自動(dòng)駕駛車輛人機(jī)接管需求模型構(gòu)建方法

萬(wàn)曉東 鄭歡 孫濤 陳泓宇 李超

（中國(guó)第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

縮略語(yǔ)

ADAS Advanced Driver Assistant System

FAD Fully Automated Driving

ODD Operational Design Domain

MBSE Model-Based Software Engineering

SysML Systems Modeling Language

NDRT No-Driving-Related Task，NDRT

HUD Head Up Display

TOR Takeover Request

1 研究背景

1.1 人機(jī)共駕與人機(jī)接管的概念

汽車智能化發(fā)展使得高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistant System，ADAS）正向著完全自動(dòng)駕駛（Fully Automated Driving，F(xiàn)AD）轉(zhuǎn)變[1]。這個(gè)過(guò)渡階段即是人機(jī)共駕階段[2]。在可以預(yù)見(jiàn)的相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，智能駕駛汽車面向市場(chǎng)的主要研究仍會(huì)集中在人機(jī)共駕層面[3]。人機(jī)共駕概念指人類駕駛員和自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)車輛分時(shí)、分權(quán)完成雙方都能獨(dú)立完成駕駛?cè)蝿?wù)的技術(shù)架構(gòu)[4]。在人機(jī)共駕的功能架構(gòu)設(shè)計(jì)中，人機(jī)接管是技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，也是高級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)的難點(diǎn)。

根據(jù)SAE International 于2021 年更新的自動(dòng)駕駛車輛標(biāo)準(zhǔn)，將自動(dòng)駕駛劃分為6 個(gè)等級(jí)，其中2 級(jí)～3級(jí)自動(dòng)駕駛車輛處于自動(dòng)駕駛模式時(shí)，駕駛員只需要應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。4級(jí)自動(dòng)駕駛車輛僅在遭遇到超過(guò)駕駛設(shè)計(jì)域（Operational Design Domain, ODD）情況下，如自動(dòng)駕駛系統(tǒng)失效或遇到無(wú)法處理的交通狀況時(shí)，需要駕駛員接管車輛，即人為地控制車輛以保證行駛安全,這種喚醒駕駛員認(rèn)知和行為控制的過(guò)程被稱為接管（Take-over）[5]。

在復(fù)雜場(chǎng)景下控制權(quán)交接是一個(gè)跨領(lǐng)域的復(fù)雜功能，實(shí)際設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)需要基于完整的人類駕駛員與自動(dòng)化系統(tǒng)的協(xié)同框架[4]。本文深入分析了接管需求管理，建立了明確的需求管理模型，深入剖析應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景下對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)能力的有機(jī)調(diào)配與轉(zhuǎn)換，從而確保接管任務(wù)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。本文自動(dòng)駕駛模式為機(jī)器人駕駛員（車輛自動(dòng)行駛系統(tǒng)）掌握車輛控制權(quán)過(guò)程，人機(jī)接管過(guò)程是車輛控制權(quán)從機(jī)器人駕駛員切換至人類駕駛員的過(guò)程。

1.2 基于模型的需求管理

智能網(wǎng)聯(lián)汽車屬于智能交互產(chǎn)品，是包括機(jī)械、電子電氣、系統(tǒng)控制、信息和認(rèn)知多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，具有多維度、強(qiáng)非線性、多過(guò)程與多界面耦合的特點(diǎn)[6]。智能網(wǎng)聯(lián)汽車研發(fā)涉及到數(shù)以千計(jì)的用戶感知功能、大量人與車之間的交互需求和相關(guān)技術(shù)集成。這使得智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)愈加復(fù)雜，如車輛碰到障礙物，需要向人類駕駛員發(fā)出接管提示報(bào)警音，或是人類駕駛員需要操作轉(zhuǎn)向盤從而獲得車輛駕駛權(quán)。

在數(shù)以千計(jì)的用例中，大量功能交叉驗(yàn)證需求人力幾乎無(wú)法完成[7]。傳統(tǒng)管理方式以系列文檔為載體，在專業(yè)機(jī)構(gòu)中傳遞技術(shù)信息，但是這種基于手工維護(hù)文檔的方式，無(wú)論在項(xiàng)目初期還是項(xiàng)目后期的變更管理階段都存在諸多缺陷，如需求捕捉不清晰，設(shè)計(jì)難以追溯等[8]。基于模型的系統(tǒng)軟件工程（Model-Based Software Engineering，MBSE）是一種系統(tǒng)工程方法，將系統(tǒng)軟件生成的模型作為數(shù)據(jù)交付媒介，具有很大優(yōu)勢(shì)[9]。

MBSE 需求管理工作內(nèi)容主要是明確宗旨與范圍，包括對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體性能要求，由此即可建立起系統(tǒng)高層概念。首先，采用系統(tǒng)模型語(yǔ)言（Systems Modeling Language，SysML），建立由功能構(gòu)成的黑盒操作場(chǎng)景[7]，接管功能相關(guān)的黑盒場(chǎng)景指包含了人類駕駛員感知接管激活、執(zhí)行接管、感知接管退出以及過(guò)程中與車輛交互的全部?jī)?nèi)容。其次，采用黑盒構(gòu)造全局性功能結(jié)構(gòu)圖，最后使黑箱白化，得到白盒描述產(chǎn)品[10]，白盒是指實(shí)現(xiàn)黑盒場(chǎng)景中感知與交互內(nèi)容時(shí)序邏輯、軟件算法以及相關(guān)控制器、執(zhí)行部件的分配與部署。

1.3 本文的范疇

廣義控制權(quán)切換包括人類駕駛員發(fā)起的可選擇切換、人類駕駛員發(fā)起的強(qiáng)制性切換和系統(tǒng)發(fā)起的強(qiáng)制性切換[11]。本文以人機(jī)接管功能框架中的一個(gè)功能點(diǎn)，即以特殊場(chǎng)景下人接管車為研究對(duì)象，闡述基于模型管理功能需求方法。其中，以車輛產(chǎn)品安全性行為和合適的人類駕駛員駕駛行為作為接管功能研究的主要內(nèi)容[12]。例如人類駕駛員不會(huì)主動(dòng)尋求碰撞并具備足夠的反應(yīng)力[13]，以及車輛本身無(wú)設(shè)計(jì)因素或質(zhì)量問(wèn)題等導(dǎo)致的安全隱患。

本文所示例的黑盒操作場(chǎng)景表述為，車輛正處于自動(dòng)駕駛模式，此時(shí)人類駕駛員并未關(guān)注行車狀態(tài)，而車輛遭遇突發(fā)的、無(wú)法自行應(yīng)對(duì)的行駛工況，此時(shí)需要人類駕駛員接管車輛控制權(quán)，由此會(huì)產(chǎn)生一些車輛和人類駕駛員相關(guān)的感知交互過(guò)程。

在對(duì)黑盒操作場(chǎng)景（即感知交互過(guò)程）分析后，可設(shè)計(jì)出相關(guān)交互邏輯與交互部件，由此可以建立黑盒模型，黑盒模型體現(xiàn)了人類駕駛員與車輛之間的交互過(guò)程。比如人類駕駛員通過(guò)車輛發(fā)出的報(bào)警信息感知到了車輛需要被接管。這種感知信息的播報(bào)方法與時(shí)機(jī)也構(gòu)成了白盒模型需求。

綜合這些需求，可以設(shè)計(jì)出接管相關(guān)的白盒模型，由白盒模型可以推導(dǎo)出車輛系統(tǒng)產(chǎn)品能力需求，如通過(guò)儀表顯示屏、座椅控制器、座椅電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)白盒模型的支撐，由此可以建立車輛裝備定義。

黑盒模型和白盒模型中的元素相互關(guān)聯(lián)，特別是黑盒模型的用例圖、活動(dòng)圖和時(shí)序圖將在后續(xù)白盒設(shè)計(jì)過(guò)程中被重用[9]。

2 人機(jī)接管需求分析

2.1 接管用例

結(jié)合系統(tǒng)模型語(yǔ)言開(kāi)展需求分析過(guò)程，通常以圖形化方式表示系統(tǒng)內(nèi)部的用例、系統(tǒng)外部的參與者以及二者之間的關(guān)系[14]。本文中，將接管過(guò)程作為人類駕駛員掌握車輛控制權(quán)的用例，即人機(jī)接管，人類駕駛員與人機(jī)接管用例之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 人機(jī)接管用例

2.1.1 人類駕駛員

人類駕駛員角色在接管用例中能夠基于角色屬性（包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸感、體感、知覺(jué)，這些是人類的主要感知能力，通過(guò)這些感知能力，人類可以與外界發(fā)生聯(lián)系），感知到車輛發(fā)出的接管請(qǐng)求（Take-Over Request，TOR）即刻報(bào)警，感知到接管任務(wù)所需要的情境狀態(tài)信息，執(zhí)行必要的接管動(dòng)作，感知到接管成功后車輛控制能力退出狀態(tài)。

人類駕駛員參與接管過(guò)程的活動(dòng)包括感知到接管請(qǐng)求、執(zhí)行接管操作和識(shí)別接管成功，參與過(guò)程中的反應(yīng)力可作為對(duì)接管系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入的重要指標(biāo)，這種反應(yīng)力主要通過(guò)多種反應(yīng)時(shí)間和接管時(shí)間來(lái)量化[13]。反應(yīng)時(shí)間為從系統(tǒng)發(fā)出接管請(qǐng)求到人類駕駛員第一次注視前方或接觸轉(zhuǎn)向盤的時(shí)間，接管時(shí)間為從系統(tǒng)發(fā)出接管請(qǐng)求到人類駕駛員操作轉(zhuǎn)向盤或踏板實(shí)現(xiàn)手動(dòng)駕駛的時(shí)間。

2.1.2 接管主用例

本文主用例專注表述在特殊場(chǎng)景下產(chǎn)生的人接管車活動(dòng)。該場(chǎng)景包括車輛周圍動(dòng)態(tài)環(huán)境的持續(xù)變化以及車輛在該環(huán)境中的行為[15]。經(jīng)過(guò)用例細(xì)化生成用例規(guī)約，包括人接管車所經(jīng)歷的事件流程闡述，前置條件、后置條件和異常情況處理[16]。

本文示例的前置條件為車輛處于自動(dòng)駕駛狀態(tài)，且需要人類駕駛員接管同時(shí)，人類駕駛員可能未處于監(jiān)控駕駛狀態(tài)中。后置條件為人類駕駛員順利獲取駕駛車輛控制權(quán)。異常條件為接管任務(wù)失敗，車輛進(jìn)入自動(dòng)避撞狀態(tài)或接管請(qǐng)求終止，車輛可繼續(xù)自動(dòng)駕駛而無(wú)需接管，本文僅闡述順利接管的需求分析過(guò)程，對(duì)異常條件不做進(jìn)一步分析。

2.1.3 接管活動(dòng)

在用例分析中，通常采用黑盒活動(dòng)圖對(duì)功能活動(dòng)進(jìn)行描述（圖2）。黑盒活動(dòng)圖將系統(tǒng)（人類駕駛員和車輛以及二者的交互）看作一個(gè)整體，描述該系統(tǒng)在特定用例場(chǎng)景下的運(yùn)作過(guò)程，并進(jìn)一步將功能場(chǎng)景轉(zhuǎn)化為功能鏈條[7]。

由圖2 分析可知，人類駕駛員接管車主用例活動(dòng)按順序和主題可分為4項(xiàng)內(nèi)容。

（1）接管激活：此時(shí)，車輛向人類駕駛員發(fā)出接管請(qǐng)求（接管報(bào)警信息），人類駕駛員感知該請(qǐng)求。

（2）接管信息：車輛提供具體車況、路況、接管原因（緊急避障、車輛故障或壞路況導(dǎo)致行駛失控），幫助人類駕駛員快速恢復(fù)情境意識(shí)。

（3）接管執(zhí)行：在接收到人類駕駛員執(zhí)行接管動(dòng)作信號(hào)后，車輛將控制權(quán)移交人類駕駛員。

（4）接管退出：車輛完成控制權(quán)移交后，需要向人類駕駛員傳遞控制權(quán)移交完成狀態(tài)信息。

2.1.4 接管子用例

為進(jìn)一步明確系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，需要建立并分析人類駕駛員接管車的子用例。結(jié)合圖2，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，可劃分為兩個(gè)2 級(jí)子用例，即接管激活與接管退出用例。接管激活用例又可進(jìn)一步分為3 級(jí)子用例，即接管感知提醒與接管情境認(rèn)知，具體如圖3 所示[17]。

圖3 人機(jī)接管子用例[17]

2.1.5 接管順序

使用黑盒順序圖可更清晰地表達(dá)人類駕駛員與子用例之間的交互關(guān)系與邊界條件，具體見(jiàn)圖4。由此可進(jìn)一步細(xì)化子用例規(guī)約，并推導(dǎo)出接管系統(tǒng)的交互能力。

圖4 人機(jī)接管順序

2.1.6 接管時(shí)序

車輛為能夠及時(shí)喚醒或提醒人類駕駛員，需要具備圖像、聲音感知交互能力，通過(guò)調(diào)配這些能力，使人類駕駛員開(kāi)始意識(shí)到周圍發(fā)生的事情并能理解信息含義[18]。

此外，為確保接管速度與接管質(zhì)量，這種提醒交互能力的系統(tǒng)調(diào)配需要有前置時(shí)間，即合適的接管時(shí)間預(yù)算（Time Budget），通常設(shè)定為8 s[13,19,20]。假設(shè)當(dāng)接管請(qǐng)求發(fā)出之后，人類駕駛員視線從非駕駛相關(guān)任務(wù)轉(zhuǎn)移到路面需要0.8 s，人類駕駛員準(zhǔn)備接管與認(rèn)知恢復(fù)需要4 s，行為反應(yīng)用時(shí)約3.2 s（具體時(shí)間需要考慮人類駕駛員的自然因素如年齡，本文提供的時(shí)間僅作為示例）[21-23]。這些時(shí)間參數(shù)將成為子用例分析前置條件。

對(duì)人類駕駛員接管過(guò)程進(jìn)行時(shí)間分配，其中感知接管報(bào)警信息與認(rèn)知接管情境信息事件發(fā)生在接管激活用例中，行為接管事件發(fā)生在接管退出用例中（圖5）。

圖5 人機(jī)接管時(shí)序

2.2 接管激活用例分析

車輛長(zhǎng)期處于自動(dòng)駕駛狀態(tài)時(shí)，人類駕駛員會(huì)出現(xiàn)分心情況比如疲勞或執(zhí)行駕駛次任務(wù)（No-Driving-Related Task，NDRT）[24]，其中NDRT 嚴(yán)重影響接管時(shí)間和質(zhì)量[25]。同時(shí)，對(duì)人類駕駛員接管任務(wù)影響因素主要有信任、疲勞、非駕駛相關(guān)任務(wù)[26]。接管激活用例任務(wù)是使人類駕駛員感知周邊環(huán)境，包括接管感知與接管情境認(rèn)知。通常人類駕駛員在感知到接管提醒后，才會(huì)迅速開(kāi)始情境認(rèn)知過(guò)程。

在接管激活整個(gè)過(guò)程中，依據(jù)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)交互方式的協(xié)同機(jī)理以及接管請(qǐng)求方式提取系統(tǒng)交互能力，為確保安全需要控制展示信息量，以降低人類駕駛員認(rèn)知負(fù)荷[4]。

2.2.1 接管激活前置條件

接管激活前置條件包括接管時(shí)機(jī)、接管感知與情境認(rèn)知相關(guān)的交互元素。

按前所述，應(yīng)在車輛強(qiáng)制自動(dòng)避障前8 s 調(diào)配接管提醒能力，在接管提醒信息發(fā)出的同時(shí)，提供高效接管情境交互能力。

接管感知用例中車輛對(duì)人類駕駛員發(fā)出警覺(jué)喚醒，其中對(duì)于接管請(qǐng)求形式的選擇是重點(diǎn)[26]。接管請(qǐng)求的提示信息通過(guò)交互能力體現(xiàn)，可結(jié)合車型已有的配置和需求緊急程度組合構(gòu)建多通道交互能力[27-29]。因?yàn)榻庸芴嵝研畔⑹桥c駕駛安全、接管效率直接相關(guān)的信息，接管提醒信息與其他感知信息具有更高的優(yōu)先級(jí)[21]。

即使人類駕駛員感知到接管請(qǐng)求，但是較低的情境意識(shí)將直接影響接管質(zhì)量[30,31]。在接管激活用例中，需要結(jié)合人類駕駛員的情境認(rèn)知能力，提供充分的感知元素。在此，為具備向人類駕駛員提供合適的交互能力，需要兼顧接管原因的透明度與實(shí)時(shí)（動(dòng)態(tài)）情境信息[21]。

這種感知元素需要緊密結(jié)合對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景[18,21,32]。常見(jiàn)的接管任務(wù)場(chǎng)景包括前車忽然停下、前方道路維修、出現(xiàn)障礙物、交通標(biāo)記線消失[33,34]和惡劣天氣或者緊急交通事故[35]。本文僅以出現(xiàn)障礙物為例進(jìn)行論述。

2.2.2 接管激活過(guò)程

在接管激活過(guò)程中，對(duì)這些感知能力的準(zhǔn)確提取需要對(duì)激活過(guò)程中人與車之間的元交互（與人的自然感知相關(guān)的單次交互）進(jìn)行分析[17]。

如圖6所示，通過(guò)視覺(jué)提醒、聽(tīng)覺(jué)提醒和觸感提醒分別刺激人類駕駛員對(duì)應(yīng)的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸感感官。為實(shí)現(xiàn)這些提醒功能，需要建立對(duì)應(yīng)的交互能力。

接管感知用例中的感知提醒時(shí)間與對(duì)NDRT 設(shè)備處理是接管感知用例的2 項(xiàng)需求。這2 項(xiàng)需求在黑盒階段提出，并傳遞到系統(tǒng)白盒化過(guò)程中，即作為系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的約束條件。本文以感知提醒時(shí)間作為前置條件，即接管提醒時(shí)間作為接管感知用例被觸發(fā)的條件。對(duì)NDRT 設(shè)備處理作為后置條件，即接管感知用例觸發(fā)后，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)設(shè)置NDRT 設(shè)備狀態(tài)。

（1）視覺(jué)交互能力

可以利用儀表板上的圖標(biāo)或區(qū)域的點(diǎn)亮來(lái)發(fā)出接管請(qǐng)求[35]，比如雙手握轉(zhuǎn)向盤圖標(biāo)。

可以通過(guò)環(huán)繞發(fā)光二極管（Light Emitling Diode，LED）氛圍燈帶發(fā)出接管請(qǐng)求[36]，也可以通過(guò)實(shí)體按鍵背光燈提供操作指示，比如某公司產(chǎn)品位于轉(zhuǎn)向盤輪輞的接管控制裝置DRIVE PILOT，如果轉(zhuǎn)向盤輪輞上的按鈕變紅，車輛會(huì)要求駕駛員在10 s 內(nèi)接管車輛控制。

動(dòng)畫或界面變化也可作為有效的提醒元素，比如國(guó)外品牌產(chǎn)品通過(guò)中控屏亮度閃爍警示駕駛員接管車輛。

（2）聽(tīng)覺(jué)交互能力

聽(tīng)覺(jué)交互主要是通過(guò)發(fā)出報(bào)警音[37]與語(yǔ)音[38-39]實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，同時(shí)為使人類駕駛員迅速反應(yīng)，在語(yǔ)音之前播報(bào)警報(bào)音[35]，同時(shí)在語(yǔ)義上附加明確的指令信息[40]。

（3）觸感交互能力

觸感交互主要通過(guò)坐墊振動(dòng)、靠背振動(dòng)或安全帶振動(dòng)[41]實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，同時(shí)考慮結(jié)合車速設(shè)置不同的振幅和頻率[42]以及帶有方向信息的振動(dòng)，警示駕駛員接管汽車控制[43]。在實(shí)際應(yīng)用中需要注意，雖然觸感不占用人類駕駛員的視覺(jué)認(rèn)知，可以進(jìn)行人性化警示[44]，但是這種方式能夠傳遞的信息量較小[19]，比如僅通過(guò)觸感難以傳遞方向、操作指示或是故障原因等類型信息。

為便于人類駕駛員盡快恢復(fù)駕駛情境認(rèn)知，需要提供足夠的狀態(tài)信息，包括車速、擋位和接管原因，有利于人類駕駛員對(duì)未來(lái)環(huán)境狀態(tài)和條件進(jìn)行預(yù)測(cè)[45]。

圖7 以障礙物導(dǎo)致車輛無(wú)法通行為例，進(jìn)行情境認(rèn)知交互能力提取。車輛提供障礙物在本車行進(jìn)方向的位置（如左側(cè)、右側(cè)），障礙物與本車間距、障礙物是否正在移動(dòng)或變形以及避免與障礙物碰撞的推薦信息，這些信息有助于人類駕駛員迅速?zèng)Q策。同時(shí)，考慮到為避免駕駛員分心，可將場(chǎng)景信息顯示在平視顯示器（Head Up Display，HUD）上，提高人類駕駛員獲取信息的效率[46]。

圖7 情境認(rèn)知交互能力提取

2.2.3 接管激活后置條件

在接管激活情境下，為避免NDRT 對(duì)人類駕駛員感知能力與情境認(rèn)知資源競(jìng)爭(zhēng)[47-49]，在強(qiáng)化接管任務(wù)信息的同時(shí)，應(yīng)暫時(shí)弱化、屏蔽或中斷其他任務(wù)交互，包括認(rèn)知需求、視覺(jué)需求和身體需求，如觀看視頻或聽(tīng)新聞[50-51]。其中，身體需求包括通過(guò)恢復(fù)處于半躺或旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的座椅幫助人類駕駛員恢復(fù)駕駛姿勢(shì)，也包括停止座椅按摩觸感以幫助減少駕駛員分心。

接管激活同時(shí)，可將車輛行駛狀態(tài)提供到NDRT設(shè)備上，可增強(qiáng)接管過(guò)程的安全保障，并在人類駕駛員和車輛之間建立信任關(guān)系，提升接管效率[52]。

2.3 接管退出用例分析

如圖8，當(dāng)導(dǎo)致接管任務(wù)激活的條件（如障礙物）消失時(shí)，或人類駕駛員接管成功，則觸發(fā)接管退出用例[5,53]。其中，人類駕駛員接管成功是指接管過(guò)程中人類駕駛員將手和腳重新恢復(fù)至駕駛狀態(tài)，恢復(fù)情景意識(shí)，并且對(duì)接管后的駕駛場(chǎng)景做出決策與反應(yīng)[54,55]。人類駕駛員手動(dòng)接管方式可以通過(guò)離手檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別雙手握轉(zhuǎn)向盤狀態(tài)，通過(guò)轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)角傳感器識(shí)別轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，通過(guò)制動(dòng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)識(shí)別人類駕駛員是否控制制動(dòng)踏板。

圖8 接管退出交互能力提取

人類駕駛員在接管過(guò)程中的行為主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)向或制動(dòng)，在人機(jī)交互研究工作中和對(duì)已有駕駛模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化中，可以通過(guò)穩(wěn)定性指標(biāo)（包括最大加速和減速度、橫擺角速度、橫向偏移量、轉(zhuǎn)向盤反向操作頻率和碰撞發(fā)生次數(shù)）對(duì)接管質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。

2.4 接管系統(tǒng)能力匹配

基于用例分析獲取的交互能力，在系統(tǒng)功能分析階段將進(jìn)行系統(tǒng)能力匹配。通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)的狀態(tài)圖模型，將交互能力分配給對(duì)應(yīng)的電氣部件。

本文設(shè)定在接管系統(tǒng)中聲音類交互能力通過(guò)蜂鳴器或揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)，視覺(jué)類交互能力通過(guò)顯示屏、投影設(shè)備以及燈光控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，觸感類交互能力通過(guò)安全帶、轉(zhuǎn)向盤、座椅坐墊或座椅靠背振動(dòng)實(shí)現(xiàn)。這種實(shí)現(xiàn)關(guān)系可通過(guò)矩陣方式配置（表1）接管能力，如坐墊振動(dòng)能力通過(guò)座椅控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。配置之后，座椅控制系統(tǒng)即獲得了具備驅(qū)動(dòng)坐墊振動(dòng)的能力。

表1 接管系統(tǒng)能力匹配

系統(tǒng)模型包含的黑盒時(shí)序圖和黑盒活動(dòng)圖信息，后期均可測(cè)試驗(yàn)證[56]。

2.5 接管系統(tǒng)模型

圖9 描述了坐墊振動(dòng)提醒的系統(tǒng)功能模型，從整體上描述了自動(dòng)駕駛接管系統(tǒng)向座椅控制系統(tǒng)申請(qǐng)坐墊振動(dòng)過(guò)程。接受到調(diào)用坐墊振動(dòng)能力的信號(hào)后，座椅控制系統(tǒng)按照預(yù)定的算法與參數(shù)，調(diào)配坐墊電機(jī)或氣泵執(zhí)行調(diào)節(jié)動(dòng)作，由此可向人類駕駛員傳遞振動(dòng)觸感。結(jié)合系統(tǒng)功能模型，再加入系統(tǒng)特殊特性需求，如坐墊振動(dòng)的強(qiáng)度、頻率和時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)，此時(shí)會(huì)受到包括座椅電機(jī)、坐墊厚度、噪聲以及電源模式多種因素影響。

圖9 接管系統(tǒng)模型

2.6 接管系統(tǒng)輔助功能

接管功能應(yīng)用場(chǎng)景突發(fā)幾率小，但是安全性要求高。為進(jìn)一步提高人機(jī)協(xié)作能力，推薦在接管系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中增加或應(yīng)用圖10 提供的3 種接管輔助功能，這些功能都與人類駕駛員角色相關(guān)，在開(kāi)展其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也可復(fù)用。

圖10 接管系統(tǒng)輔助需求

2.6.1 功能培訓(xùn)

人與機(jī)器自動(dòng)化協(xié)作的2 個(gè)基本組成部分是信任（Trust）和透明度（Transparency）[57]。Payre 等[58]研究結(jié)論表明，提供自動(dòng)駕駛培訓(xùn)可以有效提升人類駕駛員接管能力，尤其在緊急情況下。培訓(xùn)可以提高人類駕駛員對(duì)接管功能的熟悉程度，在培訓(xùn)過(guò)程中提供的接管體驗(yàn)和有效的接管請(qǐng)求也可以增進(jìn)被培訓(xùn)人對(duì)車輛的信任[59-61]。通過(guò)培訓(xùn)，可以校準(zhǔn)人類駕駛員與車輛的信任水平[21]，避免由于信任不足或過(guò)度信任導(dǎo)致的事故[57]。

2.6.2 提前預(yù)警

系統(tǒng)可根據(jù)大數(shù)據(jù)或?qū)Ш綌?shù)據(jù)，在進(jìn)入特殊路段即要求人類駕駛員提高注意力，可能面臨接管場(chǎng)景，即系統(tǒng)在接管請(qǐng)求之前就發(fā)出監(jiān)控提醒，要求人類駕駛員注意交通環(huán)境。試驗(yàn)表明，增加監(jiān)控請(qǐng)求能有效提升人類駕駛員的接管績(jī)效[62]。

2.6.3 人類駕駛員模型

如同人類駕駛員應(yīng)該熟悉所駕駛的車輛，車輛也應(yīng)該熟悉或自動(dòng)適應(yīng)人類駕駛員特性。可以考慮通過(guò)用戶賬號(hào)將人類駕駛員模型與車輛特性進(jìn)行匹配。根據(jù)一些研究結(jié)果可以初步將人類駕駛員模型元素包括為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[63]、經(jīng)驗(yàn)[64,65]、年齡[66,67]、駕駛行為[68-70]和認(rèn)知能力[64-66]。其中，駕駛特性的識(shí)別方法可以從人類駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)、駕駛員意圖識(shí)別與預(yù)測(cè)和駕駛風(fēng)格辨識(shí)3個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)[71]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于模型系統(tǒng)工程的人機(jī)接管功能架構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)SysML 模型方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能需求管理。

以人機(jī)接管功能適用場(chǎng)景作為用例，將人類駕駛員與車輛視為共同完成任務(wù)的主要元素，結(jié)合人類駕駛員在接管任務(wù)中的心理、感知和行為特性推導(dǎo)建立交互能力，詳細(xì)闡述建立活動(dòng)圖、順序圖的圖形邏輯目的和方法，并將導(dǎo)出的系統(tǒng)能力進(jìn)行分配，建立系統(tǒng)模型。

對(duì)于人機(jī)接管類似功能的復(fù)雜需求管理，基于模型管理需求方法為清晰傳遞產(chǎn)品能力、建立強(qiáng)大的技術(shù)信息關(guān)聯(lián)性或追溯性帶來(lái)很大的便利。

良好的功能設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)源于對(duì)體驗(yàn)的深入理解。接管是自動(dòng)駕駛功能中相對(duì)復(fù)雜的子功能，經(jīng)過(guò)模型推導(dǎo)后建立的交互邏輯和交互元素最終要在實(shí)車上體現(xiàn)，并經(jīng)過(guò)人類駕駛員（實(shí)車測(cè)試人員）體驗(yàn)與評(píng)價(jià)。對(duì)于實(shí)際接管效能的評(píng)價(jià)需要兼顧不同人群特性、不同駕齡或年齡段的人群對(duì)于接管體驗(yàn)不同，如何實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、高效接管已經(jīng)逐步成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。這需要車輛具備自主學(xué)習(xí)和快速適應(yīng)人類駕駛員的行為習(xí)慣與能力。另一方面，如何體驗(yàn)所有接管場(chǎng)景，對(duì)于接管場(chǎng)景的聚類分析也是人機(jī)接管研究人員需要深入研究的課題。