第4章 驾驶员的交通特性
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第四章
驾驶人的交通特性
1
本章主要内容
§1 驾驶任务 §2 离散驾驶行为 §3 连续驾驶模型 §4 驾驶员交通特性的应用 §5 小结
本章以交通心理学为基础，研究驾驶员在 道路交通系统中的心理、生理和行为特征。
2
教学目的：掌握交通心理学的基本原理和方法， 了解驾驶员在道路交通系统中的心理、生理和行 为特征。
在感知信息的基础上，经过大脑 处理作出反应和判断。
5
§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶行为可以分为三个阶段： 1）感知阶段；
根据反应和判断决策，再支配手、
2）判断决策； 3）动作阶段
脚运动器官操纵汽车，使之按驾 驶员的意志在道路上行驶。
驾驶行为 B = f (D,A,R,T)
6
§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶任务可以分为三个层次： 1）控制 control；
23
不合理的交通标志
24
5. 视认距离
我国文字高度和视认距离的关系：
(1) 在白天、步行、白底黑字的情况下 ：
h 45cm (20 / 3)h, 2 D h 45 3 300 90( 25 ) , h 45cm
式中：D—视认距离(m)
h—文字高度
25
(2) 在夜间情况下：
1 1.31 0.61 0.17 0.44 1.18 1.87 2.45 3.31
2 0.54 0.1 -0.63 0.18 0.53 0.64 0.72 0.82
14
凡波(Fambro)等人的研究
15
二、移动时间（MT）
费茨（Fitts）的移动时间模型：
2A MT a b log 2 ( ) W
40
汽车制动防抱死装置(ABS)的基本功能就是可 感知制动轮每一瞬时的运动状态，并根据其 运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小 避免出现车轮的抱死现象，因而是一个闭环 制动系统。它是电子控制技术在汽车上最有 突出成就的一项应用。可使得汽车在制动时 维持方向稳定性和缩短制动距离，有效地提 高了行车的安全性。
36
交通信号控制 系统分类
开环控制系统
闭环控制系统
Open Loop
+
Closed Loop
-
37
1. 开环制动——最简单的制动方式是驾驶员踏制动板到
最大制动力，近似瞬间地对车辆给予制动输入，可以简单 描述为它将导致一个或多个车轮被抱死。当速度高于 32km/h时，可能出现制动失灵，除非该车装备有自动防抱 死制动系统（Antilock Braking System, ABS）。
11
12
对数正态分布的概率密度函数为：
f (T ) 1 2 T ln(T ) 2 exp[( ) ]
Leabharlann Baidu
参数λ、ξ决定了分布状况，与感觉—反应时 间样本数据的均值μ和标准差σ有关：
2 2 ln(1 2 )
ln(
1 /
2 2
)
与λ相关的标准值为：
41
3. 最佳减速度
通常公认的最大“舒适”减速度为-0.30g左 右，或者-3m/s2。
驾驶员通过加速踏板或者其他设备来控制和 改变车辆的速度或发动机每分钟的转数 （PRM）。
三、速度与加速度
1. 稳态速度控制 2. 加速度控制
42
§4 驾驶员交通特性的应用
一、交通流中的追赶与超车
Gg aGV a LV 100 式中：aGV—最大斜坡加速度(m/s2)
（skill－based）
2）引导 guidance；
（rule-based)
3）导驶 navigation （knowledge-based）
控制水平是在控制界面上 实现的，许多操作都是自 动的、无意识的。(包括 所有人－车信息交互) 在控制水平，驾驶员的主 要任务是“根据道路和交 通状况，保持车辆的安全 车速和轨迹”。
驾驶员的驾驶任务可以分为三个层次： 1）控制 control；
（skill－based）
2）引导 guidance；
（rule-based)
3）导驶 navigation （knowledge-based）
导驶是最高层次，在这 里驾驶员是独立的管理 者。导驶层次是基于知 识的驾驶行为，包括路 径的计划和选择、地图 上交通线路的引导标识 等。
17
三、对交通控制设备的反应时间和距离
感觉器官给驾驶员提供的交通信息量中，视觉所 占的比重最大，达到80%。 交通控制设备（TCD）提供的信息是影响驾驶员 和交通流理论研究中非常重要的一个方面。 交通控制设备的要求： (1)在视野中作为目标被发觉； (2)确认为交通控制设备（交通标志、交通信号或路 障等）； (3)清晰且易于辨认和理解。
29
2. 障碍和危险的识别与确认 一旦驾驶员觉察到道路上的某个物体，下一步 将是：
(1)识别阶段，判断是否是一个潜在的危险；
(2)视认阶段，这一阶段驾驶员能够得出物体是什么。 如果这个物体(假定是静止的)非常小，可以从车底或 车轮间穿过，那么它是什么并不重要，因此第一步估 计主要是物体的大小。如果物体很大不能从车底穿过， 那么必须躲避或制动。15cm或更低的物体一般不是引 起交通事故的因素。
7
§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶任务可以分为三个层次： 1）控制 control；
（skill－based）
2）引导 guidance；
（rule-based)
3）导驶 navigation （knowledge-based）
控制和引导这两个 车辆操作水平对于 交通流建模都是非 常重要的。
8
§1 驾驶任务
h D (25 ) lg L 3.4h 7 3
式中：L—标志板的照度 视认距离还与汉字的笔画有关。
文字高度和行车速度的关系 表3-6
26
驾驶员感知、决策过程
27
四、其他车辆的动态特性
1. 前导车辆 2. 侧向车辆
28
五、障碍和危险物的觉察、识别与确认
1. 障碍和危险的察觉
33
Ke ts (1 TL s) g ( s) R (1 Tl s)(1 TN s)
式中： g(s)—响应，指对于一定的输入将作出多少反应。 K —驾驶员操纵增益。 TL —引导时间 Tl —延迟时间 TN —神经肌肉时间延迟
34
2. 模型应用
SR l (1 Fs u )Cr gs 1000
由于性别、年龄、社会经济水平、教育、健康状况、 种族等产生的个体差别，称 为“个体差异”。
1.性别
2.年龄（老年人的驾驶行为特性） 3.驾驶员伤害（药物、酒精、残疾）
32
§3 连续驾驶模型
一、驾驶行为 1. 驾驶传递函数 驾驶活动中的两个输入是： ① 驾驶员根据车道状况、视野变化和其他信息感觉到 的期望路线； ② 车辆当前行驶方向和路线。
2 u0 d 257.9 f
式中：d—制动距离(m) u0—汽车制动开始时的速度(km/h) f—轮胎与道路表面的摩擦系数，约等于以重力加速 度g为单位的减速度。
38
开环制动（无ABS），在紧急制动时，不可避免地出 现车轮在地面上抱死拖滑的现象。当车轮抱死时，地 面的侧向附着性能很差，所能提供的侧向附着力很小， 在汽车所受到种种干扰外力作用下就会出现方向失稳 问题，容易发生交通事故。在潮湿路面或冰雪路面上 制动时，这种方向失稳的现象更常发生。
重点：驾驶员的心理、生理和行为特征 难点：
3
§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶行为可以分为三个阶段： 1）感知阶段；
2）判断决策； 3）动作阶段
在人、车、路系统中，驾驶 员通过视觉、听觉、触觉器 官来感知交通环境和车辆状 态。
4
§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶行为可以分为三个阶段： 1）感知阶段；
2）判断决策； 3）动作阶段
25%导致严重人员伤害的交通事故是由侧滑引起的。 http://bbs.fblife.com/viewthread.php?tid=1244176
http://liaozhai.pujia.com/thread-226007-1.html
39
2. 闭环制动 封闭道路上装有仪器的汽车在碰到意外或事 先知道的障碍物，但不知何时到来时的制动 反应。
通过加速从一个车道汇合到另外一个车道。
44
2. 合流
三、停车视距
道路上的最小视距应该保证以设计速度行驶 的车辆在到达其前方的“固定物体”之前能 够停车。 对于停车视距，最不利的情况是：感觉—反 应时间1.57s；制动减速度-0.37g。
气候变化等多种信息储存在某一情报板或标志牌上， 也可将道路监测信息实时显示出来，使驾驶员能及 时采取正确有利的交通行为。因此，交通流建模必 须考虑可变信息标志对驾驶员行为的影响。
22
4. 视认时间
交通标志还要使交通参与者在很短的时间内就能看到、认 识并完全明白它的含义， 阅读速度受很多因素的影响，比如文字类型、数量、句子 结构、信息顺序、阅读目的表达方式以及驾驶员正在做的 任何其他事情等等。研究表明，对于一个短的单词(4到8个 字母)需要最少1s的观测时间，而每一个信息单位则要2s。 对于没有经验的驾驶员来说，时间会长一些；而对于有相 似标志经验的驾驶员，时间要短。每行有12~16个字符的标 志，最小的阅读时间为每行2s，这可以用来估计驾驶员需 要多长时间来阅读和理解给定消息。
式中：L—目标（图案、文字、符号等）直径(m)； D—眼睛到目标的距离(m)
20
对于文字标志，其视认距离存在很大的可变性。 实验室视认距离要比实际道路条件大3%~21%，但 视认距离的变化系数在实验室和实际道路条件下是 相同的。
21
3.实时显示——随着智能运输系统的发展，可将通
路状况，如水毁、塌方、堆雪、交通状况、事故、
30
公路上构成危险并引起避让行为的多数物体 都超过60cm，可根据字母或符号识别方法来 确定危险或非危险物体的视觉角度。通常， 驾驶员考虑一个物体是否构成危险，主要通 过将其与车道宽度以及其他熟悉的路旁物体 (如邮箱)对比而得出该物体的大小，这些判断 将有助于物体的识别。
31
六、驾驶行为的个体差异
ln(T )
Z
13
勒纳（Lerner）等人对制动感觉—反应时间（包括制动 开始）作了进一步研究，分析了两种反应： (1)驾驶员不知道什么时候开始制动甚至是否制动； (2)驾驶员预先知道制动信号到来，但不知道确切的时间。 制动感觉—反应时间
类型 均值 标准差 λ ξ 50% 85% 95% 99%
2
式中：gs—转向盘角度(rad) SR—单位输入驾驶员的反应
l —轴距(m)
Fs—稳定性参数 u —速度(m/s) Cr—车道曲率(m-1)
35
二、制动
1. 开环制动——无自动防抱死的制动系统
2. 闭环制动——有自动防抱死的制动系统
自动防抱死制动系统（Antilock Braking System，ABS）
人、车、路系统作用图：P.58,图4.1
9
§2 离散驾驶行为
感觉-反应时间（PRT）
制动反应 时间
移动时间（MT）
10
§2 离散驾驶行为
一、感觉-反应时间（PRT）
①
②
——指刺激和反应之间的时间间隔。 海曼反应定律 T=a+bH 感觉-反应时间由两部分组成： 一部分是取决于刺激观测、选取、识别的总时间， 对于所有驾驶员差别不大； 另外一部分是随机项，它与信息内容等因素有关。
aLV—最大水平加速度(m/s2)
G—坡度(%)
g—重力加速度(9.8 m/s2)
43
二、可插车间隙与合流
1. 可插车间隙
驾驶员进入或穿越交通流必须判断潜在的冲突 车辆与自己车辆之间的距离，并作出决策是否 进入或穿过。连续车辆到达某一点的时间间隔 就是间隙，临界间隙就是驾驶员试图汇入或者 通过连续车流时间间隙的最小值。
式中：a、b—参数，随个体不同而变化(s) A—运动起点到终点的距离(m)
W—车辆宽度（肢体移动方向）(m)
log 2 (
2A ) W
—难度指数
对于简短迅速的移动(<180ms)，将公式简化：
MT a b A
16
通常驾驶员脚的移动轨迹为抛物线，对MT移 动时间影响较大。
移动反应时间长度与感觉—反应时间无关。
18
交通控制设备信息流程，P.64
19
1. 交通信号灯的变化
从交通流理论出发，主要关注驾驶员对交通信号灯变化 的反应，即“读”和“理解”的结合。
2. 标志的能见度和易理解性
视觉敏锐度是指分辨细小或遥远的物体或物体局部的
能力，用视角来表示。 视角计算公式：
L 2 arctan( ) 2D
驾驶人的交通特性
1
本章主要内容
§1 驾驶任务 §2 离散驾驶行为 §3 连续驾驶模型 §4 驾驶员交通特性的应用 §5 小结
本章以交通心理学为基础，研究驾驶员在 道路交通系统中的心理、生理和行为特征。
2
教学目的：掌握交通心理学的基本原理和方法， 了解驾驶员在道路交通系统中的心理、生理和行 为特征。
在感知信息的基础上，经过大脑 处理作出反应和判断。
5
§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶行为可以分为三个阶段： 1）感知阶段；
根据反应和判断决策，再支配手、
2）判断决策； 3）动作阶段
脚运动器官操纵汽车，使之按驾 驶员的意志在道路上行驶。
驾驶行为 B = f (D,A,R,T)
6
§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶任务可以分为三个层次： 1）控制 control；
23
不合理的交通标志
24
5. 视认距离
我国文字高度和视认距离的关系：
(1) 在白天、步行、白底黑字的情况下 ：
h 45cm (20 / 3)h, 2 D h 45 3 300 90( 25 ) , h 45cm
式中：D—视认距离(m)
h—文字高度
25
(2) 在夜间情况下：
1 1.31 0.61 0.17 0.44 1.18 1.87 2.45 3.31
2 0.54 0.1 -0.63 0.18 0.53 0.64 0.72 0.82
14
凡波(Fambro)等人的研究
15
二、移动时间（MT）
费茨（Fitts）的移动时间模型：
2A MT a b log 2 ( ) W
40
汽车制动防抱死装置(ABS)的基本功能就是可 感知制动轮每一瞬时的运动状态，并根据其 运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小 避免出现车轮的抱死现象，因而是一个闭环 制动系统。它是电子控制技术在汽车上最有 突出成就的一项应用。可使得汽车在制动时 维持方向稳定性和缩短制动距离，有效地提 高了行车的安全性。
36
交通信号控制 系统分类
开环控制系统
闭环控制系统
Open Loop
+
Closed Loop
-
37
1. 开环制动——最简单的制动方式是驾驶员踏制动板到
最大制动力，近似瞬间地对车辆给予制动输入，可以简单 描述为它将导致一个或多个车轮被抱死。当速度高于 32km/h时，可能出现制动失灵，除非该车装备有自动防抱 死制动系统（Antilock Braking System, ABS）。
11
12
对数正态分布的概率密度函数为：
f (T ) 1 2 T ln(T ) 2 exp[( ) ]
Leabharlann Baidu
参数λ、ξ决定了分布状况，与感觉—反应时 间样本数据的均值μ和标准差σ有关：
2 2 ln(1 2 )
ln(
1 /
2 2
)
与λ相关的标准值为：
41
3. 最佳减速度
通常公认的最大“舒适”减速度为-0.30g左 右，或者-3m/s2。
驾驶员通过加速踏板或者其他设备来控制和 改变车辆的速度或发动机每分钟的转数 （PRM）。
三、速度与加速度
1. 稳态速度控制 2. 加速度控制
42
§4 驾驶员交通特性的应用
一、交通流中的追赶与超车
Gg aGV a LV 100 式中：aGV—最大斜坡加速度(m/s2)
（skill－based）
2）引导 guidance；
（rule-based)
3）导驶 navigation （knowledge-based）
控制水平是在控制界面上 实现的，许多操作都是自 动的、无意识的。(包括 所有人－车信息交互) 在控制水平，驾驶员的主 要任务是“根据道路和交 通状况，保持车辆的安全 车速和轨迹”。
驾驶员的驾驶任务可以分为三个层次： 1）控制 control；
（skill－based）
2）引导 guidance；
（rule-based)
3）导驶 navigation （knowledge-based）
导驶是最高层次，在这 里驾驶员是独立的管理 者。导驶层次是基于知 识的驾驶行为，包括路 径的计划和选择、地图 上交通线路的引导标识 等。
17
三、对交通控制设备的反应时间和距离
感觉器官给驾驶员提供的交通信息量中，视觉所 占的比重最大，达到80%。 交通控制设备（TCD）提供的信息是影响驾驶员 和交通流理论研究中非常重要的一个方面。 交通控制设备的要求： (1)在视野中作为目标被发觉； (2)确认为交通控制设备（交通标志、交通信号或路 障等）； (3)清晰且易于辨认和理解。
29
2. 障碍和危险的识别与确认 一旦驾驶员觉察到道路上的某个物体，下一步 将是：
(1)识别阶段，判断是否是一个潜在的危险；
(2)视认阶段，这一阶段驾驶员能够得出物体是什么。 如果这个物体(假定是静止的)非常小，可以从车底或 车轮间穿过，那么它是什么并不重要，因此第一步估 计主要是物体的大小。如果物体很大不能从车底穿过， 那么必须躲避或制动。15cm或更低的物体一般不是引 起交通事故的因素。
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§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶任务可以分为三个层次： 1）控制 control；
（skill－based）
2）引导 guidance；
（rule-based)
3）导驶 navigation （knowledge-based）
控制和引导这两个 车辆操作水平对于 交通流建模都是非 常重要的。
8
§1 驾驶任务
h D (25 ) lg L 3.4h 7 3
式中：L—标志板的照度 视认距离还与汉字的笔画有关。
文字高度和行车速度的关系 表3-6
26
驾驶员感知、决策过程
27
四、其他车辆的动态特性
1. 前导车辆 2. 侧向车辆
28
五、障碍和危险物的觉察、识别与确认
1. 障碍和危险的察觉
33
Ke ts (1 TL s) g ( s) R (1 Tl s)(1 TN s)
式中： g(s)—响应，指对于一定的输入将作出多少反应。 K —驾驶员操纵增益。 TL —引导时间 Tl —延迟时间 TN —神经肌肉时间延迟
34
2. 模型应用
SR l (1 Fs u )Cr gs 1000
由于性别、年龄、社会经济水平、教育、健康状况、 种族等产生的个体差别，称 为“个体差异”。
1.性别
2.年龄（老年人的驾驶行为特性） 3.驾驶员伤害（药物、酒精、残疾）
32
§3 连续驾驶模型
一、驾驶行为 1. 驾驶传递函数 驾驶活动中的两个输入是： ① 驾驶员根据车道状况、视野变化和其他信息感觉到 的期望路线； ② 车辆当前行驶方向和路线。
2 u0 d 257.9 f
式中：d—制动距离(m) u0—汽车制动开始时的速度(km/h) f—轮胎与道路表面的摩擦系数，约等于以重力加速 度g为单位的减速度。
38
开环制动（无ABS），在紧急制动时，不可避免地出 现车轮在地面上抱死拖滑的现象。当车轮抱死时，地 面的侧向附着性能很差，所能提供的侧向附着力很小， 在汽车所受到种种干扰外力作用下就会出现方向失稳 问题，容易发生交通事故。在潮湿路面或冰雪路面上 制动时，这种方向失稳的现象更常发生。
重点：驾驶员的心理、生理和行为特征 难点：
3
§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶行为可以分为三个阶段： 1）感知阶段；
2）判断决策； 3）动作阶段
在人、车、路系统中，驾驶 员通过视觉、听觉、触觉器 官来感知交通环境和车辆状 态。
4
§1 驾驶任务
驾驶员的驾驶行为可以分为三个阶段： 1）感知阶段；
2）判断决策； 3）动作阶段
25%导致严重人员伤害的交通事故是由侧滑引起的。 http://bbs.fblife.com/viewthread.php?tid=1244176
http://liaozhai.pujia.com/thread-226007-1.html
39
2. 闭环制动 封闭道路上装有仪器的汽车在碰到意外或事 先知道的障碍物，但不知何时到来时的制动 反应。
通过加速从一个车道汇合到另外一个车道。
44
2. 合流
三、停车视距
道路上的最小视距应该保证以设计速度行驶 的车辆在到达其前方的“固定物体”之前能 够停车。 对于停车视距，最不利的情况是：感觉—反 应时间1.57s；制动减速度-0.37g。
气候变化等多种信息储存在某一情报板或标志牌上， 也可将道路监测信息实时显示出来，使驾驶员能及 时采取正确有利的交通行为。因此，交通流建模必 须考虑可变信息标志对驾驶员行为的影响。
22
4. 视认时间
交通标志还要使交通参与者在很短的时间内就能看到、认 识并完全明白它的含义， 阅读速度受很多因素的影响，比如文字类型、数量、句子 结构、信息顺序、阅读目的表达方式以及驾驶员正在做的 任何其他事情等等。研究表明，对于一个短的单词(4到8个 字母)需要最少1s的观测时间，而每一个信息单位则要2s。 对于没有经验的驾驶员来说，时间会长一些；而对于有相 似标志经验的驾驶员，时间要短。每行有12~16个字符的标 志，最小的阅读时间为每行2s，这可以用来估计驾驶员需 要多长时间来阅读和理解给定消息。
式中：L—目标（图案、文字、符号等）直径(m)； D—眼睛到目标的距离(m)
20
对于文字标志，其视认距离存在很大的可变性。 实验室视认距离要比实际道路条件大3%~21%，但 视认距离的变化系数在实验室和实际道路条件下是 相同的。
21
3.实时显示——随着智能运输系统的发展，可将通
路状况，如水毁、塌方、堆雪、交通状况、事故、
30
公路上构成危险并引起避让行为的多数物体 都超过60cm，可根据字母或符号识别方法来 确定危险或非危险物体的视觉角度。通常， 驾驶员考虑一个物体是否构成危险，主要通 过将其与车道宽度以及其他熟悉的路旁物体 (如邮箱)对比而得出该物体的大小，这些判断 将有助于物体的识别。
31
六、驾驶行为的个体差异
ln(T )
Z
13
勒纳（Lerner）等人对制动感觉—反应时间（包括制动 开始）作了进一步研究，分析了两种反应： (1)驾驶员不知道什么时候开始制动甚至是否制动； (2)驾驶员预先知道制动信号到来，但不知道确切的时间。 制动感觉—反应时间
类型 均值 标准差 λ ξ 50% 85% 95% 99%
2
式中：gs—转向盘角度(rad) SR—单位输入驾驶员的反应
l —轴距(m)
Fs—稳定性参数 u —速度(m/s) Cr—车道曲率(m-1)
35
二、制动
1. 开环制动——无自动防抱死的制动系统
2. 闭环制动——有自动防抱死的制动系统
自动防抱死制动系统（Antilock Braking System，ABS）
人、车、路系统作用图：P.58,图4.1
9
§2 离散驾驶行为
感觉-反应时间（PRT）
制动反应 时间
移动时间（MT）
10
§2 离散驾驶行为
一、感觉-反应时间（PRT）
①
②
——指刺激和反应之间的时间间隔。 海曼反应定律 T=a+bH 感觉-反应时间由两部分组成： 一部分是取决于刺激观测、选取、识别的总时间， 对于所有驾驶员差别不大； 另外一部分是随机项，它与信息内容等因素有关。
aLV—最大水平加速度(m/s2)
G—坡度(%)
g—重力加速度(9.8 m/s2)
43
二、可插车间隙与合流
1. 可插车间隙
驾驶员进入或穿越交通流必须判断潜在的冲突 车辆与自己车辆之间的距离，并作出决策是否 进入或穿过。连续车辆到达某一点的时间间隔 就是间隙，临界间隙就是驾驶员试图汇入或者 通过连续车流时间间隙的最小值。
式中：a、b—参数，随个体不同而变化(s) A—运动起点到终点的距离(m)
W—车辆宽度（肢体移动方向）(m)
log 2 (
2A ) W
—难度指数
对于简短迅速的移动(<180ms)，将公式简化：
MT a b A
16
通常驾驶员脚的移动轨迹为抛物线，对MT移 动时间影响较大。
移动反应时间长度与感觉—反应时间无关。
18
交通控制设备信息流程，P.64
19
1. 交通信号灯的变化
从交通流理论出发，主要关注驾驶员对交通信号灯变化 的反应，即“读”和“理解”的结合。
2. 标志的能见度和易理解性
视觉敏锐度是指分辨细小或遥远的物体或物体局部的
能力，用视角来表示。 视角计算公式：
L 2 arctan( ) 2D