

图7 车辆驶入信号交叉口时的速度和减速度曲线

(1)阶段Ⅰ: 减速行为的开始阶段，车辆会保持一个较小的减速度进行匀减速，该阶段减速度保持一个相对稳定的值，驾驶人在该阶段松开油门踏板，发动机转速降低，利用发动机的运转阻力对车辆进行减速。

(2)阶段Ⅱ: 驾驶人踩下制动踏板，制动减速度逐渐增大直到达到曲线波峰位置，辆制动减速度的幅值变化取决于驾驶人对制动踏板施加的力和行程。

(3)阶段Ⅲ：驾驶人松开制动踏板，制动减速度由波峰值减小至零，车辆停止。

以减速度中位值曲线为例，整个减速过程持续约32 s，其中阶段Ⅰ持续19 s左右，阶段Ⅱ维持14 s，阶段Ⅲ持续5 s然后停车。由此可知，驾驶人在距离交叉口较远、车速较高时松开油门后不会立即使用制动踏板对车辆进行减速，而是松开油门踏板，依靠车辆的惯性继续行驶，此阶段车辆会进行轻微减速。

在图7(b)中，85th、50th和15th减速度曲线的峰值分别为-2.035、-1.302、-0.767 m/s2,此时对应的车速分布介于8～20 km/h，说明驾驶员在减速到这个速度区间内会开始松开制动踏板，减小车辆制动减速度，如果继续增大制动力会使车辆在未到达目标停车位置时就停下。减速行为的第一个阶段，驾驶人的主要目的是停止给油，使车辆依靠惯性以较快的速度接近交叉口，提高燃油经济性。第二个阶段，是驾驶人根据前方交通信号，操纵制动踏板逐减增大减速度，使车辆速度迅速下降，达到一个安全车速。第三个阶段，车辆速度在降到一个较低值时，驾驶人会逐渐松开制动踏板，放缓车辆的减速制动，以使车辆能在目标停止位置停下。

3.2 信号交叉口的加速行为模式

图8(a)所示为车辆驶离信号交叉口时的速度-时间曲线，给出了15th、50th、85th速度曲线，能看到车速并不是线性的增加。图8(b)所示为辆驶离交叉口时的加速度—时间曲线，车辆在加速过程中，加速度在整体上呈先增大后减小的变化趋势。在加速过程中，车辆加速度的幅值变化主要是由车辆传动系的结构特点决定的，车辆从刚起步时加速度随着驾驶人踩下油门踏板而迅速增大，随着速度升高变速器挡位也升高，传递的扭矩减小，加速度也随之减小。

在图8(b)中，3个特征百分位加速度曲线的峰值出现在车辆起步后的2～3 s，15th、50th、85th加速度曲线的峰值分别为0.934、1.309、1.678 m/s2。加速度峰值对应的车速分布介于8～14 km/h，分布区间比红灯相位减速过程所对应的速度分布更加收敛，这是因为在减速行为中，减速度在达到峰值后下降是由驾驶人松开制动踏板导致的，而加速行为中车辆加速度在达到峰值后下降是由挡位升高所致。

图8 车辆驶离交叉口时的速度和加速度曲线

4 结论

(1)在车流量较低的情况下，大部分驾驶人会以较高的车速驶近交叉口并开始减速；在加速通过交叉口的过程中，同一距离范围内的速度幅值低于驶入交叉口时的速度。建议在车流较少的交叉口进口道设置减速标线或者立体标线，降低车辆的驶入速度，提升交叉口的安全性。

(2)车辆驶入交叉口的减速过程中，停车前100 m范围内速度快速下降，前50 m趋势最明显；而绿灯相位车辆起步后，从起步开始至行驶50 m的区间内车速上升趋势最为明显；加速时的断面速度分布比减速的速度分布更收敛。

(3)信号交叉口的减速度总体上大于加速度，平均减速度为-0.921 m/s2，平均加速度为0.785 m/s2；85分位加速度值为1.02 m/s2，85分位减速度为1.19 m/s2。

(4)驶入交叉口时的减速模式可以分为3个阶段，阶段Ⅰ：驾驶人松开油门，使车辆在高速行驶时依靠惯性继续前行，车辆轻微减速；阶段Ⅱ：踩制动踏板，制动力逐渐增大，车速迅速下降；阶段Ⅲ：逐渐松开制动踏板，减缓车速的下降，使车辆能在目标位置停下；减速度峰值出现在停车前的5 s内。

(5)绿灯相位车辆起步后的2～3 s内随着油门开度增大，加速度迅速增大至峰值；在达到相应车速后，车辆挡位升高，传动扭矩减小，加速度减小。