基于虚拟现实的网联环境下驾驶人换道行为特征与安全分析

作     者：吕伟健 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李志斌;万千

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082303[工学-交通运输规划与管理] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 082302[工学-交通信息工程及控制] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：车路协同 网联环境 虚拟现实 模拟驾驶 驾驶人换道 

摘      要：车辆换道行为是一个多阶段的决策过程,换道过程的复杂性会增加驾驶人的操作步骤,换道条件不充分或驾驶人的操作失误可能导致安全隐患甚至发生交通事故。网联环境中的车辆拥有实时通信和动态感知的技术优势,有望提高驾驶人发生换道行为时的安全性。传统换道研究中未能考虑驾驶人在网联环境中的换道行为特征以及与周围车辆的交互行为,交通仿真和数值模拟的方法不能准确模拟驾驶人在面对网联环境的真实反映和行为。结合虚拟现实设备和驾驶模拟器开展驾驶人换道行为实验,分析驾驶人换道过程中不同阶段的特征以及驾驶人异质性对换道的影响,有助于深入了解网联环境中的驾驶人换道行为。连接虚拟现实设备的驾驶模拟器能够进行更加真实的模拟驾驶实验,传统的驾驶模拟不能完整还原驾驶人所处网联环境中上下游车流的交互情况,论文融合交通仿真和三维建模技术构建驾驶人实验系统,将网联环境中的高精度交通仿真映射到真实三维模型中,以模拟网联环境中的实时信息提示和全局路况感知功能。基于此系统开展网联环境下的驾驶人换道行为实验,分析驾驶人换道行为特征及驾驶人异质性的相关性,并结合交通冲突指标分析网联环境中驾驶人换道行为的安全性。论文基于虚拟现实研究网联环境中的驾驶人换道行为,使用交通仿真和三维建模技术构建基于车路协同的实验系统开展驾驶人换道实验。研究网联环境中驾驶人与周围车辆通讯交互对换道行为的影响,分析换道行为的特征指标与驾驶人异质性在网联环境中的相关性,结合交通冲突指标和避免换道事故的概率曲线量化分析驾驶人换道安全。主要内容如下:首先,基于车路协同系统的框架搭建驾驶人换道实验系统。通过交通仿真和三维建模技术的融合,利用开源仿真软件和建模引擎结合多种建模软件,将高精度的交通流仿真映射在高还原度的三维模型中,构建基于车路协同的驾驶人实验系统。主要包括交通流车辆运行高精度仿真构建、交通场景高还原度三维融合建模、换道实验虚拟现实驾驶环境搭建三个部分。实验系统连接虚拟现实设备和驾驶模拟器,为换道实验提供技术支撑。其次,基于实验系统开展网联环境驾驶人换道实验。设计了换道所需的实验路段,建立基于强制换道和自由换道的换道实验场景库,模拟网联环境的运行原理并在实验系统中还原网联环境中的实时信息提示和全局路况感知功能。根据我国驾驶人数据的分布情况招募实验者,设计调查问卷统计实验者的基本信息和驾驶习惯,结果显示男性实验者的驾驶倾向更为激进。在实验前调试设备并对实验者进行操作培训,保证驾驶人换道实验的顺利开展。再次,基于广义估计方程分析驾驶人的换道行为特征。在完成实验后采集实验者的换道数据,制定换道行为特征的分析指标,根据小波理论观察换车辆的横向位移确定驾驶人换道行为的起始点。分析强制换道场景和自由换道场景下各项指标数据,结果显示在网联环境中驾驶人进行换道的速度更大,与当前车道前车的间距更大。基于广义估计方程建立间距选择模型和换道时间模型,结果显示网联环境中驾驶人的换道间距更大、换道时间更长。年龄较大的驾驶人和女性驾驶人有较大的换道时间。最后,基于加速失效模型分析驾驶人的换道行为安全。分析车辆换道决策过程的建模原理以及加速失效模型在交通领域的应用,对比选择合适的模型扩展形式,选择伽马脆弱威布尔加速失效模型。以距离冲突时间TTC为因变量建立加速失效模型,结果显示网联环境与TTC呈正相关,网联环境中换道行为的TTC更大,拥有更高的安全性。绘制避免换道事故发生的概率曲线分析网联环境以及年龄和性别对驾驶人换道行为的安全影响,结果显示网联环境下避免换道事故发生的概率更大,年龄较大的驾驶人和女性驾驶人避免换道事故发生的概率更大,拥有更高的换道安全性。