籍贯填什么-热爱生命的人

J I A N G S U U N I V E R S I T Y


基于视觉特性的高速公路驾驶人换道
意图识别方法

班级：运输1101
姓名：杨阳阳
学号：3110405012
日期：2014.12.12

基于视觉特性的驾驶员换道意图识别方法
基于视觉特性的高速公路驾驶人换道意图识别方法
（杨阳阳）
（运输1101,3110405012）
摘要：变换车道时，如果驾驶人对周围环境的观察 不够充分，或判断决策失误，极
易酿成事故。当前应用的换道辅助系统多以转向灯信号作为识别驾驶人换 道意图的
主要依据，由于实际驾驶过程中转向灯开启率低及开启时间提前量不够，使系统存
在漏 报及错误报警。如果能在换道开始前提前识别出驾驶人的操作意图，不再单独
依靠转向灯信号作为识别依 据，则可预先对驾驶人所处环境进行安全性评估，在危
险的酝酿期向驾驶人预警，从而规避交通事故的发 生，并降低不安全驾驶行为对交
通流的扰动。本文对基于视觉特性的驾驶人换道意图识别方法作了简要总 结，结合
目前国内外相关研究中存在的一些问题，提出了一些可参考的应对措施，旨在推进
我国 公路运输的健康发展。
关键词：驾驶人；车道变换；意图识别；视觉特性
Driver's Lane Change Intent Identification Based on Visual Characteristics
（
Yang Yang yang
）

(Transport 1101, 3110405012)
Abstract: When lane change maneuver is executed, if the driver doesn't observe the
surrounding environment sufficiently, or wrong decision and opinion are made, this may
easily lead to accidents. The lane changing assistance system in the application serves turn
signal as the main basis to identify drivers' lane change intent, given the low usage rate
and the short lead time of the turn signal lamps, this result in poor performance of the
assistance system. If driver's maneuver intention could be identified precisely before lane
change occurs, and no longer solely depending on turn signals as the main basis of
identification, then we can evaluate the driving environments in advance, warn the drivers
in the incubation period of the danger to avoid traffic accidents, and then reduce the
disturbance of traffic flow caused by unsafe driving behaviors. This article makes a brief
summary about the diver’s lane change intent identification based on visual characteristic,
combined with some problems currently existing in the development of relevant
study, puts forward some measures for reference, aimed at promoting the healthy develop
ment of automobile industry transportation in China.
Keywords:

drivers; lane change; intent identification; visual characteristics
1. 引言
道路交通系统是一个多因素协调作用的动态复合系统，系统的交通运行受到各方面

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基于视觉特性的驾驶员换道意图识别方法
因素的影响及制约。车道变换是交通 运行过程中经常发生的驾驶行为模式，具有其
自身行为特性并对交通安全产生重要影响。由于行驶车道的 变更，其过程经常伴随
着交通冲突的发生。假若驾驶人的操控技术不熟练，判断决策水平及事件处置能力
较低，极易诱发交通事故。由驾驶人车道变换不当导致的事故约占事故总量的6%，
由此造成的 交通延误达到交通事故所致总延误时间的10%。在所有的换道事故中，由
于驾驶人判断决策失误而诱发 的事故约占事故总量的75%，由此可见换道决策阶段对
整个换道过程的安全性有决定性影响，还有很长 的路要走。
2. 研究背景及意义
道路交通系统中的人包括驾驶人、行人、乘客和交通管理 人员等，其中驾驶人
是主体部分。驾驶人通过视觉、听觉、触觉器官从交通环境中获得信息，经过大脑< br>进行处理，做出反应和判断，再支配手、脚运动器官操纵汽车，使之按驾驶人的意
志在道路上运行 。在这一过程中，驾驶人受到自身一系列生理、心理因素的制约和
外部条件的影响;如果在信息的搜集、 处理、判断的任一环节上发生差错，将会危及
交通的畅通和安全。所以，驾驶人的可靠性是非常重要的。
随着计算机控制技术、电子技术、传感技术、通信技术以及人工智能等先进技
术在汽车领域的应 用，汽车的安全性得到大大提升。为了降低发生换道相关事故的
潜在危险性，各类换道辅助系统应运而生 ，其普遍的工作原理为:系统借助雷达及CCD
摄像机等探测设备实时监测后方目标的运动状态，若设定 闽值距离范围内存在相关
冲突车辆，即对驾驶人进行提示;当转向灯处于开启状态，系统则判定驾驶人有 换道
意图，若同时检测到相关车道后方或视野盲区存在相关冲突车辆，则对驾驶人进行
更高级别 的预警，从而规避潜在换道事故的发生，提高驾驶安全性，并降低换道行
为对交通流的扰动。
以转向灯信号识别驾驶人换道意图时，存在以下问题:一是转向灯开启率较低，
二是提前开启时间不足。 根据试验统计，驾驶人执行车道变换时转向灯总体开启率
为76%，而截止至换道起始时刻，开启率仅为 48%。在系统实际应用中，开启率较
低与提前开启时间不足会致使遗漏报警情形的发生，或导致驾驶人 尚未来及针对系
统预警做出相应的规避操作，危险就己经发生，从而降低了系统的辅助效能，阻碍
了其进一步的普及与发展。如果可以将系统识别出驾驶人换道意图的时刻前移，且
不再单独依靠识别转 向灯信号，而结合其他参数共同识别便可以大大提高换道辅助

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基于视觉特性的驾驶员换道意图识别方法
系统的工作效能，从而给驾驶人充足 的处置反应时间应对潜在的换道危险，保证车
道变换的安全性。研究表明，驾驶人换道前视觉扫描模式与 直行阶段有显著差异。
跟车和换道作为最常见的两种驾驶行为，对行车安全具有很大的影响，尤其是< br>在高速公路环境中驾驶人的操作失误容易引发严重的交通事故。操作的失误往往是
由于对周围的交 通信息获取不全面，驾驶人获取交通信息最主要的途径是视觉，因
此研究视觉特性对于提高驾驶人感知交 通信息的准确性具有很大的现实意义。
3. 国内外研究现状
当前，国内外学者和专家对于换道预警方面进行了大量的研究，并且取得了一
定的成就。
3.1 国外研究现状
有学者尝试对不同国家车道变换行为差异性进行研究。Loannis Golias欧洲19个
国家20725份问卷调查的数据进行分析，从宏观分析的角度认为欧洲各国驾 驶人车
道变换行为差异不显著，但北欧驾驶员的驾驶冒险性和违反交通法规倾向性较南欧
和东欧 的强。
不同群体驾驶人在车道变换时可能会体现不同的特征规律。Martin Lavallier e对
老年驾驶人与年轻驾驶人的视觉搜索规律进行了深入研究，12名年轻驾驶人与11
名老年 驾驶人通过驾驶模拟器在虚拟的实验环境下执行换道实验，包含16个实验场
景。以兴趣区域的关注情况 表征不同驾驶人群体的注视行为差异，即内后视镜，侧
后视镜以及两侧盲区的关注情况。与年轻驾驶人相 比，老年驾驶人关注左后视镜与
盲区的时间明显减少，表明年龄对驾驶人的换道行为特性有重要影响。除 年龄因素
外，驾龄对驾驶人换道行为特性同样有重要影响。Guihua Yang选取12名低驾龄驾 驶
人以及12名熟练驾驶人，在驾驶模拟场景下执行车道变换，发现相对于熟练驾驶人，
低驾龄 驾驶人换道前及换道完成后车辆横向位置变化的标准差更大，而对仪表盘及
后视镜的关注更少。
视觉特性是驾驶人换道时行为特性的总要体现。Louis Tijerina研究了驾驶人在车
道变换决策过程中的区域注视特性。选取39名驾驶人，获取了549个车道变换样本
的数据，分析了 向右及向左换道时决策阶段驾驶人的视觉搜索规律。结果表明在向
右换道时，驾驶人对右后视镜的关注程 度低于内后视镜，而在向左换道时，驾驶人

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基于视觉特性的驾驶员换道意图识别方法
对左后视镜区域的关注显著高于内后 视镜，研究结论对车道变换防撞系统的开发以
及预警系统评价都有重要意义。Thomas Ayres 对驾驶人在车道变换前使用后视镜的
状况进行分析。针对所选取的驾驶人的眼动数据分析结果得出结论， 后视镜的注视
特性反映了驾驶人摄取周围环境信息量的大小，但所选被试驾驶人在车道变换前对
后视镜的使用并不充分，导致对无法全面把握后方实时交通信息，具有较大的安全
隐患。
3.2 国内研究现状
分析国内现有研究成果发现，我国在驾驶人车道变换领域己经开始 了广泛的研
究，从研究目标而言，多基于各类数学仿真模型对换道过程中相关车辆间的相互运
动 关系进行微观仿真，以及探讨换道行为对交通流运行状况的影响，而缺少基于驾
驶人行为特性对换道行为 进行深度剖析的研究。驾驶人行为特性的研究对主动安全
系统的开发有重要意义，任何不契合驾驶人行为 特征规律的安全系统都悖离了以人
为本的设计原则，其实用性必然也受到质疑。因此，脱离了驾驶人的主 体角度去研
究车道变换行为，会影响到研究成果的实际应用效果。
从时间序列来说，国内对 车道变换的研究多集中于对换道操作执行后车辆运动
状态的变化规律进行探析，而较少涉及换道操作执行 前(意图形成阶段)驾驶人行为特
性规律进行深入探索的研究。 通过对国外研究现状的深入分析 发现:驾驶人不同
驾驶行为模式发生前都体现出独特的视觉规律，从侧面说明了基于眼动特性预测驾驶人的操作行为的可行性。也有学者认为，后视镜及车速表等典型兴趣区域的注视
特性可以有效体现 驾驶人的换道意图，且在时序上比转向信号灯的操作更为领先。
近几年国外开始关注驾驶人换道前与直行 时的区域注视特性差异以及车速等其他车
辆运动状态参数的变化规律。有关换道行为的其它研究集中在对 车辆行驶轨迹的预
测、不同群体驾驶人换道行为特征规律差异、基于视频设备的换道辅助系统的开发等。虽然目前换道意图识别技术尚不成熟，但国外己经有研究人员开始了将其应用
于驾驶辅助系统的 探讨。
综上所述，我国在驾驶人换道意图识别领域的研究尚处于萌芽阶段，有学者对
换道前驾 驶人的行为特性规律进行探索性研究，但并未形成换道意图研究的理论框
架体系，也未见对换道意图识别 方法的深入探索。国外主要是基于驾驶人操作行为
数据，在换道执行后对其进行快速识别，从识别时序性 而言，尚未达到技术应用的

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基于视觉特性的驾驶员换道意图识别方法
要求。现有换道辅助系统多基于驾驶 人转向灯信号判定驾驶有换道意图，但从实际
应用角度而言，这种判定方式存在以下问题，一是识别时间 提前量不够，尤其在高
速运行状况下，无法提供给驾驶人充足的预警反应时间;二是实际行车过程中驾驶 人
换道前转向信号灯的开启率较低，尚无法达到换道辅助系统的适用需求。一旦驾驶
人换道前未 开启转向信号灯，换道辅助系统将失去预警功能，从而不能在驾驶人换
道前出现危险场景时给予提示，规 避潜在危险。此外，国外换道领域的研究多基于
驾驶模拟器的仿真实验结果，并未综合考虑真实交通环境 下遇到的现实问题，如光
照、振动、噪声等因素对驾驶人行为特性的影响，导致驾驶模拟试验无法获取驾 驶
人真实的行为特征规律，如直接将之应用于安全辅助驾驶，其可靠性将受到限制。
此外，国外 驾驶人的驾驶习惯、行为规范以及交通环境与我国存在诸多差异，因此
国外的理论研究成果无法直接应用 于我国。
4. 驾驶人车道变换决策机制分析
4.1 车道变换诱发原因及阶段划分
4.1.1 车道变换诱发原因
车道变换行为是驾驶人根据自身期望及驾驶行为特性，依据周 围环境中相关车
辆速度、间距等外界刺激信息，经大脑进行决策判断等处理过程，实现车道变更目
标策略的综合行为过程。

图 1 车道变换诱因统计
基于前期进行的真实道路环 境下试验数据，对引起车道变换的直接原因进行统
计，主要因素包括前方有慢车行驶、自由换道、转向需 要、避障以及前方车道结束

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引起的合流等。具体结果如图1所示 。发现76%的车道变换是由于前方有慢车行驶，
其次为自由换道行为，达到了总换道次数的9%，而避 障、车道结束、转向需求引起
的车道变换各占4%, 5%以及6%。以上统计表明前方有慢车行驶是诱发驾驶人车道
变换的主要原因。
4.1.2 换道过程阶段划分
为实现驾驶人换道意图识别，首先须对车道变换进行合理的阶段划分。长期以
来，国内外学者从不同的角度，对车道变换过程给予了不同的阶段划分方法。杨建
国将车道变换过程分 为扭角、靠拢、收角、调整4个阶段;黄秋菊]基于库尔曼行为
模式将车道变换过程划分为信息感知阶段 、条件评价阶段和选择执行阶段;霍克将车
道变换分为决策阶段、执行阶段和调整阶段:决策阶段为驾驶 人表现出换道意图至有
明显操作开始，执行阶段为驾驶人开始换道操作直到车身整体越过车道分界线，调
整阶段从车辆越过车道分界线至车辆在目标车道正常行驶。这种阶段划分方法界定
较为清晰，有 利于对驾驶人在换道过程中的行为特性进行定性与定量分析。但是，
由于缺乏相应反应车辆运动状态的数 据作支撑，各阶段主要依据数据处理人员的主
观判断来界定，可能会引起无法回避的误差。
4.2 驾驶人期望特性
驾驶人对当前行驶状态不满意是驾驶人执行车道变换的主要内因，诱 发这种“不
满意”的根本原因是驾驶人的驾驶期望无法获得满足。要研究驾驶人的车道变换决
策 机制，必须首先对驾驶人的驾驶期望特性有所理解。驾驶期望是驾驶人结合车辆
特性、道路条件及自身行 为特性映射至驾驶人大脑中，形成的对车辆行驶状态的心
理需求，主要体现在对车速以及空间的追求两个 方面。在换道决策过程中期望车速
对于驾驶人最终的策略选择影响较大，它是触发驾驶人车道变换的根本 诱因。期望
车速是驾驶人的“心理车速”或者“目标车速”，驾驶人依据期望车速，结合当下实
际的行驶环境，产生不同的实际运行车速；期望间距反映的是驾驶人对自车与其他
相关车辆间距的最低心 理需求，在此主要考虑自车与当前车道前导车之间的期望间
距。当驾驶人认为某时刻与本车道前车间距过 近，即使在己经满足期望车速的条件
下，驾驶人也会执行车道变换。
其中分析驾驶人的期望特 性过程中，主要是从期望车速、期望间距、驾驶人期
望满足度等几个方面来考虑。

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基于视觉特性的驾驶员换道意图识别方法
驾驶人行车过程中，根 据实时的交通环境状态，结合自己的驾驶经验，提取刺
激强度大、与自身驾驶兴趣契合程度高的信息。驾 驶人结合驾驶经验对感知信息(行
车速度、相对距离等)进行实时判断，结合自身期望特性，并充分考虑 换道相关车辆
可能的策略选择，随即做出是否执行换道的行为决策。基于以上分析，在充分理解
驾驶人感知判断

图 2 车道变换决策机制示意图

特性以及车道变换涉 及车辆间相互作用机理的基础上，对驾驶人车道变换决策
过程进行分析，充分考虑驾驶人心理期望因素及 行为特性对车道变换的影响，从人
因角度多维透析车道变换行为特性，如图2所示。
车道变换 决策机制由两大模块祸合而成，即信息感知模块与判断决策模块。信
息感知模块由感觉登记、知觉及注意 等子模块构成。其中感觉登记是驾驶人对车辆、
道路以及交通环境等刺激信息形成的短暂记忆；知觉是驾 驶人结合本身驾驶经验对
感觉信息的综合反映，而后形成的抽象的、一般的知觉信息;注意子模块是驾驶 人根
据知觉信息的强弱，结合自身的驾驶意图，而对其进行有选择的注意力集中。通常
而言，知 觉信息刺激强度越高，与驾驶人的驾驶期望契合程度越高，获得的集中强
度也越高。判断及决策模块主要 包括三次判定过程，即速度及空间期望判断、可插
车间隙判断、换道博弈以及以上各判定结果产生的车道 保持、换道意图等过程子模
块。除了信息感知和判断决策两大模块之外，决策机制还涵盖了一些附属相关 子模
块，包括车辆、道路、交通环境等信息源，同时也包括驾驶人行为特性等。

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5. 不同意图阶段车辆运行状态参数分析
5.1. 转向灯使用情况
根据《道路交通安全法实施 条例》规定，机动车转弯、变更车道、超车、调头、
靠路边停车时，在城市道路上应提前30米、在公路 上应提前100米，开启转向灯。
因此，高速公路行车过程中应至少提前3s开启转向灯，才能保证给周 围的人留出充
足的反应时间进行安全避让。接下来，从开启率与提前开启时间两方面对所有样本
转向灯的开启情况进行统计。
表格 1 转向灯使用情况统计

进一步按照驾驶风格对以上数据进行统计，统计数据见表2

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基于视觉特性的驾驶员换道意图识别方法
表格 2 不同风格驾驶人转向灯使用情况

5.2. 方向盘角度分析
行车过程中，驾驶人 通过操纵方向盘实现对车辆行进方向的控制。车道保持阶
段，驾驶人根据外界环境的变化，通过反复地微 调修正方向盘，保证车辆在车道中
心行驶。而换道和转弯阶段，驾驶人通过对方向盘连续且较大幅度的转 动，实现车
辆横向位置的移动。此外，驾驶人对方向盘的操纵稳定性也可表征驾驶人心理负荷
的 大小。因此，对方向盘相关参数进行分析，有助于提取表征驾驶人换道意图的特
征指标。
5.3. 横向加速度
图3给出了三种驾驶风格典型样本在不同阶段的横向加速度变化曲线， 其中，
正值表示加速度方向水平向右，负值表示水平向左。直观发现由于换道意图阶段驾
驶人还 没有明显的横向加速动作，因此横向加速度在不同阶段的差异并不明显。

图 3 不同阶段横向加速度变化曲线

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5.4. 横摆角速度
横 摆角速度是表征车辆横向操纵稳定性的一项重要指标，驾驶人对方向盘的操
控会导致横摆角速度的变化。 图4给出了三种驾驶风格典型样本在不同阶段的横摆
角速度变化曲线，其中，直观图可以看出正值表示车 辆绕垂直轴顺时针方向转动，
负值表示逆时针方向，驾驶风格及驾驶行为对横摆角速度的影响并无统一的 变化规
律。因此，需要对横摆角速度进行进一步地分析。

图 4 不同阶段横摆角速度变化曲线
高速公路行车环境有如下几个特点:1、只允许达到规定车速的机动车辆 进入；2、
设有中央隔离带，将往返方向的车辆有效隔开;3、全部或局部控制出入。因此，与
城市道路相比，高速公路行车中的纵向和横向干扰较少。相应地，驾驶人在高速公
路换道意图阶段并没有 明显地加速、减速及转向行为。由于换道意图阶段驾驶人需
要关注更多地周围环境信息尤其是后方车辆信 息，还要保持与前车的安全距离，导
致驾驶任务加重，造成驾驶人心理负担变大，由此而引起的操纵方向 盘的稳定性变
差。
此外，不同风格驾驶人对车辆的操控也呈现一定的差异性。与正常型和谨慎 型
驾驶人相比，激进型驾驶人行车过程中很少使用制动踏板，而且在换道意图阶段横
向加速度和 横摆角速度与车道保持阶段存在显著性差异。
6. 总结与展望

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基于视觉特性的驾驶员换道意图识别方法
研究高速公路上驾驶人动态视觉对改 善高速公路交通安全有着重要的意义。本
文的研究尚存在不足之处，因此在此对进一步的研究中提出以下 建议:
1、跟车过程中本车驾驶人会受到前方车辆的影响，由于前方车辆类型的不同，
驾驶人 在注视特性以及车辆操控方面有所差别。建议在进一步的研究中，分析跟驰
不同车辆过程中驾驶人的视觉 特性以及车辆操控行为。
2、由于试验条件的限制，本研究只对在同向两车道道路上的跟车行为进行研 究。
建议在进一步研究中，选择同向三车道及三车道以上的高速公路环境进行试验，分
析多个车 道跟车过程中驾驶人的视觉特性。
3、驾驶人作为人一车一路闭环系统中最不可靠的因素，其驾驶状态 并不是一成
不变的。因此，在换道意图识别系统实用化的过程中，有必要通过实时监测驾驶人
行 为(如对加速踏板的控制等)判断驾驶人当前的驾驶状态，在线识别驾驶人的驾驶
风格。
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