車內交通燈對駕駛行為特性的影響

關鍵詞：車內交通燈 駕駛行為特性視線遮擋環境 駕駛模擬器試驗中圖分類號： U467.1^?3 文獻標志碼：A DOI：10.20104/j.cnki.1674-6546.20250053

【Abstract】Inorder toanalyzethe effctsof In-Vehicle Traffic Lights （IVTL）ondriving behavioral characteristics，a driverdatacollctionsystemisdesigned inanenvironment withobstructedline-of-sight.Fiftyhumansubjects betweenthe agesof 2Oand4Oarerecruited forthedrivingsimulator test，andvehicleanddriverstatusdataarecollcted.After preprocessing，statistical methodsareused toanalyze thecorrelation indicators.Theresultsshowthatcompared with driving withoutIVTL，theaveragespedof vehiclesequippedwith IVTLincreasesignificantly.Intheconditionof trafic lights obstructedbylarge vehicle，thedistancebetweenfolowing vehicleandleadingvehicleisreduced，which potentially mproves road traffc effciency，and IVTLcanalleviate the stress ofdrivers brought bythe abnormalroadenvironments.

Keywords：In-Vehicle Traffic Lights （IVTL），Driving characteristics，Obstructed line-ofsight，Drivingsimulator experiment

【引用格式】謝帥，張廣松，王忠.車內交通燈對駕駛行為特性的影響[J].汽車工程師，2025（8）：37-41+48. XIEQS，ZHANG G S，WANG Z.The Influenceof In-Vehicle Traffic Lights on Driving Characteristics[J]. Automotive Engineer，2025（8）：37-41+48.

1前言

車內交通燈（In-VehicleTrafficLights，IVTL）技術可在車內同步顯示路口交通信號燈的顏色和倒計時信息，以解決前方大型車輛遮擋交通信號燈等情況下的信息獲取問題l。Olaverri-Monreal等最早提出了IVTL的概念，并評估了用戶界面系統的安全性和用戶接受度，結果表明，使用IVTL時的駕駛性能與使用傳統設備時的駕駛性能并無顯著差異。陳鼎等采用IVTL解決了視線遮擋導致無法觀測前方交通信號燈的實際問題3。Yang等基于IVTL顯示開展了系列研究：針對無交通信號燈交叉路口，利用通信技術建立IVTL系統，并將無交通信號燈交叉路口分為優先控制和非優先控制交叉路口，利用交通沖突衡量指標評價了IVTL系統的效果，結果表明，該系統能夠輔助駕駛員穿越無交通信號燈交叉路口；為了解應用IVTL是否會導致駕駛員分心，提出了“當前\"和“預測\"的IVTL顯示模式，同時考慮普通顯示和抬頭顯示兩種方案，結果表明，拾頭顯示方案的“預測”模式可更有效地提示駕駛員進行生態駕駛5；針對無交通信號燈交叉路口場景，提出了兩種類型的IVTL系統，分別對應雙向停止控制和全方位停止控制的交叉路口，同時以IVTL顯示和聽覺警告的4種組合方式輔助駕駛員，試驗結果表明，使用IVTL可以獲得更長的后侵入時間和更短的最大制動行程，且IVTL抬頭顯示可以避免視覺分心；針對配備IVTL車輛和未配備IVTL車輛的混行駕駛環境進行駕駛模擬試驗，結果表明，前車配備IVTL，而跟隨車未配備IVTL時，跟隨車的最大減速度仍明顯降低。

目前，IVTL的相關研究仍不充分，研究場景較為單一，交通信號燈視線受阻的環境尚未涉及，為此，本文開展車內交通燈對駕駛行為特性的影響研究。首先，基于駕駛模擬器搭建晴天、霧天、樹葉遮擋交通信號燈、載貨汽車遮擋交通信號燈4種道路環境，在仿真軟件中建立車內交通燈的交互界面，公開招募受試者在駕駛模擬器上進行試驗，采集車輛狀態數據和駕駛員狀態數據，分析車內交通燈對駕駛行為特性的影響。

2 仿真設置

相較于實際交通環境下的車路協同系統，仿真軟件更容易實現車輛與道路基礎設施的通信，為駕駛模擬器試驗奠定了基礎，仿真軟件中車端、路端以及外部設備中駕駛員端的設置情況如圖1所示。

圖1仿真軟件中車端、路端和駕駛員端設置情況

2.1 車端設置

實際交通環境下，車端除安裝高精度車載傳感器采集路況信息外，還通過車載單元（ 0n BoardUnit，OBU）獲取路側單元（RoadSideUnit，RSU）發送的道路信息，并在車載系統中顯示，從而實現環境感知、遠距離預警等功能。PreScan中車端需要安裝交通參與者信息接收器（AirInformationReceiver，AIR）來檢測與前車的距離，并安裝射頻車載單元（Radio-FrequencyOnBoardUnit，RFOBU）進行短距離通信，其屬于專用短程通信（DedicatedShortRangeCommunications，DSRC）技術的一種。同時，仿真車輛模型采用2維車輛動力學模型，并選擇羅技G29控制器，設置自動擋。最后在MATLAB/Simulink軟件中將車輛的位置信息（橫、縱坐標）車速、油門踏板開度、轉向盤轉角、制動踏板壓力輸出

到MATLAB工作空間。

車端還需要設置車內交通燈的人機交互界面，應實時顯示當前車速，并在信號相位和配時（SignalPhaseandTiming，SPAT）信息接收范圍內實時顯示交通信號燈顏色和倒計時。車內交通燈的人機交互界面由MATLAB中的應用模塊實現，并在MATLAB/Simulink中進行交通信號燈的相位和配時配置。

2.2 路端設置

實際交通環境下，車路協同系統中的路端除對檢測設備進行智能網聯化升級外，還要接入RSU，及時向OBU發布預警、SPAT、車流狀態等信息。在仿真軟件中，將模擬道路環境的設置歸類到路端設置，模擬道路環境中的外界因素包括自然環境、靜態物遮擋交通信號燈以及動態物遮擋交通信號燈，內部條件為是否使用IVTL系統，由此將模擬道路環境劃分為3個類別，如表1所示，并搭建相應環境。路端還需設置交通信號燈，配時情況為紅燈33s、綠燈 30s， 黃燈3s，只考慮直行相位。交通信號燈配備能夠與RFOBU通信的射頻信標（Radio-FrequencyBeacon，RFBeacon），在RFBeacon射頻范圍內進行無阻礙傳輸。駕駛模擬器試驗環境如圖2所示，包括晴天環境下車內交通燈、霧天環境下車內交通燈、樹葉遮擋環境下車內交通燈和載貨汽車遮擋環境下車內交通燈，其中霧天能見度為 100m ，非動態變化。

表1模擬道路環境

（b）霧天環境

（d）載貨汽車遮擋環境

圖2駕駛模擬器試驗環境

2.3駕駛員端設置

2.3.1生理、心理數據采集系統

駕駛員生理、心理指標能夠直接或間接反映駕駛行為特性，如圖3所示，生理、心理數據采集系統包括卡片式計算機和腦電傳感器。其中，卡片式計算機RaspberryPi 3b+ 作為控制終端，腦電傳感器用于采集駕駛員專注度、放松度、腦波，采樣頻率為20Hz ，與仿真軟件的車輛狀態輸出頻率一致，從而確保數據同步。

圖3駕駛員生理、心理數據采集系統

2.3.2駕駛模擬器試驗

共招募50名受試者，均不是專業駕駛員，年齡范圍為20～40歲，平均年齡為30.2歲。所有受試者均有有效的機動車駕駛證，平均取得時間為5.9年。所有受試者的雙眼視力（包括矯正視力）均在1.0以上，在試驗中身體狀況良好，精力充沛。另外，本文試驗采用 3×2 完全因子設計，考察道路環境特征（自然環境、靜態物遮擋交通信號燈以及動態物遮擋交通信號燈）和車輛類型（未配備IVTL、配備IVTL）對駕駛行為的影響。每種條件下重復8次試驗，受試者隨機分配至不同條件組合，每次試驗時長控制在45min 以內，試驗過程如圖4所示。

圖4駕駛模擬器試驗過程

3數據采集分析

車輛狀態數據可間接表征駕駛員對自然環境、道路情況、輔助駕駛系統應用的反應，駕駛模擬器試驗輸出的車輛狀態數據包括車速、車輛位置、行車距離、轉向盤轉角、油門踏板開度以及制動踏板壓力，由于不考慮換道情況，車輛狀態數據不必考慮轉向盤轉角這一因素。

駕駛員生理、心理指標可直接體現駕駛員對自然環境、道路環境、輔助駕駛系統應用的反應，腦電傳感器能夠采集專注度、放松度 ?_?α 波 ??β 波 ?γ 波 ?^δ 波、θ波。根據Schwab頻率分類，可將常見腦電波按頻率由低到高分為8波 ?^θ 波 Ω_?α 波和 β 波，不同的腦電波能夠反映不同的大腦活動狀態和人的精神狀態，其中 β 波與駕駛行為顯著相關，加速度、速度和車頭間距是與大腦感知活動最相關的駕駛行為數據

特征量方差分析是從指標對影響的貢獻度出發，判斷兩個及以上可控因素對結果影響大小的一種顯著性檢驗方法]。駕駛模擬器試驗一般是多名受試者按照順序依次進行相同試驗，或在相同試驗場景下多次測試，符合方差分析的研究條件，因而本文對處理后的數據進行單因素方差分析。最終，將監測統計量的 p 值與顯著性水平 δ=0.05 進行比較，當 p?δ 時，控制變量具有顯著影響，反之則無[]。根據以上研究，對車速、車輛間距和 β 波指標進行單因素方差分析，研究自然環境（晴天、霧天），以及路口交通信號燈被靜態物（樹葉）動態物（載貨汽車）遮擋條件下車內交通燈對駕駛行為的影響。

如圖5所示為不同試驗環境下的車速分布情況。相較于未配備車內交通燈，在晴天環境、霧天環境、樹葉遮擋環境下，配備車內交通燈可以顯著提高平均車速 （p 分別為 0.000，0.000，0.014 ，均小于0.05），這說明在以上環境條件下，車內交通燈可以輔助駕駛員快速通過交叉路口。

圖5不同試驗環境下車速分布情況

如圖6所示為交通信號燈被載貨汽車遮擋環境的車輛間距分布情況，相較于未配備車內交通燈，配備車內交通燈可縮短車輛間距 。這說明在動態物遮擋環境下，車內交通燈能夠消除不利因素，只要前車按照交通規則正常行駛，跟隨車的機動性即有所提高，道路通行效率也相應提高。

圖6交通信號燈被載貨汽車遮擋環境下的車輛間距分布情況

不同試驗環境下腦波數據中低頻 β 波 （lowβ 0和高頻 β 波 （highβ） 分布情況如圖7所示，相較于未配備車內交通燈，配備車內交通燈時：晴天環境下，低頻 β 波和高頻 β 波均有所提高 （p 分別為0.000，0.000 ，均小于0.05）；霧天環境下，低頻 β 波有所提高 p=0.000lt;0.05 ）;交通信號燈被樹葉遮擋環境下，低頻 β 波有所提高 （p=0.000lt;0.05 ）；交通信號燈被載貨汽車遮擋環境下，低頻 β 波和高頻 β 波均有所提高（ p 分別為 0.000，0.000 ，均小于0.05）。這說明在以上環境條件下，配備車內交通燈后，駕駛員更加專注地駕駛車輛，提高了行車的安全性。

圖7不同試驗環境下β波分布情況

綜上，配備車內交通燈可以提高行車機動性，消除視線遮擋帶來的不利影響，同時使駕駛員更加專注地駕駛車輛。

4結束語

本文圍繞車內交通燈對駕駛行為特性的影響進行研究，根據實際交通環境進行車端、路端設置，實現了SPAT信息在車載系統中的顯示，并搭建交通信號燈被遮擋的常見環境，包括霧天環境、樹葉遮擋以及載貨汽車遮擋等，駕駛模擬器試驗結果表明，配備車內交通燈后，遮擋環境下駕駛員的專注度得到提高，從而保障了行車機動性、安全性。

本文主要對交通信號燈遮擋環境下配備車內交通燈對駕駛行為特性的影響進行了研究，實際交通環境下路況更加復雜，存在配備與未配備車內交通燈車輛混行的情況，是進一步研究的方向。

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