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高速公路养护作业区车辆换道行为及模型研究

吴江玲  
【摘要】:高速公路养护作业区封闭部分车道的路段上,车辆需在合流点前完成换道,且因作业区及其影响区域内交通条件的特殊性,可能促使车辆频繁的变换车道,极易导致交通流紊乱和道路通行能力进一步降低,也非常容易引发交通事故,另一方面,养护作业区车辆换道行为特征的捕捉、获取难度和建模的难度很大。随自动驾驶车辆发展水平提高,若想真正的实现在道路上、无人操作乃至无人监管状态下行驶,需对实际道路交通中的车辆换道行为做更精准了解和深入的基础理论研究。论文在总结国内外现有研究的基础上,运用生存分析的非参数估计方法,构建了基于车辆个体行为的养护作业区车辆强制换道持续时间模型,深入研究了高速公路养护作业区车辆强制换道持续时间分布规律;构建高速公路养护作业区车辆换道的Cox比例风险模型,并通过生存分析的半参数估计方法对所建立的模型进行估计,定量分析了各协变量对车辆换道行为的影响。最后,通过改进Schakel的LMRS换道模型,将实测的换道非平衡过程中的预判过程纳入到建模中,建立了适用于分析养护作业区车辆换道行为的换道模型。具体研究工作包括:(1)对高速公路养护作业区道路交通和安全特性、跟车和换道行为研究现状、生存分析方法在作业区车辆换道行为研究方面的适应性进行了分析和总结。从养护作业区段道路、交通特征和安全性方面探讨养护作业区特性;对跟驰模型、换道模型现有的研究成果做了回顾,重点对换道模型的分类、换道模型理论对比、现有换道模型的局限性和建模的难点和挑战进行了总结;从实验观测换道持续时间的特性和车辆换道行为的删失数据两方面阐述了生存分析方法在作业区车辆换道行为研究方面的适应性。(2)养护作业区车辆换道行为的实证调研,对论文建模过程中所需数据进行采集、处理与分析。选取典型养护作业区为调查对象,对几种采集车辆轨迹数据的方法进行对比后,选择基于无人机(UAV)的交通数据采集方法,设计实验,制定调查方案,采集自然驾驶状态下的交通数据;对获取的基础视频数据,利用视频处理软件Simi Motion进行处理,对得到的初始数据进行清洗,从车辆换道起点至终点的整个换道持续过程的轨迹数据中提取出随时间变化的速度、加速度和位置信息,分析养护作业区车辆换道实施过程,对实测车辆换道宏观交通流特征和微观波动稳定性和换道非平衡过程进行了分析。(3)构建了基于车辆个体行为的养护作业区车辆强制换道持续时间模型,分析高速公路养护作业区车辆强制换道持续时间分布规律。首先建立车辆在养护作业区的强制换道持续时间函数,然后用乘积限和生命表非参数估计方法对车辆换道持续时间分布进行估计,并采用非参数检验针对不同影响因素下的车辆换道持续时间分布的差异性进行定量比较。(4)建立了养护作业区车辆换道的Cox比例风险模型,分析了车型、交通特征、环境特征等宏观影响因素对车辆换道行为的影响。首先构建了高速公路养护作业区车辆换道的Cox比例风险模型,并针对解决影响因素非比例变化和依时变量问题,对模型进行了改进;针对协变量的变量类型,选择相适应的相关性统计量类型,并利用实测数据,对协变量间的两两相关性进行分析;用生存分析中的半参数估计方法,对Cox比例风险模型进行估计,得到车辆在一定时间内完成换道的风险函数;根据半参数估计协变量显著性水平,系统深入分析了车型、目标车辆速度、交通时段、至合流点距离、目标车辆与目标车道前车及后车的纵向距离对换道行为的影响。(5)建立了适用于分析养护作业区车辆换道行为的换道模型。通过分析车辆换道意愿、过程,综合考虑获取速度动机和选择路径动机,给出了一个基于总换道意愿的LMARS换道模型,其中,考虑到养护作业区中提前警告区的合流标志对驾驶人的预先提醒,将车辆预判视为一种概率事件,通过改进Schakel的LMRS换道模型,将实测的换道非平衡过程中的预判过程纳入到建模中,建立适用于养护作业区的车辆换道动机模型(LMARS);并将换道意愿模型整合到跟车模型中,用实测数据进行模型标定和验证。


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