微观交通流仿真中驾驶员类型划分的研究1

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1、精品论文推荐微观交通流仿真中驾驶员类型划分的研究1隽志才，李艳玲，宗 芳 吉林大学交通学院，长春（130025） E-mail: zcjuan摘要：现代化道路交通把人、车、路、环境（交通四要素）融合为一体，成为动态与静态相结合的错综复杂的社会大系统。其中，人（尤其是驾驶员）作为主体因素在协调和控制交 通的四要素中起着十分重要的作用。由于影响驾驶行为的因素具有多样性、复杂性、模糊性、延续性、相关性、随机性、时变性和不确定性，同时驾驶员本身具有自适应性、自学习性， 对于同样的信息输入,不同特征的驾驶员（驾驶目的、个性信息、生理因素、心理因素、驾驶技术水平等不同）会作出不同的行为反应，在进行实验研究

2、和数据采集时，很难对驾驶员 进行分类。目前的研究大多数是分析驾驶员在交通事故、交通安全及交通拥挤状况下的行为反应，并在此基础上，对驾驶员进行类型划分，而忽略了驾驶行为的模糊性，不能为微观交 通流仿真所应用。本文对驾驶行为进行分析，提出一些驾驶行为模式的特征参数，如，期望距离、反应时间、期望速度、速度、加减速度等，利用聚类分析的方法，确定驾驶员的反应 强度，将驾驶员分为保守型、普通型、冒险型，为实验研究和数据采集提供理论依据。关键词：驾驶行为；车辆跟驰；车道变换；模糊性 中图分类号：U491.11. 引言现代化道路交通把人、车、路、环境（交通四要素）融合为一体，成为动态与静态相结 合的错综复杂的

3、社会大系统。ITS中许多系统功能的实现，如先进交通管理系统、先进车辆 控制系统等，都需要交通四要素之间协同工作来保证。这些系统主要面向由车辆运行而形成 的机动车交通流。在车辆行驶过程中，驾驶员要不断经历4个阶段：感觉阶段、认识阶段、 综合判断决策阶段、执行阶段，实现车辆跟驰、超车、变换车道等实际运行过程。这些过程 的实现不是孤立的，而是通过驾驶员、车辆（各部件）、道路、环境之间协同作用来实现的。 其中，人是主体因素，在协调和控制交通的四要素中起着举足轻重的作用。由于影响驾驶行 为的因素具有多样性、复杂性、模糊性、延续性、相关性、随机性、时变性和不确定性，同 时驾驶员本身具有自适应性、自学习性，

4、对于同样的信息输入,不同特征的驾驶员（驾驶目 的、个性信息、生理因素、心理因素、驾驶技术水平等不同）会作出不同的行为反应，在进 行实验研究和数据采集时，很难对驾驶员进行分类。遗憾的是有关这方面的文献却不多，据资料显示1234，目前的研究大多数是根据驾 驶员驾驶目的、个性信息（年龄、性别、职业、道德、文化程度等）、生理因素（驾驶疲劳 等）、心理因素（气质、性格、情绪、智力水平等）及驾驶员技术水平（驾驶年龄、驾驶经 历、对驾驶环境的熟悉程度等），分析驾驶员在交通事故、交通安全及交通拥挤状况下的行 为反应，并在此基础上，对驾驶员进行类型划分。这些研究较全面的分析了驾驶员的个性信 息、生理因素、心理因

5、素和驾驶员技术水平，但没能充分考虑驾驶员在驾驶车辆时所做出的 心理、生理活动具有不确定性和模糊性，而且驾驶员总会利用一些语言推理形式完成车辆的 控制过程，例如,驾驶员会觉得前车速度有点快,而且间距有点大,所以应该加点速。这样一些 语言推理,适合于用模糊数学的有关知识来分析。因此，本文利用聚类分析的方法，从驾驶员行为模式的特征参数出发，对微观交通流仿1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：2007AA11Z124）的资助。-6-真中交通四要素（人、车、路、环境）中驾驶员进行类型划分，以为实验研究和数据采集提供依据。2. 驾驶行为分析汽车是由驾驶员驾驶并在道路上行驶的交通工具。从汽车

6、、驾驶员、道路和环境四者之 间的信息传递过程看，驾驶员作为这个复杂的道路环境和汽车之间的中介环节，一方面直接 感知外界道路环境信息和汽车本身的状态信息等其驾驶车辆所处道路交通环境条件及其变 化的趋势，这些信息包括通过视觉获得前方道路宽窄及曲率变化、前方有无障碍物及车辆等， 通过路感或车速表等获得汽车加速度、速度等状态信息；一方面利用这些信息再加上其他一 些考虑因素，如驾驶经验的多少、心理和生理的限制和疲劳程度等，及有关道路交通法规等， 经过分析、预测、判断，从中决策出操纵汽车运动的有关指令信息，通常是决策预期轨迹； 一方面又根据决策出的指令信息并结合汽车动力学特性及驾驶员滞后特性等对指令信息进

7、 行一定的校正，进而发出实际的操作动作来控制汽车的运动，如转动方向盘或控制油门踏板 或制动踏板位置等，使之不断适应所处道路交通环境的条件,也是汽车驾驶员、车辆、道路、 环境四者之间不断调节的动态过程。因此，驾驶员的轨迹决策行为是驾驶员在头脑中对汽车 预期轨迹进行选择和判断的思维决策活动。按照认知心理学、生理心理学和系统决策理论， 驾驶员的轨迹决策行为实际上就是一个综合考虑众多影响因素的多目标决策问题，且驾驶员 的多源信息协同认知过程和决策判断行为又具有模糊性、主观性和不精确性，以便能够减少 汽车的燃油消耗，提高车辆的动力性，使车辆安全、高效、舒适、轻便、合法的行驶。3. 驾驶行为模式特征参数的

8、提出在进行数据采集工作时，需要考虑以下车辆及道路交通环境属性：（1）车辆属性：车辆的种类、长度、宽度；车辆的性能（如动力性、燃油经济性、通过 性、舒适性、安全性）；车辆设施（如方向盘、操纵杆、脚踏板、前照灯、尾灯、挡风玻璃、 后视镜、仪表）；车内环境（如温度、湿度、亮度、噪声）等。（2）道路参数：道路（公路和城市道路）类别、等级；路段的编号、名称、起始点、方 向及各个方向上的车道数；车道宽度及速度限制；交叉路口形式（如有控制交叉路口、无控 制交叉路口、环岛交叉路口、立体交叉路口及直角交叉路口、T 型交叉路口、斜交交叉路口、 Y 型交叉路口、十字道交叉路口）；道路线形参数（弯道平曲线半径；坡道坡

9、度）；路面湿度、 平整度、材料等指标。（3）道路的交通流参数：交通流流量、流速、密集度；交通流中各类车型所占比例；混 合交通流中行人与非机动车所占比例等。（4）道路交通设施：交叉路口的信号灯控制装置；车流量的检测设备（如传感线圈）；电 子警察；交通信息电子公告牌；道路交通标志（如警告标志，禁令标志，指示标志，指路标 志，辅助标志）；道路交通标线（如车行道中心线，车道分界线，车道边缘线，停止线，减 速让行线，人行横道线，导流线，出入口标线图，导向箭头，左转弯导向线，路面文字标记）； 人工结构物（如分隔带、绿化带、路肩、边沟、护坡、挡墙）等。（5）道路交通状况历史数据：交通路段的建设情况；某路段的

10、交通事故量、伤亡人数等。（6）环境参数：道路景观；视野、视线；气候（如冰雪雾雨、温度、湿度）等。 有了上述属性数据后，通过问卷调查的方式，选取一定的道路交通环境，提出驾驶行为模式特征参数。3.1 车辆在一路段（非交叉路口）行驶情况3.1.1 车辆自由行驶状态 车辆在路段上自由行驶时，驾驶员在保障安全极限范围内和合法性行驶的同时，都希望通过一定的加速度以一个期望速度行驶，这与驾驶员的驾驶目的、车辆是否为私家车、年龄、性别、驾驶疲劳、气质、性格、情绪、驾驶经历等有关。一般而言，有急事的驾驶员在保障 安全性和合法性时期望速度越快越好；年长者比年轻者期望速度小；女性驾驶员比同龄、相 同驾驶经历的男性期

11、望速度小；驾驶疲劳者由于感觉器官功能减退，智力和记忆力下降，情 绪低落，注意力不易集中，反应时间变长，判断力差，行驶速度减慢，不能及时迅速地做出 调节性操作动作，为了安全期望速度小；气质为多血质或胆汁质、性格为情绪型、情绪肯定 的驾驶员精力旺盛，对外界刺激反应快，期望速度大。3.1.2 车辆跟驰 当路段交通流密集度达到一定值时，前导车与后随车的距离（时间/长度）小于某个极限值，认为前导车行为将对后随车产生影响，车辆就处于跟驰状态。在车辆跟驰过程中，驾驶员要时刻注意与前导车的相对速度、相对距离和前方道路交通信息（主要注意前方车辆是 否转弯、是否有行人和非机动车或其它车辆出现、是否有障碍物或道路维

12、修、施工）及前导 车尾灯，当两车相对距离、相对速度，后车与前方障碍物的相对距离超过驾驶员的阈限时， 驾驶员就会操纵车辆与前导车或前方障碍物保持一定的期望距离，确保安全或以免产生可插 车间隙。不同驾驶行为特征的人其相对速度、相对距离的阈限值和期望距离也不同，它主要 与驾驶员的技术水平（对驾驶员而言相对稳定）、驾驶员的状态（疲劳程度等）、驾驶员的 性格、视觉状况、精神状态和注意力有关，还与当前交通特性有关。3.1.3 车辆换道 通过对道路上运行的机动车交通流的大量观察统计，驾驶员在车道变换时一般会考虑以下几种情况：（）当前车道阻塞；（）当前车道汇入另一条车道（如匝道合流）；（）当前车道禁止使用；（

13、）可变信息牌做出的换道要求；（）车辆的目的地需要转向另一条车 道（如分流、转弯等）；（）为了追求更快的车速、更自由的行驶空间而超越前方的低速车 辆或重型车辆；（）车辆汇合时，车辆主动让路；（）为了摆脱其快速驶近的后车的压力， 由超车道变换到行车道等。不同驾驶员在各种情况下进行车道变换的差异性都很大，同一驾 驶员在同一情况下但在不同时刻也往往会有不同的反应，这说明车道变换驾驶行为与每个驾 驶员的生理、心理特性有很大的相关性，驾驶员的主观意愿起了很重要的作用。一旦产生了车道变换的意愿，驾驶员紧接着就要进行目标车道的选择。一般情况下驾驶 员都会结合自己的喜好选择一条符合车道变换要求的车道作为目标车道

14、。然后判断目标车道 是否具备有利的时间和空间条件。一般驾驶员要考虑两方面因素：一是时间因素，驾驶员所 估计的车道变换时间要得到道路、交通环境的允许或者在时间上保证驾驶员的感知、决策和 操纵控制车辆使车辆顺利地实现车道变换。特别是在两车道对向行车的交通情况下，在超越 前方低速车辆进行的两次车道变换过程中，驾驶员要充分考虑时间因素，防止与对向来车发 生碰撞。二是空间因素，即是否具有可插车间隙，这时驾驶员要考虑目标车性能、尺寸以及 目标车的瞬时速度、目标车与当前车道前导车之间的临界距离、目标车与目标车道后随车之 间相对速度和临界距离、目标车与目标车道前导车之间的临界距离等因素，当目标车辆只有在满足与

15、当前车道前导车、目标车道前导车和目标车道后随车各车之间的实际距离均大于各临界距离时才会考虑实施车道变换行为。3.2 交通信号、交通标志等道路设施对驾驶行为的影响分析按照生理心理学和认知心理学，车辆在行驶过程中，驾驶员要对外部世界（如行人、交 通信号、交通标志等）有一个感觉、知觉、注意、学习、记忆、思维的认知过程。在驾驶员 的认知过程中，必然伴随着对认知客体与自身关系的理解或体验，这就会出现情绪、情感、 气质、性格、动机、意向等驱动的行为。通过问卷调查发现，对于一部分驾驶员来说，他们 在多源信息协同认知的过程中，对一些交通信息是无意注意、不感兴趣或不遵守交通标志所 规定的，而有些驾驶员在开车时谨

16、慎小心，在遇到交通标志和交通信号时及时减速，不同的 驾驶员在经过交通信号、交通标志等道路设施时速度、加减速度不同，这主要与驾驶员的性 格、情绪、驾驶经历、对道路交通环境的熟悉程度和是否遵守交通法规等有关。同时，按照 人机工效学，通过对驾驶员生理心理特征的分析，驾驶员在受到某种刺激后所做出的反应不 可能恰在给与刺激的同时从肌体那里发出，而是需要一定的反应时间，这是人体本身固有 的特性，它与驾驶员对行车环境的熟悉程度、驾驶经历、驾驶员的年龄、性别、气质、状态 等有关，据有关研究，熟悉行车环境的驾驶员反应时间就短，反之就慢；新驾驶员由于驾驶 经历少，反应比较慢，中年驾驶员反应比较快，老年驾驶员反应比

17、较慢；女性驾驶员比同龄、 相同驾驶经历的男性反应时间长， 具有不同气质的驾驶员的反应时间也不一样，多血质的 人生动活泼,对外界刺激反应迅速；胆汁质的人富有精力，兴奋性高，反应时间短；粘汁质 的人表现安静，动作迟缓，反应时间长，同时,反应时间的长短与外界因素刺激的强弱和数 量有关，刺激量大反应就快，刺激量小反应就慢，饮酒或服用药物(如镇静剂、催眠药和具 有兴奋作用的药物等) 也会影响驾驶员的反应时间。3.3 操作量通常情况下驾驶员都希望在保证安全而合法行驶的前提下，尽可能减少操作量及其变化 来完成驾驶任务，以减轻自身操作负担，这主要与驾驶员状态、驾驶年龄、驾驶经历、驾驶 员对驾驶环境的熟悉程度有

18、关，然而，也有一些驾驶员愿意增加一定的操作量以提高车辆速 度，这主要与驾驶员年龄、性别、性格、情绪有关，一般所选用的参数是在一定的道路交通 环境下，针对一定的车型，驾驶员所期望的最大操作频率。4. 对驾驶员分类4.1 测量驾驶行为特征参数值通过上面的分析，我们选一批驾驶员，分别在不同的道路条件（如车道宽、车道数、坡 度、转弯半径、道路交通标志、道路交通标线等），不同的交通条件（如流量、速度、密度、 行人与非机动车、信号配时方案、交通安全设施及结合智能运输系统的有关功能等），不同 的环境条件（如视线、冰雪雾、湿度、热度、噪声等）、不同的车辆性能（主要指车辆的制 动性和加速性）下，对驾驶员进行实验

19、，根据上面选取的参数，求取驾驶行为特征参数值。4.2 标定设论域 U=u1,u2,u3,un，其中 ui 代表第 i 个驾驶员，对每一个驾驶员 ui 都有一组驾驶 行为特征参数值 xi1,xi2,xim 来表征，通过公式1当 i=j 时mrij=1-C xik x jkk =1当 i j 时建立 U 上的相似关系，得到相似矩阵 R，取 C=0.1，使 0 rij 1。4.3 聚类由于这种相似关系一般来说只满足自反性和对称性，不满足传递性，不是模糊等价关系， 需要将 R 改造成模糊等价矩阵 R*，确定每个驾驶员的反应强度，然后再在适当的阈值上进 行截取，将驾驶员分为保守型、普通型、冒险型。改造的

20、方法是由“传递闭包”理论而来，将 R 自乘得 R o R=R2，再自乘 R2 oR2=R4，如 此继续下去，得 R8，R16，直至 R2k=Rk为止。则 Rk 便是一个模糊等价关系。5. 结束语在车辆运动过程中，车辆的行驶取决于驾驶员多源信息协同认知过程与判断决策的结 果。由于驾驶员特征的多样性，以及车辆行驶环境条件的动态变化性，不同的驾驶员在不同 的情况下会做出不同的驾驶行为，这一过程具有复杂性、不确定性和模糊性，很难进行驾驶 员特征分类，而聚类分析的方法在解决这类问题时有突出的优势。但在驾驶过程中影响驾驶 员行为的因素有很多，本文只对一些主要因素作以分析，同时驾驶员行为特征参数也不只本 文

21、所提出的那些，还有待进一步的研究。参考文献1 Thomas A.Ranney.Psychological factors that influence car-following and car-following model developmentJ.Transportation Research, Part F 2, 1999: 213-219.2 Peter Hidas.Modelling lane changing and merging in microscopic traffic simulationJ. TransportationResearch, Part C 10, 200

22、2: 351-371.3 Wim van Winsum.The human element in car following modelJ.Transportation Research, Part F 2, 1999:207-211.4 贾顺平，李志鹏车辆跟驰模拟中的驾驶行为与模糊逻辑控制J北方交通大学学报，2002，5：63-665 高振海，管欣，郭孔辉模糊决策理论在驾驶员行为研究中的应用J系统工程理论与实践2001，6：104-1076 Mark Brackstone, Mike McDonald. Car-following:a historical reviewJ. Transpor

23、tation Research, Part F 2,1999: 181-196.7 Masahiro Hashimoto,Takamasa Suetomi, Akihiro Okuno, Hiroki Uemura. A study on driver model for lane change judgementJ.JSAE Review 22, 2001: 183-188.8 汪安圣认知心理学M北京：北京大学出版社9 沈政，林庶芝生理心理学M北京：北京大学出版社Research on Driver Type Division in Microscopic TrafficFlow Simul

24、ationJuan Zhicai，Li Yanling，Zong FangTransportation college, Jilin University, Changchun (130022)AbstractModern road traffic makes people,vechiles,roads and environment(the four elements of the traffic)together.,and it becomes a complex social system with combination of static and dynamics.Among the

25、m,as the main factor of the four traffic elements in coordination and controlling,people(especially the drivers) play an important role.Due to the factors impact driving behavior are diverse, complex, fuzzy, continous, relevant, time-variable and uncertain,and at the same time drivers can self-adapt

26、ive and self-learning,with the same input information,drivers of different characterristics (the purpose of driving, personality, physical factors, psychological factors,different levels of driving skills) wouldmake different responses, in the experimental research and data collection, it is difficu

27、lt to classify thedriver.The reaction behavior is majority analysed under the condition of traffic accidents, traffic safety and traffic congestion in the current research.On that basis,the driving type is divided,and the fuzziness of the driving behavior is neglected,so it cant be used by microscop

28、ic traffic flow simulation.The driving behavior is analysed in this paper,some characteristic parameters of driving behavior pattern is proposed,e.g. the expected distance,the reaction time,the expected speed,speed, the acceleration and deceleration and so on,the drivers response intensity is determ

29、ined by cluster analysis,the drivers are divided into conservative type, common type and adventure type. The research results provide theoretical basis to experimental research and data collection.Keywords: Driving behavior; Car-Following; Lane-changing; Fuzziness作者简介：隽志才，男，1954 年生，工学博士，教授，主要研究方向是交通运输系统规划。