基于心理场理论的驾驶行为建模

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驾驶员是道路交通系统中信息的接收者和处理者,是“人-车-路-环境”中的主导者,是交通系统的核心部分,也是复杂度最高的部分,同时其行为直接反馈至交通系统,很大程度上决定交通运行状态。对驾驶行为的研究一直是交通领域关注的热点与难点。驾驶行为模型在微观车辆个体运动规律与宏观交通流运行特性之间建立了联系,使宏观的交通现象能够从微观个体的角度加以阐释,丰富了交通流理论的发展。以跟驰行为、换道行为为代表的驾驶行为建模在交通仿真、交通安全和智能驾驶等领域有着重要的应用价值。心理场理论借鉴了物理场中的一些基本概念用于描述人类个体活动的特性,是一种具有较强影响力的心理学理论。心理场探讨的是人对其周围环境的知觉和认知。之所以借用场论的概念,是由于场论是一种分析物质间相互关系的起因和建立科学体系的方法。本文从描述人类日常行为的心理场理论出发,基于其基本思想,结合驾驶行为特性,建立了基于心理场理论的驾驶行为模型框架,并应用此框架对经典的GM跟驰模型结构进行了修正,以及建立了驾驶行为综合模型。本文具体研究内容如下:(1)对驾驶行为的研究现状进行了总结。从跟驰模型、换道模型以及综合驾驶行为模型三方面对现有研究成果作了回顾。并总结了近年来驾驶行为建模的发展趋势,即心理-生理信息采集设备的广泛应用、关注驾驶行为与交通安全之间的联系、模型的专门化与综合化。(2)建立了基于心理场的驾驶行为模型框架结构。基于心理场理论中物体间的超距离作用与行为动力的作用机理的基本思想,通过引入时间距离的概念,用以描述一维空间上驾驶员对前方事物的感知程度,并基于对驾驶行为的一般认知,将其拓展至二维平面空间,将等时间距离的点连接即构成了驾驶员心理场中的等势线,建立对等势线的分布描述模型,进而建立描述驾驶员心理场分布的一般数学模型。结合心理场内客体相对运动状态及相对位置的变化对驾驶员产生的影响作用,构建了基于心理场的驾驶行为模型框架结构。(3)建立了基于驾驶员心理场模型框架的GM跟驰模型。对经典的GM跟驰模型进行结构上的调整,使之符合心理场模型框架的基本形式。针对GM模型在相对速度为零时无视车辆间距的影响,输出加速度为零值的固有结构性缺陷,通过在模型中引入期望车头时距的影响因素加以解决,并在此基础上提出广义车头时距的概念,结合驾驶员心理场模型框架,将传统的GM跟驰模型在功能上进行拓展,使之能够对平面内的前方客体影响做出响应。通过数值仿真方法对分析模型的局部稳定性和渐进稳定性,结果表明改进后的GM模型较传统GM模型在稳定性方面有了较大提升,解决了原GM跟驰模型的缺陷。并且通过侧向车对驾驶员的干扰作用的模拟,分析了个体车辆及通过车队受侧向车影响效果,结果与实际情况比较接近,符合对此类行为的一般认知。(4)建立了基于驾驶员心理场模型框架的驾驶行为综合模型。对驾驶员心理场模型框架结构中的相关参数形式做了具体化设置,结合驾驶员在速度增加情况下可见视觉注意距离增大以及视线覆盖范围的减小特性,定义了驾驶员心理场有效作用区域;设计了位于心理场作用范围内的客体投影计算方法,应用客体相对驾驶员方向的投影线段在心理场中的曲线积分确定客体心理场场强值;设计了心理场场强最大变化方向计算模块以实现对心理场变化趋势的估计;分析了驾驶员心理驱动力的产生,以及跟驰状态、换道状态和自由行驶状态这三种驾驶员常见行驶情况,设计了综合驾驶行为整体模型结构,基于此框架分别设计了客体的运动状态表达模块以表述客体相对驾驶员的运动状态、心理场强计算模块以计算客体相对驾驶员方向投影线段区域的心理场强度、场强变化幅度计算模块以计算客体在心理场中所处场强的变动情况、客体属性模块以表述客体所受心理场作用力的分配方向、多客体联合作用计算模块以实现心理场中多客体共存时的作用叠加效果、换道决策模块以表述驾驶员对换道的决策流程。通过对模型作用机理的阐述和各部分的具体定义,实现了对驾驶行为综合模型的初步构建,并应用数值仿真手段初步对简单交通场景进行了仿真,初步验证了模型的有效性。最后论文对所做工作进行了总结,分析了论文所取得的进展及成果,并提出了进一步需要研究的内容。
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