不同警告方式下駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力模擬試驗(yàn)研究*

趙俊瑋，華 珺， 劉永濤，魏 朗

(長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

在駕駛過程中，因駕駛?cè)烁兄t滯、判斷失誤或行為差錯(cuò)造成的道路交通事故可以通過先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)來改善[1-2]。目前，前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、自動緊急制動系統(tǒng)等可在交通場景危險(xiǎn)事件即將發(fā)生時(shí)提醒駕駛?cè)肆⒖滩扇〈胧﹣碛行П苊饨煌ㄊ鹿实陌l(fā)生。而隨著駕駛輔助系統(tǒng)的融合發(fā)展，其使用的警告方式趨于多樣化，駕駛?cè)嗽诓煌绞阶饔孟碌膽?yīng)激反應(yīng)能力也存在差異。因此，研究不同警告方式對駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力的影響，對于道路交通安全的提升以及先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有十分重要的意義。

國外學(xué)者對駕駛?cè)嗽诓煌娣绞较卤憩F(xiàn)出的應(yīng)激反應(yīng)能力的研究已有一定進(jìn)展。Zhang等[3]研究了通知警告與命令警告對駕駛?cè)酥苿禹憫?yīng)時(shí)間、轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間的作用，并預(yù)測了不同語音預(yù)警風(fēng)格下可能發(fā)生碰撞的概率；Winkler等[4-5]先后研究了在不同交通危急情況下單級視覺警報(bào)、多級組合警報(bào)對駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)時(shí)間的影響；Remo等[6]通過駕駛模擬器研究了在不同程度認(rèn)知干擾的音頻任務(wù)下，車內(nèi)視覺警告系統(tǒng)對駕駛?cè)藫Q道反應(yīng)速度的影響；Forster等[7]在現(xiàn)有視覺提醒的基礎(chǔ)上，研究了駕駛?cè)嗽诓煌愋吐犛X提示信息下對危險(xiǎn)事件的反應(yīng)時(shí)間。國內(nèi)目前大多停留在不同交通危險(xiǎn)場景下駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力的研究。例如，呂愛紅等[8]結(jié)合駕駛?cè)瞬僮餍袨閿?shù)據(jù)和車輛運(yùn)動數(shù)據(jù)，建立了駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力評估算法，并通過駕駛模擬器試驗(yàn)驗(yàn)證了評估算法的可靠性。然而，關(guān)于警告方式對應(yīng)激反應(yīng)能力影響的研究較少。黎景壯[9]研究了駕駛?cè)嗽诓煌A(yù)警方式下的應(yīng)激反應(yīng)過程，但未深入考慮不同危險(xiǎn)場景狀況的影響。

目前對于駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)的研究多以駕駛模擬器為試驗(yàn)平臺，并且上述學(xué)者通過設(shè)置虛擬動畫來呈現(xiàn)危險(xiǎn)駕駛場景，缺乏一定的真實(shí)性，與實(shí)際駕駛效果有一定偏差。Vingilis等[10]研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際駕駛視頻會影響觀看者的駕駛行為，高風(fēng)險(xiǎn)駕駛視頻能夠提升駕駛?cè)笋{駛操作反應(yīng)能力；Kovácsová等[11]通過對十字交叉路口的實(shí)際視頻進(jìn)行剪輯，評測試驗(yàn)者以不同速度接近路口時(shí)的反應(yīng)判斷能力；華珺等[12]通過實(shí)際交通場景視頻對駕駛?cè)朔磻?yīng)能力進(jìn)行測試及培訓(xùn)，取得了良好的反饋效果。因此，在模擬試驗(yàn)中使用實(shí)際危險(xiǎn)場景視頻能夠更好地反映駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力。

國外對駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力的研究多以駕駛模擬器為試驗(yàn)平臺、虛擬動畫視頻為試驗(yàn)場景。而國內(nèi)對駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力的研究尚處于傳統(tǒng)駕駛階段，在駕駛輔助系統(tǒng)下的應(yīng)激反應(yīng)能力研究較少。因此，本文分別以計(jì)算機(jī)與駕駛模擬器為試驗(yàn)平臺，以實(shí)際駕駛視頻為試驗(yàn)場景，研究駕駛?cè)嗽诓煌娣绞较聭?yīng)激反應(yīng)能力表現(xiàn)差異，以促進(jìn)先進(jìn)駕駛輔助技術(shù)在提升交通安全方面的發(fā)展。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模擬試驗(yàn)環(huán)境及危險(xiǎn)場景設(shè)置

試驗(yàn)基于計(jì)算機(jī)模擬與駕駛模擬器進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取，其中，計(jì)算機(jī)模擬是通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊軟件界面測試按鈕進(jìn)行應(yīng)激反應(yīng)操作；駕駛模擬器模擬是通過方向盤、加速踏板、制動踏板進(jìn)行操作。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取、視頻軟件的播放、警告方式的設(shè)置均采用自主開發(fā)的駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力測試軟件，測試界面如圖1所示。

圖1 軟件測試界面Fig.1 Software test interface

通過資料查閱與文獻(xiàn)調(diào)研[13-14]，本試驗(yàn)采用先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)可能感知到的危險(xiǎn)場景作為典型測試場景。試驗(yàn)場景包含6類，每類場景包含視頻6～10個(gè)，每個(gè)視頻經(jīng)過剪輯至3 min左右。視頻素材來源于行車記錄儀視頻，提取其中并未發(fā)生事故的危險(xiǎn)場景，具體場景描述如表1所示。

表1 典型突發(fā)事件交通場景Table 1 Typical traffic emergency scenes

1.2 警告方式設(shè)置

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)能夠通過傳感器、決策器以及控制器進(jìn)行危險(xiǎn)場景的提示，從最初的聽覺警告到視覺警告都可以有效提醒駕駛?cè)瞬扇”茈U(xiǎn)操作[15]。在實(shí)現(xiàn)完全自動駕駛過程之前，研究駕駛?cè)嗽隈{駛輔助系統(tǒng)下的應(yīng)激反應(yīng)操作尤為重要。因此，本試驗(yàn)設(shè)置聽覺警告、視覺警告、視聽覺組合警告3種方式。其中聽覺警告通過重復(fù)短暫的滴滴聲進(jìn)行提示；視覺警告通過對場景視頻進(jìn)行處理，以線框框出危險(xiǎn)突發(fā)位置進(jìn)行提示，如圖2所示；視聽覺組合警告是同時(shí)使用上述2種警告方式。

圖2 視覺警告測試界面Fig.2 Visual warning test interface

1.3 測試指標(biāo)

駕駛?cè)藢煌ㄍ话l(fā)危險(xiǎn)事件的應(yīng)激反應(yīng)是快速感知判斷并準(zhǔn)確決策、操作的過程，主要考察駕駛?cè)瞬僮鞯臏?zhǔn)確度和反應(yīng)的快慢。因此，選取操作準(zhǔn)確度及反應(yīng)時(shí)間2個(gè)指標(biāo)測試駕駛?cè)说膽?yīng)激反應(yīng)能力。

1)操作準(zhǔn)確度：在計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)中被試人正確點(diǎn)擊操作按鈕即為成功應(yīng)對突發(fā)事件；在駕駛模擬器模擬試驗(yàn)中被試人正確操作方向盤及踏板即為成功應(yīng)對突發(fā)事件。操作的正確動作及時(shí)間范圍經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛?cè)朔磸?fù)確定并在軟件內(nèi)設(shè)置。

2)反應(yīng)時(shí)間：測試視頻播放過程及時(shí)間節(jié)點(diǎn)說明如圖3所示。當(dāng)被試人能夠在警告發(fā)出后且危險(xiǎn)尚未發(fā)生時(shí)(即td至to段)做出正確避險(xiǎn)操作(定義該時(shí)刻為tc)，采集反應(yīng)時(shí)間T(T=tc-td)。對于計(jì)算機(jī)模擬，點(diǎn)擊正確操作按鈕時(shí)刻為tc；對于駕駛模擬器，轉(zhuǎn)向信號、踏板信號開始變化為tc。當(dāng)被試人在td至to做出錯(cuò)誤避險(xiǎn)操作時(shí)，軟件界面顯示事故后果圖，事故后果圖來源于相似場景的實(shí)際事故圖；若被試人在危險(xiǎn)事件發(fā)生(即to時(shí)刻)后尚未做出避險(xiǎn)操作，視頻停止播放并顯示事故后果圖。只有在操作準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上才考慮反應(yīng)時(shí)間，否則測試失敗，試驗(yàn)無效。

圖3 視頻播放過程Fig.3 Playback process

圖3中，ts表示視頻開始播放；td表示危險(xiǎn)出現(xiàn)且警告發(fā)出；to表示危險(xiǎn)事件發(fā)生；tc表示被試人采取避險(xiǎn)操作。若被試人在警告發(fā)出后無法做出避險(xiǎn)操作，則警告信息持續(xù)至to，視頻停止播放，警告結(jié)束。

1.4 被試人選取

首先利用應(yīng)激反應(yīng)能力測試軟件考察候選被試人的計(jì)算機(jī)和駕駛模擬器操作能力，并進(jìn)行初步應(yīng)激反應(yīng)能力測試以保證其能力不存在顯著差異。最終選取24名被試人員，包括20名男性和4名女性，其年齡為24～28歲，平均年齡26歲，駕駛里程均在10 000 km以下。根據(jù)警告方式的不同，分為聽覺警告組、視覺警告組、視聽覺警告組以及無警告組。將被試人隨機(jī)分配到上述4組，每組6人(包括5名男性和1名女性)，每組被試人均需完成計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)和駕駛模擬器試驗(yàn)。

1.5 測試流程

各組被試應(yīng)激反應(yīng)能力測試流程如下：

1)各組被試人首先熟悉應(yīng)激反應(yīng)能力測試軟件操作流程，包括計(jì)算機(jī)操作按鈕以及駕駛模擬器控制操作。由于計(jì)算機(jī)模擬點(diǎn)擊與通常駕駛操作有所不同，為保證測試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，需對被試人進(jìn)行正式試驗(yàn)前的指導(dǎo)。

2)各組被試人從軟件入口分別選擇模擬試驗(yàn)方式進(jìn)行測試。每組測試包含6題，每題為1個(gè)不同場景視頻，視頻播放間隔為2 min，每組試驗(yàn)約需進(jìn)行30 min，完成試驗(yàn)并適當(dāng)休息后進(jìn)行另一種模擬試驗(yàn)。

3)若各組被試人準(zhǔn)確采取避險(xiǎn)措施，則視頻順利播放，軟件存儲記錄其反應(yīng)時(shí)間。若采取錯(cuò)誤避險(xiǎn)操作或未采取避險(xiǎn)操作，則視頻停止播放，并彈出相應(yīng)事故場景后果圖，如圖4所示。記錄初次試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

4)由于被試人需要一定時(shí)間熟悉警告方式，因此反復(fù)訓(xùn)練至能夠熟練掌握測試后，記錄被試人最優(yōu)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與初次實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。測試流程如圖5所示。

圖4 類似場景事故后果Fig.4 Similar scene accident consequence

圖5 測試流程Fig.5 Test process

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1 操作準(zhǔn)確率

在計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)和駕駛模擬器試驗(yàn)中分別統(tǒng)計(jì)各組被試人的操作準(zhǔn)確度，并按照式(1)計(jì)算被試人在不同警告方式下反復(fù)訓(xùn)練前后的平均操作準(zhǔn)確率。圖6反映了4組被試人在2種模擬試驗(yàn)條件下初次試驗(yàn)的操作準(zhǔn)確率。圖7～8分別反映了4組被試人在計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)和駕駛模擬器試驗(yàn)中反復(fù)訓(xùn)練后操作準(zhǔn)確率的最優(yōu)表現(xiàn)相對于初次試驗(yàn)的變化情況。

(1)

式中：O為平均操作準(zhǔn)確率；N為被試人數(shù)量；Ci為每名被試人正確題數(shù)；z為每名被試人測試總題數(shù)。

由圖6可知，在2種模擬試驗(yàn)中，被試人在視聽覺警告和視覺警告下的操作準(zhǔn)確率均明顯高于聽覺警告和無警告的情形。對于有警告的組別來說，無警告組由于需要被試人自行判斷可能發(fā)生的危險(xiǎn)事件而可能存在感知遲滯或判斷失誤的情況，因此操作準(zhǔn)確率較低。而視覺警告方式由于用線框的形式展現(xiàn)出危險(xiǎn)存在的位置，向被試人傳遞的信息更加明確，能夠?yàn)轳{駛?cè)颂峁┫鄬Τ渥愕臅r(shí)間做出應(yīng)激反應(yīng)，因此其操作準(zhǔn)確率相比于聽覺警告組更高。這也使得視覺警告對于視聽覺警告組被試人的操作準(zhǔn)確率起主要作用。

圖6 初次試驗(yàn)平均操作準(zhǔn)確率Fig.6 Average operation accuracy of initial test

由圖7和圖8可知，經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練后，被試人的平均操作準(zhǔn)確率在2種模擬實(shí)驗(yàn)中均得到了有效提升。在計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)中，聽覺警告組、視覺警告組、視聽覺警告組和無警告組的平均操作準(zhǔn)確率在反復(fù)訓(xùn)練后分別提升70.59%，30.77%，28.00%和16.67%；在駕駛模擬器試驗(yàn)中，則分別提升50.00%，29.63%，21.43%和42.86%。這說明反復(fù)訓(xùn)練能夠有效提升駕駛?cè)说膽?yīng)激反應(yīng)操作準(zhǔn)確度。然而，無警告組的操作準(zhǔn)確率仍較低。

圖7 計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練前后平均操作準(zhǔn)確率Fig.7 Average operation accuracy before and after computer simulation training

圖8 駕駛模擬器訓(xùn)練前后平均操作準(zhǔn)確率Fig.8 Average operation accuracy before and after driving simulator training

2.2 反應(yīng)時(shí)間

圖9反映了4組被試人初次進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)和駕駛模擬器試驗(yàn)所測得的反應(yīng)時(shí)間分布情況。經(jīng)方差分析可知，視覺警告組和視聽覺警告組被試人的反應(yīng)時(shí)間在計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)(p=0.707)和駕駛模擬器試驗(yàn)(p=0.617)中均無顯著差異，這再次證明了視覺警告在復(fù)合警告方式中發(fā)揮的主要作用。而上述2組與聽覺警告組相比差異明顯(p<0.05)，說明在本試驗(yàn)中視覺警告方式效果優(yōu)于聽覺警告。無警告組反應(yīng)時(shí)間明顯長于其他3組被試人反應(yīng)時(shí)間(p<0.05)。

圖10～11分別顯示了4組被試人在計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練和駕駛模擬器訓(xùn)練后相較于初次試驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間分布情況。經(jīng)方差分析可知，聽覺警告組、視覺警告組和無警告組在計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練后的反應(yīng)時(shí)間有了明顯縮短(p=0.046，p=0.031和p=0.048)；而視聽覺警告組雖變化不大(p=0.657)，但最大反應(yīng)時(shí)間縮短了0.675 7 s。說明反復(fù)訓(xùn)練能夠提高駕駛?cè)嗽谙冗M(jìn)輔助駕駛系統(tǒng)下的應(yīng)激反應(yīng)能力。在駕駛模擬器訓(xùn)練后，雖然4組被試人反應(yīng)時(shí)間沒有明顯變化(p=0.213，p=0.089，p=0.409和p=0.123)，但由圖11可知，反應(yīng)時(shí)間相較于初次試驗(yàn)在更短的時(shí)間處分布更為密集，說明駕駛模擬器訓(xùn)練能夠有效縮短駕駛?cè)嗣鎸ξｋU(xiǎn)事件時(shí)采取避險(xiǎn)操作的反應(yīng)時(shí)間。

圖9 初次試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間Fig.9 Reaction time in initial test

圖10 計(jì)算機(jī)模擬訓(xùn)練前后反應(yīng)時(shí)間Fig.10 Reaction time before and after computer simulation training

圖11 駕駛模擬器訓(xùn)練前后反應(yīng)時(shí)間Fig.11 Reaction time before and after driving simulator training

2.3 模擬試驗(yàn)對比分析

雖然計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)和駕駛模擬器試驗(yàn)均能從一定程度上反映先進(jìn)輔助駕駛系統(tǒng)的不同警告方式對駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力的影響，但由圖6和圖9可知，與計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)相比，4組被試人在駕駛模擬器試驗(yàn)中所表現(xiàn)出的平均操作準(zhǔn)確率更高，反應(yīng)時(shí)間更短。這可能是由于計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)要求被試人移動鼠標(biāo)并使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕按鈕以完成避險(xiǎn)操作，其操作方式區(qū)別于通常的駕駛操作，使得被試人缺乏駕駛體驗(yàn)感，操作準(zhǔn)確率降低；而移動鼠標(biāo)的過程也占用了一部分反應(yīng)時(shí)間，使得反應(yīng)時(shí)間延長。同時(shí)，計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)的操作靈敏度容易受設(shè)備性能影響，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。而駕駛模擬器試驗(yàn)更接近于真實(shí)駕駛操作場景，因此其反映出的操作準(zhǔn)確率和反應(yīng)時(shí)間更符合駕駛?cè)苏鎸?shí)的應(yīng)激反應(yīng)能力水平，測試效果更好。

此外，過去的駕駛模擬器研究多使用動畫視頻作為測試場景，而實(shí)際駕駛視頻的使用能夠更加逼真地展現(xiàn)駕駛場景，提高所獲取數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

3 結(jié)論

1)在相對理想的試驗(yàn)環(huán)境(無外界聲音干擾且被試人無分心情況)中，模擬駕駛輔助系統(tǒng)的不同警告方式能夠反映駕駛?cè)说膽?yīng)激反應(yīng)能力，且反復(fù)訓(xùn)練能夠有效提升駕駛?cè)说牟僮鳒?zhǔn)確率并縮短反應(yīng)時(shí)間。

2)相較于無警告組，視覺警告可有效縮短駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)時(shí)間；視聽覺組合警告中視覺警告方式發(fā)揮主要作用，聽覺警告方式起輔助作用；聽覺警告方式的效果略差于視覺警告方式和視聽覺組合警告方式。

3)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)中存在操作誤差，而通過駕駛模擬器試驗(yàn)獲取的測試數(shù)據(jù)所反映的應(yīng)激反應(yīng)表現(xiàn)更接近于實(shí)際駕駛情況；同時(shí)，在模擬試驗(yàn)中，使用真實(shí)場景視頻作為測試素材能夠有效測試駕駛?cè)藨?yīng)激反應(yīng)能力。

4)試驗(yàn)通過在視頻素材中直接框出危險(xiǎn)點(diǎn)的方法設(shè)置視覺警告方式，但對于駕駛輔助系統(tǒng)來說，對駕駛?cè)酥苯舆M(jìn)行視覺提醒的技術(shù)還有待完善。同時(shí)，本試驗(yàn)尚未考慮到駕駛輔助系統(tǒng)存在一定的誤報(bào)警概率。這是接下來需要進(jìn)一步研究的方向。