汽車主動安全預(yù)警系統(tǒng)警告觸發(fā)方式研究＊

劉月杰 金立生 鄭 義 李英杰

（1.一汽轎車股份有限公司；2.吉林大學(xué)）

1 前言

據(jù)有關(guān)資料表明，若能在潛在交通事故發(fā)生前1 s有效給駕駛?cè)藛T發(fā)出警報，則可避免90%以上的交通事故；如果在事故前2 s駕駛?cè)藛T能夠采取相應(yīng)措施，幾乎所有的交通事故都能避免[1]。

汽車主動安全預(yù)警系統(tǒng)可有效降低交通事故的發(fā)生。該系統(tǒng)主要通過不同方式的警告提醒駕駛?cè)藛T，從而避免事故的發(fā)生。警告觸發(fā)的效果以駕駛?cè)藛T反應(yīng)時間的長短為主要評價指標(biāo),其次是對警告信息的正確理解和對危險工況操作的正確性。不同的感覺器官對警告觸發(fā)方式的響應(yīng)時間是不同的，通常情況下聽覺和觸覺的響應(yīng)時間較短，視覺次之[2]。許多研究結(jié)果表明[3，4]，不同的警告觸發(fā)方式對駕駛?cè)藛T操作行為的影響差異很大，駕駛?cè)藛T對不同的警告觸發(fā)方式的接受能力也不同。因此，警告觸發(fā)方式的選擇直接影響預(yù)警效果的好壞。國外發(fā)達(dá)國家如美國、日本等對于警告觸發(fā)的相關(guān)研究越來越重視[5]，已有汽車應(yīng)用了主動安全預(yù)警系統(tǒng)，部分取得了一定效果；國內(nèi)在汽車主動安全預(yù)警系統(tǒng)方面大部分僅側(cè)重于研究危險狀態(tài)的檢測，而對警告觸發(fā)方式相關(guān)研究較少。

本文從視覺、聽覺和觸覺等方面對警告觸發(fā)方式進(jìn)行探索性研究，并借助典型的汽車主動安全預(yù)警系統(tǒng)——車道偏離預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行試驗驗證分析，從而確定出更適合中國駕駛?cè)藛T的警告觸發(fā)方式。

2 主觀判斷

本文通過駕駛模擬器來實現(xiàn)模擬駕駛環(huán)境及車道偏離工況。在VC++的環(huán)境下開發(fā)程序，通過并口控制，實現(xiàn)視覺、聽覺、觸覺及不同組合的警告觸發(fā)，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與記錄。

為了更準(zhǔn)確地模擬主動安全預(yù)警系統(tǒng)，在試驗過程中使駕駛?cè)藛T通過轉(zhuǎn)向盤控制車輛行駛，在其不知情情況下通過計算機(jī)施加一定的偏航角，以具體實現(xiàn)模擬車道偏離工況。在施加偏航角的同時，由計算機(jī)對駕駛?cè)藛T發(fā)出視覺、聽覺、觸覺和組合警告并開始計時，當(dāng)駕駛?cè)藛T意識到警告信號開始回正轉(zhuǎn)向盤或者踩下制動踏板時，采集轉(zhuǎn)向盤的數(shù)據(jù)并停止計時，由此便記錄了由發(fā)出警告信息到駕駛?cè)藛T采取相應(yīng)措施的響應(yīng)時間。

基于以上模擬環(huán)境，對駕駛?cè)藛T分別進(jìn)行視覺、聽覺和觸覺的預(yù)警試驗，通過駕駛?cè)藛T的主觀判斷篩選出適合作為警告觸發(fā)方式的可行性方案。

2.1 聽覺警告

聽覺警告最基本條件:在嘈雜的駕駛環(huán)境中駕駛?cè)藛T能夠清晰辨別出警告信息，警告信息應(yīng)該具有較強(qiáng)的警告提示作用[6]。以計算機(jī)合成的5種同一音調(diào)而不同主頻的聲音作為警告信息，其頻率分布在 1000～5000 Hz，間隔為 1000 Hz，其聲響為滴滴聲，每種頻率下聲響時間間隔包括0.1 s/次、0.2 s/次、0.3 s/次、0.4 s/次。聽覺預(yù)警裝置如圖1所示。

根據(jù)3步驟對聲音進(jìn)行篩選:

a.篩選出在預(yù)警過程中能清晰辨別出聽覺警告信息的聲音；

b.在上步篩選出的聲音中再選出駕駛?cè)藛T對聽覺警告信息沒有感到厭煩的聲音；

c.在上步篩選出的聲音中再選出聽到警告信息能意識到有危險狀況發(fā)生的聲音。

駕駛?cè)藛T對5種主頻的聲音幾乎都能清楚辨別出，但是聲音的主頻太高或太低都會使駕駛?cè)藛T感到厭煩。駕駛?cè)藛T在駕駛過程中不僅能清晰聽到警告聲音，而且聽到聲音后能意識到有狀況或有危險發(fā)生的聲音警告方式為3000 Hz 0.1 s/次、4000 Hz 0.2 s/次。

2.2 視覺警告

視覺警告具有傳輸遠(yuǎn)、面積小、圖樣多、引人注目等特點，但視覺信息容易加重駕駛?cè)藛T視覺負(fù)擔(dān)。視覺警告的設(shè)計包括顏色設(shè)計、形狀設(shè)計以及布置設(shè)計等[7]。本文通過調(diào)研分析，并結(jié)合中國人的習(xí)慣，選取紅、黃、綠作為警告燈的顏色，利用發(fā)光二極管制作直徑為5.5 cm的圓形發(fā)光燈。駕駛?cè)藛T對燈光的不同顏色、不同位置、不同頻率的變化進(jìn)行主觀判斷，預(yù)警裝置如圖2所示，具體方案見表1。

表1 視覺警告設(shè)計方案

根據(jù)4步驟對聲音進(jìn)行篩選:

a.篩選出在預(yù)警過程中最能引起駕駛?cè)藛T注意的燈光顏色；

b.從上步篩選出的燈光中再選出最能引起駕駛?cè)藛T注意的燈光位置；

c.從第1步篩選出的燈光中再選出最能引起駕駛?cè)藛T注意的燈光頻率；

d.從第3步篩選出的燈光中再選出能使駕駛?cè)藛T意識到有情況發(fā)生或有危險狀況發(fā)生的燈光。

其中最能引起駕駛?cè)藛T注意的燈光顏色為黃色和紅色，且以駕駛?cè)藛T視野的下方和左下方位置為警告位置接受的人數(shù)最多。最能引起駕駛?cè)藛T注意的燈光頻率為黃燈0.1 s/次、黃燈0.2 s/次、紅燈0.1 s/次、紅燈0.2 s/次、紅燈0.3 s/次。但是能使駕駛?cè)藛T意識到有情況或者有危險狀況發(fā)生的燈光頻率為黃燈 0.1 s/次、黃燈0.2 s/次、紅燈 0.1 s/次、紅燈0.2 s/次。

2.3 觸覺警告

觸覺警告一般是通過振動來實現(xiàn)的，如振動轉(zhuǎn)向盤、振動座椅、振動安全帶等。駕駛?cè)藛T不同身體部位對同一振動頻率及相同部位對不同振動頻率的接受能力是不同的。不同身體部位受振的靈敏度也不同，振動靈敏度閾值也各不相同，靈敏度最高的是手，最差的是臀肌[8]。本文選擇振動轉(zhuǎn)向盤作為觸覺警告觸發(fā)方式。觸覺預(yù)警裝置如圖3所示。結(jié)合調(diào)研分析，確定觸覺警告試驗設(shè)計方案如表2所列。

表2 觸覺警告設(shè)計方案

根據(jù)2步驟對振動進(jìn)行篩選:

a.篩選出在預(yù)警過程中沒有影響到駕駛的振動；

b.在上步篩選出的振動中再選出能使駕駛?cè)藛T意識到有情況或者有危險狀況發(fā)生的振動。

在確保駕駛?cè)藛T感覺到振動后沒有影響到駕駛，且能意識到有狀況或者有危險發(fā)生的振動警告方式為較輕轉(zhuǎn)向盤振動和適中轉(zhuǎn)向盤振動[9]。

3 預(yù)警試驗

本文重點研究的是預(yù)警系統(tǒng)的觸發(fā)方式，故在樣本對象的選擇上，需排除因駕駛?cè)藛T自身因素對試驗結(jié)果造成的影響和誤差。選取200人作為試驗對象，他們都有駕照，且身體健康，駕駛經(jīng)驗較豐富，無不良駕駛記錄，年齡平均分布在25～40周歲，其中男性125名、女性75名。

將模擬試驗和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)移植在自主開發(fā)的乘用車駕駛行為研究平臺上，在正常駕駛情況下進(jìn)行連續(xù)駕駛2小時的模擬試驗駕駛。

目前，由于駕駛?cè)藛T無意識條件下車輛偏離正常行駛車道導(dǎo)致的交通事故較多，而車道偏離預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)可有效減少或避免此類事故發(fā)生。因此，本文在模擬的駕駛環(huán)境中真實模擬車道偏離工況，使車道偏離預(yù)警系統(tǒng)發(fā)生作用，并分別對駕駛?cè)藛T進(jìn)行無警告、單一警告和組合警告的預(yù)警試驗。在不同的警告觸發(fā)條件下，對駕駛?cè)藛T的操作正確人數(shù)、平均響應(yīng)時間和方差綜合考慮，統(tǒng)計分析出適合駕駛?cè)藛T的警告觸發(fā)方式。

3.1 無警告試驗

當(dāng)駕駛?cè)藛T在模擬的駕駛環(huán)境中駕駛一段時間后使其適應(yīng)駕駛過程，在其不知情情況下模擬車道偏離工況，記錄操作正確的人數(shù)及其響應(yīng)時間。其結(jié)果為操作正確的人數(shù)是127人，平均響應(yīng)時間為0.95s，方差為 0.014。

3.2 單一警告試驗

當(dāng)駕駛?cè)藛T在模擬駕駛環(huán)境中駕駛一段時間后使其適應(yīng)駕駛過程，在其不知情的情況下模擬車道偏離工況，并同時對駕駛?cè)藛T分別進(jìn)行視覺、聽覺和觸覺的單一警告。

從3方面對試驗進(jìn)行統(tǒng)計分析:

a.操作過程中是根據(jù)經(jīng)驗還是根據(jù)警告信息做出的選擇；

b.模擬過程中操作正確的人數(shù)；

c.模擬過程中駕駛?cè)藛T響應(yīng)時間。

在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中選擇出依據(jù)警告信息且操作正確的人數(shù)，并計算其響應(yīng)時間和方差。聽覺、視覺、觸覺警告試驗統(tǒng)計結(jié)果分別見表3～表5。

表3 聽覺警告試驗統(tǒng)計

表4 視覺警告試驗統(tǒng)計

表5 觸覺警告試驗統(tǒng)計

由表3～表5可知，聽覺警告中，以4000 Hz、0.2 s/次警告方式要優(yōu)于3000 Hz、0.1 s/次的警告方式；視覺警告中，在駕駛?cè)藛T視野下方進(jìn)行預(yù)警要優(yōu)于左下方，且在視野下方預(yù)警時駕駛?cè)藛T對視覺警告的差異不大，只是以紅燈0.1 s/次的警告方式略優(yōu)；觸覺警告中，兩種振動級別的觸覺警告區(qū)別不大。

綜上所述，在單一警告試驗中，駕駛?cè)藛T在聽覺警告下的操作正確人數(shù)、平均響應(yīng)時間和方差都要優(yōu)于視覺警告和觸覺警告。因此，單一警告時在車道偏離預(yù)警中聽覺警告更適合。

3.3 組合警告試驗

由單一警告試驗可知，聽覺警告中以方案4000 Hz、0.2 s/次的聲音為最優(yōu)方案；視覺警告中以方案紅燈0.1 s/次，且在駕駛?cè)藛T視野的下方警告為最優(yōu)方案（考慮到車道偏離工況特殊性，位置設(shè)計需進(jìn)一步深入分析）；觸覺警告以方案適中級別的轉(zhuǎn)向盤振動為最優(yōu)方案。在組合警告中選用3種不同警告方式組合作為警告方式[10]。當(dāng)駕駛?cè)藛T在模擬駕駛環(huán)境中駕駛一段時間后，使其適應(yīng)駕駛過程，在其不知情情況下模擬車道偏離工況，并同時對駕駛?cè)藛T分別進(jìn)行視覺與聽覺、聽覺與觸覺、視覺與觸覺警告及視覺、聽覺和觸覺的組合警告。

從4個方面對試驗進(jìn)行統(tǒng)計分析:

a.操作過程中是根據(jù)經(jīng)驗還是根據(jù)警告信息做出的選擇；

b.如根據(jù)警告信息做出的選擇，是根據(jù)單一警告還是組合警告；

c.模擬過程中操作正確的人數(shù)；

d.模擬過程中駕駛?cè)藛T響應(yīng)時間。

在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，選擇出依據(jù)組合警告信息且操作正確的人數(shù)，并計算出其響應(yīng)時間和方差。統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表6 組合警告試驗統(tǒng)計

組合警告試驗中，在聽覺和觸覺組合警告下，雖然駕駛?cè)藛T的平均響應(yīng)時間最短，但是操作正確的人數(shù)只有110人，比無警告條件下還少，說明此種警告方式已經(jīng)影響到駕駛?cè)藛T的正常駕駛。因此，聽覺和觸覺組合警告并不適合作為主動安全預(yù)警系統(tǒng)的警告觸發(fā)方式。三者組合的警告中并沒有達(dá)到預(yù)期的警告效果，反而加大了駕駛?cè)藛T的駕駛負(fù)載。聽覺和視覺組合警告與觸覺和視覺組合相比，兩種警告方式下駕駛?cè)藛T響應(yīng)時間的方差沒有明顯差異，但前者組合條件下的駕駛?cè)藛T平均響應(yīng)時間短，且操作正確的人數(shù)多。因此，在預(yù)警系統(tǒng)組合警告中，聽覺和視覺的組合警告為最優(yōu)的警告觸發(fā)方式。

綜上所述，警告效果的好壞是以駕駛?cè)藛T反應(yīng)時間的長短作為主要評價指標(biāo)的；其次，是對危險工況操作的正確性和對警告信息的正確理解。聽覺和視覺組合警告與單獨的聽覺警告相比，雖然兩種警告方式下操作正確的人數(shù)沒有明顯差異，但駕駛?cè)藛T的平均響應(yīng)時間前者短。所以，在主動安全預(yù)警系統(tǒng)警告觸發(fā)中，聽覺和視覺組合警告方式略優(yōu)于聽覺警告方式。

本文也以某型號微型車為試驗車做實車道路試驗，對不同的警告觸發(fā)效果進(jìn)行測試。由實車試驗所得數(shù)據(jù)可驗證模擬過程所得結(jié)論的正確性。由于條件限制，實車試驗的效果還不夠理想，需要做更深入的研究和驗證，但是所得結(jié)論仍可為開發(fā)相關(guān)檢測警示系統(tǒng)提供理論與技術(shù)支持。

4 結(jié)束語

確定了汽車主動安全預(yù)警系統(tǒng)基于聽覺、視覺和觸覺為主的警告觸發(fā)研究策略。通過駕駛?cè)藛T主觀判斷篩選出適合作為警告觸發(fā)方式的方案，并在模擬駕駛環(huán)境中借助開發(fā)的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)分析比較了單一或組合的警告觸發(fā)方式對駕駛?cè)藛T操作行為的影響。對不同警告觸發(fā)方式下駕駛?cè)藛T操作的正確人數(shù)、平均響應(yīng)時間和方差三者進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，聽覺和視覺的組合警告更適合作為中國駕駛?cè)藛T的警告觸發(fā)方式。

1 公安部交通管理局.道路交通事故統(tǒng)計年報.無錫:公安部交通管理科學(xué)研究所，2009.

2 丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué).上海:上海交通大學(xué)出版社，2004.131～141.

3 Keisuke Suzukia， Hakan Jansson.An Analysis of Driver’s Steering Behaviour during Auditory or Hap Tic Warnings for the Designing of Lane Departure Warning System.JSAE Review， 2003，24（4）:381～516.

4 Scott J.J.， Gray R.A Comparison of Tactile， Visual， and Auditory Warnings for Rear-end Collision Prevention in Simulated Driving.Human Factors， 2008，50（2）:264～275.

5 Liu Y.C.Comparative Study of the Effects of Auditory，Visual and Multimodality Displays on Drivers'Performance in Advanced Traveller Information Systems.Ergonomics，2001，l44（4）:425～442.

6 Cheng D.L.，Yi C.J.，Yao H.Y.， etal.Sound Signal Analysis of CVR Based on CVDS，WT&CZT algorithm， Proceedings of the 2nd International Conference on Dynamics.Vibration and Control，2007，129～134.

7 周一鳴，毛恩榮.車輛人機(jī)工程學(xué).北京:北京理工大學(xué)出版社，1999.53～56.

8 Brown，S.B.Effects of Haptic and Auditory Warning on Driver Intersection Behavior and Perception.2005， Unpub?lished Master，Virginia Polytechnic and State University Blacksburg，Virginia.

9 王榮本，余天洪，郭烈，等.基于機(jī)器視覺的車道偏離警告系統(tǒng)研究綜述.汽車工程，2005，27（4）:463～466.

10 董因平.高速汽車車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的算法研究:[學(xué)位論文].吉林:吉林大學(xué)，2004.