基于駕駛模擬實驗的層級式駕駛行為安全模型研究綜述

1、基于駕駛模擬實驗的層級式駕駛行為安全模型研究綜述閆學東李曉夢北京交通大學城市交通復雜系統(tǒng)理論與技術(shù)教育部重點實驗室北京）摘 要 針對駕駛行為的研究 從理論層面總結(jié)了國內(nèi)外駕駛行為模型的演變發(fā)展過程 進而從應用層面上介紹了各種干預因素分車載設(shè)備因素和非車載設(shè)備因素類對駕駛行為的影響。由于目前 利用駕駛模擬器研究干預因素對駕駛行為的影響存在行為分析單一化 缺乏系統(tǒng)性的缺 陷據(jù)此提出 了基于駕駛模擬實驗的層級式駕駛行為安全模型根據(jù)駕駛環(huán)境的復雜度及駕駛員涉及交通事故的可能性將駕駛行為按低 中高個風險層級分類 分別為基本車輛控制行為 在復雜交通環(huán)境中的動態(tài)決策行為以及在緊急交通狀況中的避禍行為。利用該

2、模型可以對干預因素影響下的駕駛行為安全 進行系統(tǒng)全面的分析和評估。關(guān)鍵詞 交通安全駕駛行為模型駕駛模擬器干預因素風險等級中圖分類號文獻標志碼 ，） ， 一系列的交通擁堵交通環(huán)境和交通安全等問題，交通事故發(fā)生率及死亡率一直保持在較高 水 平年 我國共發(fā)生道 路交通事故近 萬起造成約萬人死亡萬人受傷直接財產(chǎn) 損失達億元全國萬車死亡率為從傷亡 人數(shù)和萬車死亡率來看交通安全管理形勢依 然引言隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展我國的機動車數(shù)量和駕駛?cè)藬?shù)量迅猛增加機動車輛家庭化駕駛 人非職業(yè)化己是必然趨勢。與此同時我國道路 交通環(huán)境復雜交通基礎(chǔ)設(shè)施狀況不盡人意造成收稿日期修回日期博士點基金項目批 準號教育部新世紀優(yōu)秀

3、人才計劃研究項目批準號資助第一作者通訊作者簡介閆學東博 士教授研究方向交通安全與交通規(guī)劃 圖 駕駛模擬器在駕駛研究領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢 圖 駕駛模擬器在駕駛研究領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢 交通信息與安全年 期 第卷 總期為模型中。國內(nèi)盡管在該領(lǐng)域的研究起步較晚但近年也取得了一定的進展駕駛行為模型的 研究從單純的工程學角度逐漸開始結(jié)合認知學 、 心理學這些模型主要集中在車輛 跟馳模型車 輛換道模型以及用于車輛輔助駕駛系統(tǒng)的認知 行為建模。很嚴峻。由于多數(shù)交通事故與駕駛?cè)巳藶橐蛩刂苯酉嚓P(guān)所以關(guān)于駕駛行為的研究一直是交通安全領(lǐng)域的個熱點。早期開展的駕駛行為實驗研究多是在真實道路環(huán)境中進行的而這些實驗不僅需要投入大

4、量的人力和物力資源并且考慮到實驗人員的人身安全無法進行一些風險性較高的駕駛行為測試 ， 例如緊急避撞行為。然而伴隨著高度仿真駕駛模擬器的出現(xiàn)研究者能夠召集實驗人員在安全 、 可控高仿真的模擬環(huán)境中進行復雜的動態(tài)駕駛實驗采集實驗數(shù)據(jù)分析駕駛?cè)嗽谔囟{駛環(huán)境下的駕駛行為表現(xiàn)評估各種駕駛干預因素的安全效果而且不會對駕駛?cè)嗽斐蓚ΑＲ虼私?些年來高度仿真駕駛模擬器已被廣泛應用于交通工程學駕駛行為心理學領(lǐng)域并在人機工程、 環(huán)境工程等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應用前景。 數(shù)據(jù)庫的 文獻統(tǒng)計結(jié)果顯示駕駛模擬器相關(guān)研究在駕駛領(lǐng)域中的文獻比例從年至年的持續(xù)上升到見圖。駕駛行為干預因素由駕駛行為模型的發(fā)展和演變可以 看出由

5、 早期的機械式建模到后來引入駕駛?cè)艘蛩?國內(nèi) 外學者在理論層面上對駕駛行 為模型的研究已經(jīng)越來越深入。然而相比之下應用層面上的駕駛行為研究則更多的集中于分析 干預因素對駕駛行為和駕駛安全所產(chǎn)生的影響 。尤其是伴隨著高度 仿真駕駛模擬器技術(shù)的改進和完善利用駕駛模 擬實驗研究駕駛行為極大地推動了該領(lǐng)域的發(fā) 展。駕駛模擬器可以利用計算 機編程實現(xiàn)場景輸入進而加入干預因素然后檢測駕駛?cè)说鸟{駛操 作行為研究不同情況下駕駛?cè)说鸟{駛操作變 化 和注意力變化。圖給出了造成駕駛?cè)俗⒁饬Ψ?散的主要干擾因素。圖干預因素分類 車載設(shè)備干預因素對于車載設(shè)備干預因素往往將其與駕駛模駕駛行為模型研究國內(nèi)外針對駕駛行為的研

6、究一般都是基于駕駛行為模型展開。有關(guān)駕駛行為模型的研究最早可追溯到世紀年代提出的車輛行駛區(qū)域分析理論而當時研究者們提出的行為模型分析 多為機械式很少考慮駕駛?cè)说膫€人主觀因素。 從年代開始駕駛?cè)艘蛩乩缜榫w狀態(tài)冒 險性行為等逐漸得到關(guān)注并被納入到駕駛行為模型考量中。到了年代層次控制結(jié)構(gòu)的提出極大地推動了駕駛行為領(lǐng)域的發(fā)展有研究者將 駕駛行為分為個層次任務(wù)層規(guī)劃層和操作 層。隨著認知科學的興起和發(fā)展研究者開始 將認知心理應用于駕駛行為分析將低層次車輛 基本控制高層次認知處理和決策整合到駕駛行擬器結(jié)合用來進行智能交通安全技術(shù)的開發(fā)和研究目前利用駕駛模擬平臺評估新技術(shù)對駕駛 行 為安全的影響已經(jīng)成為國

7、際研究熱點。歐洲的智能安全技術(shù)開發(fā)項目利用駕駛模擬器對其各項技術(shù)功能進行駕駛行為模擬實驗研究評估各項安全技術(shù)的功能及效果并根 據(jù)實驗結(jié)果提出對車載傳感器 的技術(shù)要求。在利 用駕駛模擬器研究智能交叉口 安全技術(shù)對駕駛?cè)诵袨橛绊懷芯糠矫鎸嶒灲Y(jié)果表明向駕駛?cè)颂峁_突車流時距信息對改善老齡 駕駛?cè)撕湍贻p駕駛?cè)诵袨樾Ч黠@車內(nèi)紅燈預警信號可以增加駕駛?cè)嗽邳S燈轉(zhuǎn)換時的停車頻率降低轉(zhuǎn)換前的 駕駛速度聲音預警信息有助于減少反應時間基于駕駛模擬實驗的層級式駕駛行為安全模型研究綜述閆學東 李曉夢和交通事故率其效果與駕駛?cè)说拿恐荞{駛頻率相關(guān)基于駕駛模擬實驗的層級式駕駛行為安全模型研究綜述閆學東 李曉夢和交通事故率其

8、效果與駕駛?cè)说拿恐荞{駛頻率相關(guān)。在利用駕駛模擬器研究車內(nèi)導航技術(shù)干預效果方面發(fā)現(xiàn)導航信息也可能成為駕駛?cè)蝿?wù)中的超負荷信息例如顯示屏與駕駛?cè)艘暰€距離設(shè)置不當時會對駕駛行為產(chǎn)生負面影響。 此外在防撞預警技術(shù)實驗研究方面發(fā)現(xiàn)預警信 息使得駕駛?cè)藢η胺杰囕v緊急制動的反應變快， 從而降低了追尾事故的可能性彎 道預警技術(shù) 可有效降低偏離車道事故和換道側(cè)撞事故發(fā)生頻率。擾因素對駕駛?cè)笋{駛行為的影 響。在低風險等級中駕駛?cè)嗽谥本€路段的行駛速度會隨著手機 對 話難度的增加而降低。在中風險等級中通過交 叉口時駕駛?cè)艘驗槭褂檬謾C通話導致認知能力 降低因而遭遇黃燈時會作出錯誤的走停決策在 跟車階段駕駛?cè)耸褂檬謾C通話時

9、完成跟車行 為 的比例降低并且加速和減速反應時間增大對前 車速度的敏感性降低車頭間距增大。在高風險 等級中駕駛?cè)说谋茏卜磻獣r間隨手機通話難 度 的增大而增大手機通話使得駕駛?cè)俗肺彩鹿?率 明顯增加。非車載設(shè)備干預因素對于非車載設(shè)備干預因素目前國內(nèi)外研究 者已利用駕駛模擬實驗進行了駕駛?cè)四挲g性別飲 酒駕 駛疲勞藥 物疾 病等駕駛?cè)艘蛩貙︸{駛行為的影響分析了廣告標志手機天氣等 非駕駛?cè)艘蛩貙︸{駛行為的影響并試圖將駕駛模擬器開發(fā)成為評判駕駛?cè)说牟僮骷寄芎驮u估道路安全性的應用性實驗工具。圖基于駕駛模擬實驗的層級式駕駛行為安全模型 基于駕駛模擬實驗的層級式駕駛行為安全模型盡管以往的駕駛行為模型和駕駛模擬

10、實驗研究在基礎(chǔ)理論層面和應用層面取得了大量的成果然而由于缺乏理論模型與實驗應用之間的整合這些基于駕駛模擬實驗的駕駛行為安全研究多側(cè)重于分析某種干預因素對某項或幾項駕駛行為指標的單一影響難以在干預因素對駕駛?cè)说氖鹿曙L險的影響方面得出系統(tǒng)性結(jié)論。因此有 必要建立系統(tǒng)的駕駛行為分析模型通過設(shè)計高 仿真度駕駛模擬實驗更深入全面地研究干預因素與駕駛行為安全的關(guān)系為交通安全管理科學提供以科學實驗為基礎(chǔ)的決策依據(jù)。據(jù)此筆者提出基于駕駛模擬實驗的層級式 駕駛行為安全模型用以研究干預因素對駕駛行為安全的系統(tǒng)性影響見圖。該模型根據(jù)駕駛環(huán)境的復雜度及駕駛?cè)丝赡苌婕敖煌ㄊ鹿实目赡苄詫Ⅰ{駛行為按低中高個風險層級分類分

11、別為基本車輛控制行為在復雜交通環(huán)境中的動態(tài)決策行為以及在緊急交通狀況中的避撞行為。 當某駕駛干預因素介入駕駛過程時各個風險等 級的駕駛行為均可能發(fā)生變化進而對駕駛?cè)说慕煌ㄊ鹿曙L險產(chǎn)生不同程度的影響。利用該模型隋毅研究了手機通話這一干低風險駕駛行為低風險層級對應某種干預因素下駕駛?cè)嗽诤唵蔚缆泛徒煌ōh(huán)境中的駕駛行 為。這種道路環(huán)境 一般由直路上坡下坡直角彎道及交叉口等簡單道路線形元素組成不需要加入過多的周邊車輛對駕駛?cè)诉M行干擾。干預因素可以是不同天氣 狀況不同視距條件不同駕駛?cè)藸顟B(tài)如手機通 話疲勞飲酒等等。低風險層級主要評估駕駛?cè)说幕拒囕v控制能力如車速控制制動轉(zhuǎn)向、 車道保持等基本的車輛控制變量

12、見表。表基本車輛控制的變量 車輛速度車輛加減速度 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向車道控制瞬時速度最大速度 最小速度 平均速度 速度方差瞬時加減速度 瞬時轉(zhuǎn)向角度最大加減速度 最大轉(zhuǎn)向角度 最小加減速度 最小轉(zhuǎn)向角度 平均加減速度 平均轉(zhuǎn)向角度 加減速度方差 角速度方差車輛瞬時位置車輛最大偏移 車輛最小偏移 車輛平均偏移 車輛越道頻率 車輛換道頻率速度趨勢曲線 加減速頻率 轉(zhuǎn)向頻率基于該層級式駕駛行為安全模型趙佳等人研究了不同霧天等級無 霧輕霧濃霧下駕駛 人在直路上下坡道及直角彎道上的駕駛行為屬 于低風險層級。研究發(fā)現(xiàn)霧的濃度增大使得駕駛?cè)嗽谏掀侣范蔚能囁亠@著降 低在彎道行駛時， 由于受霧天視距的限制駕駛?cè)巳菀滓暂^

13、高車 速 進入彎道并且車輛的橫向偏移隨之增大造成了交通信息與安全年 期 第卷 總期較高的彎道駛出比例。人都采取了減速避撞措施在與行人相撞正面交通信息與安全年 期 第卷 總期較高的彎道駛出比例。人都采取了減速避撞措施在與行人相撞正面碰撞和側(cè)面擠撞中有超過的駕駛?cè)瞬扇∞D(zhuǎn)向措施在直角碰撞和側(cè)面擠撞中還有一定比例 的 駕駛?cè)瞬扇〖铀俦茏?。中風險駕駛行為中風險層級評估駕駛?cè)嗽隈{駛過程中的動態(tài)決策制定行為。該層級對應著一定程度的風險場景如在高密度高速度車流中跟車高密度車流 下超車陌生路網(wǎng)中路線選擇山區(qū)復雜路段中行駛信號燈變黃紅時駕駛?cè)俗咄Ｐ袨椴涣家暰?條件下行駛等場景。該類場景下駕駛?cè)诵枰粩嗟匾揽縿討B(tài)的

14、交通環(huán)境和道路狀況實時的做出 認知判斷決策反應進而執(zhí)行動作。中風險層級的風險程度介于低風險和高風險之間包含的場景種類較多目前該層級的研究多是加入某種干預因素后考察其對中風險駕駛行為的影響。以跟車行為為例等運 用 駕駛模擬器研究能見度對跟車行為的影響通過 模擬霧天環(huán)境并控制可見度研究不同車速下的跟車行為等研究了駕駛經(jīng)驗對跟車行為的影響在駕駛模擬實驗中新手司機比熟練司機有著更長的反應時間和感知時間等研究了年齡與跟車行為的關(guān)系在駕駛模擬實驗中老年人在認知上比年輕人慢在跟車時保 持更遠的跟車距離。表事故避撞行為分布 避撞行為制動 加速 轉(zhuǎn)向 制動繞行 加速繞行 無避撞 合計發(fā)生頻次 分布率 表不同碰撞

15、類型駕駛?cè)吮茏泊胧┓植急壤?駕駛?cè)瞬扇〔煌茏泊胧┑谋扰鲎差愋蜏p速加速轉(zhuǎn)向未采取措施與行人相撞追尾碰撞 正面碰撞 直角碰撞 側(cè)面擠撞結(jié)束語利用駕駛模擬器研究者們已經(jīng)在駕駛行為 領(lǐng)域取得了許多重要成果研究范圍涉及到影響駕駛行為的各種干預因素。然而過去的研究成 果多側(cè)重于分析駕駛?cè)四硢我?行為或某類行為的變化如速度控制反應時間等對于干預因素對 駕駛行為造成的影響缺乏整體性分析。事實上， 當某干涉條件介入人車路駕駛系統(tǒng)時例如新 型安全技術(shù)新型交通設(shè)施行駛期間使用手機、 藥物影響酒精影響等等可能會在不同駕駛場景中對多種駕駛行為產(chǎn)生不同 程度的積極或消極的影響。因此筆者提出了基于駕駛模擬實驗 的 層級式

16、駕駛行為安全模 型將駕駛行為分為低、 中高個風險等級。在今后的駕駛行為研究中， 當考慮某項干預因素對駕駛行為的影響時 可以 參照該模型設(shè)計低中高種風險等級的駕駛模 擬場景以便能夠?qū)υ撘蛩赜绊懴碌鸟{駛行為 進 行全面系統(tǒng)的分析。高風險駕駛行為高風險層級中駕駛?cè)诵枰獙o急交通狀況做出響應這些緊急狀況主要是指一些潛在的碰撞風險如追尾側(cè)撞擠撞正撞等。駕駛?cè)嗽诮煌?事故發(fā)生前需要不斷監(jiān)視周圍車輛及環(huán)境的狀態(tài)并在有限的時間內(nèi)調(diào)整速度和車輛位置以避免事故的發(fā)生。這一層級包含的風險最大復雜 性也最高它可以評估駕駛?cè)说木C合認知能力以及生理心理和駕駛行為上的協(xié)調(diào)性。以往的高風險駕駛行為研究表明駕駛?cè)嗽谟龅骄o急狀況

17、需要避撞時通常會采取種方式 對車輛進行控制通過轉(zhuǎn)向盤使車輛橫向運動從而達到避撞目的通過油門或剎車控制車輛的縱向運動避免與障礙物相撞轉(zhuǎn)向與油門剎 車的同時配合使用。根據(jù)以上種方式可將駕駛?cè)说谋茏残袨榫唧w分為制動加速轉(zhuǎn)向制動繞 行和加速繞行等幾類。根據(jù)起檔案事故的研究駕駛?cè)苏厥虑暗谋茏残袨榉N類分布見表。 李曉夢等人利用駕駛模擬器研究了駕駛?cè)嗽诓煌鲎彩鹿手械鸟{駛行為表現(xiàn)研究結(jié)果顯示針對不同的碰撞類型駕駛?cè)藘A向于采取的避撞行為不同見表。在種碰撞類型中大部分駕駛參考文獻茅順仙曾維鑫我國交通事故頻發(fā)的原因和對策城市車輛 基于駕駛模擬實驗的層級式駕駛行為安全模型研究綜述閆學東 李曉夢 基于駕駛模擬實驗的層級式駕駛行為安全模型研究綜述閆學東 李曉夢 王晶劉小明李德慧駕駛模擬器現(xiàn)狀及應用研究交通標準化 ，？ 王彬基于駕駛模擬實驗的跟車行為及其模型研究北京北京交通大學 鄒智軍楊東援微觀交通仿真中的車道變換模型中國公路學報 ， ： ， ， 劉雁飛吳朝暉駕駛 認知行為建模浙江大學學報工學版 彭 挺張誠裴玉龍酒精攝入