基于轨迹数据的高速公路养护维修作业区车辆换道特性研究

王忠宇 贺文雅 杨 航 王艳丽 吴 兵

(1上海海事大学交通运输学院, 上海 201306)(2深圳市都市交通规划设计研究院公共交通研究所, 深圳 518058)(3同济大学道路与交通工程教育部重点实验室, 上海 201804)

随着中国高速公路建设的不断推进及机动车保有量的急剧增加，高速公路养护维修出现了一些新情况：部分早期高速公路存在严重破损，养护维修作业量持续增加．养护维修作业区不仅降低了高速公路的通行能力、增加了行车延误，也给驾驶人员和作业人员带来重大安全隐患，属于交通事故的黑点，其高速的交通流和复杂的现场作业环境使行车具有高风险性[1]．同向刮擦事故作为高速公路养护维修作业区交通事故的主要类型，大多由车辆换道行为引起[1-2]，现有研究多采用定性分析和交通仿真手段，而基于作业区周边交通流实测数据的车辆换道行为研究相对欠缺．研究高速公路养护维修作业区车辆换道特性，对于改善作业区不合理布置、提升人车安全性、合理制定交通管控措施具有重要意义．

高速公路养护维修作业区由于车道数量减少，造成部分车辆需要通过改变车道到可通行车道上，使得作业区车辆的运行特性具有独特性和复杂性．Zhao等[3]将作业区划分为前置警告区、过渡区、纵向缓冲区、工作区和终止区．Meng等[4]研究发现，作业区的同向刮擦事故多发于过渡区，因为过渡区内封闭车道上的车辆需要换道，当车流量大时极易与相邻车道车辆发生刮擦．Salvucci等[5]很多学者将转向灯的开启视作驾驶人想要实施汇入或者换道行为．

车辆换道行为的研究往往与车辆轨迹紧密联系．Sun等[6]分析美国路易斯安那州7条直线路段车辆轨迹的横向位置，得出了影响轨迹横向距离的因素，发现道路边缘线有助于驾驶人远离存在隐患的路侧边缘，此时行车轨迹有相对靠近道路中心线的趋势．Yang等[7]研究了4车道乡村公路的驾驶行为，发现路缘的存在不会影响行车速度，但会改变行车轨迹．Weng等[8]利用道路养护维修作业区车辆轨迹数据研究车辆换道行为，建立了与时间相关的Logistic回归模型．

国内在车辆换道行为方面也有一些研究．魏丽英等[9]从车头时距分布入手，利用线性跟驰理论对换道行为进行模拟研究，分析了速度和车头时距对换道行为的影响．金立生等[10]针对典型的高速公路换道场景建立了基于加速行为的最小安全距离换道模型．裴玉龙等[11-12]研究了城市道路车辆换道期望运行轨迹、驾驶人视点转移特性、换道行为对道路通行能力影响等，并分析了换道持续时间的影响因素．郑华荣[13]分析了影响换道危险态势的周边车辆的加减速驾驶意图，建立了考虑驾驶意图的安全换道模型．王雪松等[14]基于上海自然驾驶实验采集的驾驶人行为和车辆运行数据，通过车道偏移值识别换道时间，提取特征变量；根据车辆与车道线位置关系，将换道分为前期准备、换道执行和换道持续3个阶段，指出高速公路多车道换道的比例较高，安全隐患较大．

以往将转向灯开启作为换道起始点处理的优点在于直观、便于数据提取．然而，现实中一些驾驶人换道前并未开启转向灯提醒其他人注意；一些驾驶人虽然开启了转向灯，但由于周围环境的干扰，并不能及时换道．因此，简单将开启转向灯作为车辆换道起始点并不合理．另外，国内研究换道行为，前期侧重于利用换道过程中车辆间相互运动关系建立仿真模型，近年出现了针对换道意图阶段的相关分析，但多针对城市道路环境，对高速公路养护维修作业区车辆的换道行为研究较少．本文利用无人机航拍作业区交通流实测数据，根据车辆运行轨迹线与车道线之间的几何关系分析车辆换道行为，研究车辆换道起始点、换道结束点以及换道长度，为高速公路养护维修作业区的交通组织设计、交通事故预防提供理论支撑，也可为作业区交通仿真提供模型基础．

1 数据准备

1.1 数据采集

本文选取单向4车道变3车道的高速公路养护维修作业区为研究对象．为使分析具有普适性，将以下3条规则作为研究对象的选取原则：① 作业区必须具有标准规范规定的所有组成部分和安全设施，布置满足规范要求；② 作业区6个区域(警告区、上游过渡区、缓冲区、工作区、下游过渡区和终止区)均处于平坦路段，无特殊线形和坡度特征；③ 作业区位置与上下匝道有一定距离．选取了G60松江段(上海市区—松江方向)的一个作业区作为数据采集地点，G60高速路况良好，正常路段限速120 km/h．作业封闭紧邻中央分隔带的超车道(车道1)，其他3条可通行车道宽度无改变，如图1(a)所示．第1块“前方施工”标志牌布设于上游过渡区起点以上1 600 m处，即警告区起点．在2015-02-02的10：00—12：00，使用无人机对作业区合流路段的交通流进行航拍，无人机在缓冲区起始点处上升40 m，摄像角度为水平向下45°，机身面对车流并向中央分隔带稍有偏转，固定不动拍摄连续高质量的交通流视频．

本文重点分析距上游过渡区起点约200 m处(断面2)到工作区起点(断面8)的区域内的车辆换道特性，如图1(b)所示．根据已有研究[15]，该区域集中了大部分因作业区导致的车辆换道行为，存在较大行车风险，因而定义为高速公路养护维修作业区的行车风险区域．提取该区域低密度交通流状态下车辆运行数据，以保证车辆行驶不受互相干扰，只受作业区通行环境的影响，更能体现作业区对换道行为的影响．

(a) 作业区整体布置示意图

(b) 行车风险区域示意图(单位：m)

1.2 数据处理

根据车辆运行轨迹线与车道线之间的几何关系，确定车辆换道起始点、结束点．以换道车辆的一侧触碰车道线时的位置作为换道起始点Ps，车辆驶过车道线到另一侧刚好远离车道线时的位置作为换道结束点Pe，换道起始点和结束点之间的距离即为车辆换道长度Lm．图2为车辆一次换道的换道位置及空间坐标示意图，设定上游过渡区起点为横坐标原点．车辆连续换道视为一条数据，取第1次换道起始点为该条数据的换道起始点，换道长度为各次换道长度之和．

图2 车辆换道位置及空间坐标示意图

使用George 2.1视频处理软件构建和标定空间坐标，对航拍视频进行变帧播放，半自动提取车辆运行数据，根据这些数据绘制车辆运行轨迹线，确定换道起始点和结束点，再计算车辆换道长度．图3(a)为软件的空间坐标系标定示意图，标定结果的相关系数R2接近1，表明标定效果好．标定完成后，记录的每辆车的运行轨迹都对应一条连续数据，图3(b)为软件提取一辆车的运行数据示意图．

(a) 空间坐标标定示意图

(b) 车辆运行数据提取示例图

图4为根据提取数据绘制的一条车辆运行轨迹线．该车辆由车道1换道到车道2，车辆宽度取1.6 m．换道起始点Ps为运行轨迹线与车道线上方0.8 m处虚线(纵坐标12.05 m)的交点，换道结束点Pe为轨迹线与车道线下方0.8 m处虚线(纵坐标10.45 m)的交点，两者的横坐标之差为车辆换道长度Lm．车辆连续换道时换道长度取各次Lm之和，车辆两次换道之间在某一车道上正常行驶的距离不计入换道长度．

2 车辆换道特性分析

高速公路养护维修作业区行车风险区域内车辆换道特性研究的主要关注点在于车辆换道起始点在空间上的分布和车辆换道长度与换道起始点的关系，这些都以车辆运行轨迹的分析为基础．

图4 车辆运行轨迹提取示例

2.1 车辆运行轨迹分析

从采集的航拍交通流视频中提取作业区行车风险区域内连续600条车辆运行数据．本文根据动机将车辆换道行为区分为自由换道、强制换道和随意换道．自由换道指驾驶人为追求更快车速而进行车道变换；强制换道指由于车道的增减、转向、避障等原因，驾驶人需在某一地点之前完成车道变换；随意换道指周围没有车辆也非必须变换车道的情况下换道．排除车辆不换道、随意换道情况后，共有305条车辆运行数据存在强制换道和自由换道．其中，车道1上的车辆必须换道到其他车道，换道率为100%，车道2上车辆换道率为31.9%，车道3上车辆换道率为29.5%，车道4上车辆换道率为23.2%．

为分析分车道的车辆换道情况，分别将各车道车辆通过行车风险区域的运行轨迹线绘制在一张图内，如图5所示．可看到：车道1(封闭车道)上的车辆在缓冲区起点(断面7，横坐标30 m)之前全部换道到其他可通行车道(强制换道)，其中大部分换道到相邻车道(车道2)，少数车辆经2次连续换道到车道3；车道2接收了车道1部分车辆而超过了自身的通行能力，导致一部分换道到车道3，另一部分换道到车道1后再回到车道2；车道3接收了内侧两车道的部分车辆，车辆换道情况较为复杂，一部分直接换道到车道4，一部分换道到车道2，还有一部分先经车道2换道到车道1后再回到车道2；车道4距车道1最远，车辆换道行为较少且简单，换道车辆大部分直接换道到车道3．

(a) 车道1

(b) 车道2

(c) 车道3

(d) 车道4

图5 行车风险区各车道车辆运行轨迹

分析作业区行车风险区域内分车道的车辆运行轨迹表明：封闭车道上的车辆需要全部换道(强制换道)，可直接换道到相邻车道，也可多次连续换道到其他车道．由于接收了封闭车道上换道而来的车辆，可通行车道上的部分车辆也发生换道行为(自由换道)．但是，可通行车道上的车辆换道率和换道情况并不相同，距封闭车道越近的受封闭车道的影响越大，车辆换道率越高．

2.2 车辆换道起始点分布分析

如果交通量大、可通行车道交通密度大，适合车辆换道的间隙有限，需要换道的车辆只能继续向前行驶，等待合适换道时机．这种情况下，换道起始点并不是驾驶人所期望的，而是受制于外部条件．本文研究车辆换道起始点时重点关注车辆受到作业区影响进行换道，且具有较好换道条件的情形．

分别提取305条车辆运行数据的换道起始点，每条数据的换道起始点包含2个参数：车道号和横坐标，将二者统一形成区域网格．横坐标以20 m为间隔分组(0～30 m除外)，统计每个网格内的换道频数，绘制换道频数热力图，如图6(a)所示；为更清晰地表示分车道的车辆换道情况，计算各车道换道起始点落入每个网格区域的频率画出换道频率热力图，如图6(b)所示．

由图6(a)可知：封闭车道(车道1)上184辆车的换道起始点分布在作业区行车风险区域起点(断面2，距上游过渡区起点200 m处)到缓冲区起点的范围内(即横坐标-200～30 m)，其中分布频数最多的区域为距上游过渡区起点100 m到80 m处(横坐标-100～-80 m)；车道2上58辆车的换道起始点分布频数最多的则是距上游过渡区80 m到60 m处(横坐标-80～-60 m)；车道3上41辆车的换道起始点分布频数最多的也是距上游过渡区80 m到60 m处(横坐标-80～-60 m)；而车道4上22辆车的换道起始点分布频数最多的则是上游过渡区起点到缓冲区起点(横坐标0～30 m)处．而由图6(b)中各车道颜色较深(车辆换道起始点分布频率较高)区域的分布情况可看出：如某车道出现颜色较深区域，其相邻外侧车道下游往往也会随后出现颜色较深区域(除车道2和车道3，两车道基本同步)，距离封闭车道越远的车道上车辆换道频率较高的区域出现越晚，4条车道的车辆换道存在横向延迟扩散．一般地，车道1上的车辆先发生换道行为，然后慢慢扩散到车道2和车道3，最后车道4的部分车辆也发生换道行为，这种扩散具有明显迟滞性．随着与封闭车道距离增加，可通行车道上车辆换道频率较高的区域沿行车方向延迟扩散．

(a) 换道频数热力图

(b) 换道频率热力图

图6 行车风险区各车道换道热力图

2.3 车辆换道长度建模

通过观察航拍交通流视频发现，车辆换道长度受换道起始点影响明显，随着换道起始点越来越靠近工作区，换道长度呈下降趋势．为简化模型形式、提高其实用性，建立换道长度关于换道起始点位置坐标的函数关系：

Lm=f(XDS)

(1)

式中，Lm为车辆换道长度；XDS为换道起始点位置坐标．

由于不同车道车辆换道行为特性存在较大差异，应当分车道进行分析．将换道起始点所在区域以20 m为间隔分组，取中间值为本组代表值．统计采集的305条换道行为轨迹数据的车辆换道长度和换道起始点位置坐标，各车道车辆换道长度与换道起始点位置坐标的关系曲线如图7所示．根据图中曲线变化趋势，采用二次函数进行拟合，得到车道1、车道2、车道3、车道4的换道长度模型：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，Lm1～Lm4分别为车道1～车道4的车辆换道长度；XDS1～XDS4分别为车道1～车道4的车辆换道起始点位置坐标.4个模型的R2分别为0.950，0.928，0.751，0.947，拟合结果较好．

综合上述分析可知，随着换道起始点越来越靠

(a) 车道1

(b) 车道2

(c) 车道3

(d) 车道4

近工作区，行车风险区域内车辆的换道长度呈下降趋势，如图7所示．并且车道1、车道2的车辆换道长度与换道起始点位置关系呈下凹曲线，而车道3、车道4呈上凸曲线，这表明距封闭车道较远的可通行车道上车辆的换道长度下降更加明显．究其原因，主要是封闭车道上换道车辆在缓冲区起点前必须完成换道．因此，随着逐渐接近缓冲区起点，换道长度逐渐趋于稳定值．车道2受封闭车道影响较大，换道长度也表现出逐渐趋于稳定值的趋势．2条外侧车道由于受封闭车道影响较小，随着逐渐过渡到正常区域(车道1完全封闭)，换道行为将能够更快完成，因此换道长度下降更为明显．

本研究可为交通仿真提供支持，由于车道数的变化，确定作业区换道行为发生车道与其他车道的连接区可参照换道起始点确定和分布以及换道长度建模的分析方法和结论．高速公路养护维修作业区布设时，建议参考本文提出的换道起始点分布和换道长度模型进行上游过渡区布设长度的设置，据此布设相应标志标线，科学引导驾驶人合理换道．另外，在驾驶人员培训以及交通法规的制定和执行方面，需要强调作业区行车风险区域内合理、规范换道对于交通安全的重要意义，避免转向灯使用不当、多次连续换道等危险的不文明驾驶行为．

3 结论

1) 基于无人机航拍的高速公路养护维修作业区高质量交通流视频提取行车风险区域内车辆运行轨迹数据，发现封闭车道上的车辆需要全部换道；可通行车道上部分车辆也发生换道行为，且距封闭车道越近受影响越大，车辆换道率越高．各车道车辆换道行为存在横向延迟扩散，换道行为从封闭车道首先开始，逐渐向相邻车道扩散．距离封闭车道越远的可通行车道上换道频率高的区域出现越晚．

2) 提出根据车辆运行轨迹线与车道线之间的几何关系确定车辆换道起始点、结束点．随着换道起始点越来越靠近工作区，行车风险区域内车辆换道长度呈下降趋势，并且距封闭车道越远的可通行车道上车辆换道长度下降越明显．研究方法和结论可为仿真中换道发生车道与其他车道的连接区确定提供参考，也可作为上游过渡区布设长度的参考．

3) 本文选取一个典型的单向4车道变3车道的作业区作为数据采集点，现实中也存在其他类型的作业区(如单向4车道变2车道，单向3车道变1车道等)，不同类型的作业区车辆换道存在某些相异特性，值得进一步研究．限于工作量巨大，本文只采集了行车风险区域内各车道上共600条运行轨迹数据，样本量可以进一步增加；换道起始点所在区域以20 m为间隔进行分组，可进一步缩小分析间隔，进行更加完善和精细的分析．