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基于可解释机器学习的自动驾驶ODD拓展优先级量化评估方法

李烨 黄启俊 金杰灵 田珊 李继朴

李烨, 黄启俊, 金杰灵, 田珊, 李继朴. 基于可解释机器学习的自动驾驶ODD拓展优先级量化评估方法[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(1): 26-36. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.003
引用本文: 李烨, 黄启俊, 金杰灵, 田珊, 李继朴. 基于可解释机器学习的自动驾驶ODD拓展优先级量化评估方法[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(1): 26-36. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.003
LI Ye, HUANG Qijun, JIN Jieling, TIAN Shan, LI Jipu. A Quantitative Prioritization Assessment Method for Autonomous Vehicle ODD Extension Based on Interpretable Machine Learning[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(1): 26-36. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.003
Citation: LI Ye, HUANG Qijun, JIN Jieling, TIAN Shan, LI Jipu. A Quantitative Prioritization Assessment Method for Autonomous Vehicle ODD Extension Based on Interpretable Machine Learning[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(1): 26-36. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.003

基于可解释机器学习的自动驾驶ODD拓展优先级量化评估方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.003
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2023YFB2504700

国家自然科学基金面上项目 52472371

详细信息
    作者简介:

    李烨(1992—),博士,教授.研究方向:自动驾驶与低空经济. E-mail:yelicsu@csu.edu.cn

    通讯作者:

    金杰灵(1993—),博士,助理研究员.研究方向:高速公路、隧道交通安全. E-mail:jielingkim@gmail.com

  • 中图分类号: U461.99

A Quantitative Prioritization Assessment Method for Autonomous Vehicle ODD Extension Based on Interpretable Machine Learning

  • 摘要: 针对自动驾驶设计运行范围(operational design domain, ODD)拓展中存在的路径模糊与决策主观性问题,研究了1种基于事故数据驱动的ODD拓展优先级量化评估框架。该框架旨在通过可解释的机器学习方法,为自动驾驶系统在复杂环境下的安全能力迭代提供数据支撑与决策依据。针对事故数据集中固有的严重事故样本长尾分布缺陷,构建随机森林与极端梯度提升(extreme gradient boosting,XGBoost)分类模型,引入少数类合成过采样技术(synthetic minority over-sampling technique,SMOTE)优化样本分布,在1∶20的分类权重比下重平衡数据集,确保了模型对少数关键样本(严重事故)的识别能力。为突破传统机器学习模型的“黑箱”局限,采用Shapley加性解释(Shapley additive explanations,SHAP)方法解构模型的内部决策机制,量化环境特征变量对事故严重程度的非线性作用阈值。建立基于控制变量法与主成分分析(principal component analysis, PCA)的ODD拓展边际效应模型,通过模拟单一ODD变量覆盖边界的外延,计算各项拓展策略下事故理论覆盖率的提升幅度。研究结果表明:经过SMOTE处理后,分类模型对少数关键严重事故样本的识别性能大幅提升,随机森林分类模型的整体准确率保持在83.4%的同时,灵敏度由原始的17.8%提升至90.5%,接收者操作特征曲线(receiver operating characteristic,ROC)下面积(area under the ROC curve,AUC)提升至0.922,实现了对高风险特征的更精准捕捉。量化评估数据显示,在候选拓展维度中,向非结构化“道路等级”拓展的安全边际效益最高:将ODD从当前主流的结构化高速公路拓展至州内及郡内公路,普通事故与严重事故的理论覆盖率可分别显著提升15.7%和13.0%。CARLA仿真实验验证显示,在低路面附着与低光照等拓展场景的紧急制动工况下,车辆碰撞率从基准组的5.0%分别激增至45.0%和20.0%,最小碰撞时间(time to collision, TTC)平均缩短1.3 s。物理层面的安全性能衰减趋势与量化评估模型得出的高风险特征排序高度一致,量化指标证明了该评估框架能够可靠地识别最具安全价值的ODD优先拓展方向。

     

  • 图  1  ODD拓展模型整体框架

    Figure  1.  ODD expansion model framework

    图  2  模型指标随权重变化趋势图

    Figure  2.  Model indicators vary with weight changes

    图  3  SHAP摘要图

    Figure  3.  Summary plot of SHAP

    图  4  PCA降维后的数据分布

    Figure  4.  Data distribution after dimensionality reduction by PCA

    图  5  仿真实验过程示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of the simulation experiment process

    表  1  交通管控与照明条件变量数据分布

    Table  1.   Distribution of traffic control and lighting variables

    变量 分类 对应值 占比/% 计数 运行条件
    交通控制设备 无管制 1 88.67 10386 0
    学校区域标志/装置 4 0.11 13 0
    交通信号灯 5 6.24 731 1
    停止标志 6 0.61 72 0
    让行标志 7 0.81 95 1
    闪烁信号 8 0.32 38 1
    交警 10 0.28 33 1
    警告标志 13 2.95 345 0
    施工区域 0 77.57 9086 1
    1 22.43 2627 0
    照明条件 白天 1 53.97 6321 1
    黄昏 2 4.32 506 1
    黎明 3 2.93 343 1
    黑夜, 有照明 4 21.40 2506 1
    黑夜, 无照明 5 17.23 2018 0
    黑夜, 未知照明情况 6 0.16 19 1
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    表  2  道路结构与线形特征变量数据分布

    Table  2.   Distribution of road class and cross-section variables

    变量 分类 对应值 占比/% 计数 运行条件
    道路线型 直线 1 76.97 9016 1
    右曲线 2 13.95 1634 1
    左曲线 3 9.08 1063 1
    路肩类型 (混凝土或沥青)铺砌 1 73.52 8611 1
    未铺砌 2 16.48 1930 0
    有路肩石的路肩 3 10.01 1172 1
    交叉口类型 非交叉口 1 93.48 10949 1
    四方向交叉口 2 3.13 367 1
    T形交叉口 3 2.33 273 1
    Y形交叉口 4 0.99 116 1
    环岛 6 0.06 7 1
    五方向及以上交叉口 7 0.01 1 1
    道路坡度 水平 1 79.36 9295 1
    山顶 2 1.98 232 0
    上坡 3 8.58 1005 1
    下坡 4 9.47 1109 1
    洼地 5 0.61 72 0
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    表  3  道路等级与断面特征变量数据分布

    Table  3.   Distribution of road structure and alignment variabless

    变量 分类 对应值 占比/% 计数 运行条件
    道路等级 州际公路 0 46.21 5412 1
    美国国道 1 11.51 1348 1
    州内公路 2 41.96 4915 0
    郡内公路 3 0.32 38 0
    道路类型 双向无分割 1 10.67 1250 0
    双向无分割, 且有连续弯道 2 1.08 126 0
    双向分割, 无保护 3 5.55 650 1
    双向分割, 中线有屏障保护 4 68.27 7997 1
    单向 5 14.43 1690 0
    道路宽度/m > 0~3.66 0 6.16 722 0
    > 3.66~4.27 1 68.04 7969 1
    > 4.27~4.88 2 1.71 200 1
    > 4.88~5.49 3 0.26 31 1
    > 5.49 4 23.83 2791 1
    车道数量 1 0 10.13 1186 0
    2~3 1 15.27 1788 1
    4~5 2 31.69 3712 1
    6~7 3 30.19 3536 1
    > 7 4 12.73 1491 1
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    表  4  气象与路面状况变量数据分布

    Table  4.   Distribution of meteorological and surface variables

    变量 分类 对应值 占比/% 计数 运行条件
    天气 晴天 1 13.99 1639 1
    阴天 2 73.05 8556 1
    雨天 3 12.58 1473 1
    大雾天气 4 0.35 41 0
    沙尘天气 5 0.01 1 0
    冻雨/冰雹 6 0.01 1 0
    强侧风 7 0.02 2 0
    路面状况 干燥 1 33.01 3866 1
    湿滑 2 66.10 7742 1
    结冰/结霜 4 0.36 42 0
    路面有油 5 0.07 8 0
    泥泞 6 0.16 19 0
    沙地 7 0.03 4 0
    积水 8 0.27 32 0
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    表  5  事故严重程度分布

    Table  5.   Distribution of accident severity

    分类 对应值 占比/% 计数
    1 65.27 7 645
    可能 2 15.58 1 825
    非致残 3 13.05 1 528
    致残 4 4.62 541
    致命(30 d内) 5 1.49 174
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    表  6  模型评价指标结果

    Table  6.   Results of model evaluation indicators

    模型 数据处理 准确率/% 灵敏度/% FPR/% AUC
    RF 原始 93.8 17.8 0.7 0.655
    权重调整 73.8 34.6 24.1 0.620
    SMOTE 83.4 90.5 23.7 0.922
    ENN 56.3 53.7 40.9 0.595
    XGBoost 原始 93.3 8.9 0.5 0.627
    权重调整 72.5 33.5 25.9 0.609
    SMOTE 83.1 89.0 21.9 0.919
    ENN 57.0 53.4 40.1 0.601
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    表  7  ODD覆盖的事故分布比例

    Table  7.   Distribution of accidents covered by the ODD scope

    变量 普通事故 严重事故
    事故 占比/% 事故 占比/%
    初始 2 584 23.5 149 20.8
    车道数量 2 698 24.5 152 21.3
    路面状况 2 604 23.7 149 20.8
    道路等级 4 307 39.2 242 33.8
    照明条件 3 062 27.8 184 25.7
    道路类型 3 015 27.4 169 23.6
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  • 收稿日期:  2025-09-27
  • 网络出版日期:  2026-08-28

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