基于驾驶模拟实验的层级式驾驶行为安全模型研究综述

1、基于驾驶模拟实验的层级式驾驶行为安全模型研究综述闫学东李晓梦北京交通大学城市交通复杂系统理论与技术教育部重点实验室北京）摘 要 针对驾驶行为的研究 从理论层面总结了国内外驾驶行为模型的演变发展过程 进而从应用层面上介绍了各种干预因素分车载设备因素和非车载设备因素类对驾驶行为的影响。由于目前 利用驾驶模拟器研究干预因素对驾驶行为的影响存在行为分析单一化 缺乏系统性的缺 陷据此提出 了基于驾驶模拟实验的层级式驾驶行为安全模型根据驾驶环境的复杂度及驾驶员涉及交通事故的可能性将驾驶行为按低 中高个风险层级分类 分别为基本车辆控制行为 在复杂交通环境中的动态决策行为以及在紧急交通状况中的避祸行为。利用该

2、模型可以对干预因素影响下的驾驶行为安全 进行系统全面的分析和评估。关键词 交通安全驾驶行为模型驾驶模拟器干预因素风险等级中图分类号文献标志码 ，） ， 一系列的交通拥堵交通环境和交通安全等问题，交通事故发生率及死亡率一直保持在较高 水 平年 我国共发生道 路交通事故近 万起造成约万人死亡万人受伤直接财产 损失达亿元全国万车死亡率为从伤亡 人数和万车死亡率来看交通安全管理形势依 然引言随着社会经济的快速发展我国的机动车数量和驾驶人数量迅猛增加机动车辆家庭化驾驶 人非职业化己是必然趋势。与此同时我国道路 交通环境复杂交通基础设施状况不尽人意造成收稿日期修回日期博士点基金项目批 准号教育部新世纪优秀

3、人才计划研究项目批准号资助第一作者通讯作者简介闫学东博 士教授研究方向交通安全与交通规划 图 驾驶模拟器在驾驶研究领域中的发展趋势 图 驾驶模拟器在驾驶研究领域中的发展趋势 交通信息与安全年 期 第卷 总期为模型中。国内尽管在该领域的研究起步较晚但近年也取得了一定的进展驾驶行为模型的 研究从单纯的工程学角度逐渐开始结合认知学 、 心理学这些模型主要集中在车辆 跟驰模型车 辆换道模型以及用于车辆辅助驾驶系统的认知 行为建模。很严峻。由于多数交通事故与驾驶人人为因素直接相关所以关于驾驶行为的研究一直是交通安全领域的个热点。早期开展的驾驶行为实验研究多是在真实道路环境中进行的而这些实验不仅需要投入大

4、量的人力和物力资源并且考虑到实验人员的人身安全无法进行一些风险性较高的驾驶行为测试 ， 例如紧急避撞行为。然而伴随着高度仿真驾驶模拟器的出现研究者能够召集实验人员在安全 、 可控高仿真的模拟环境中进行复杂的动态驾驶实验采集实验数据分析驾驶人在特定驾驶环境下的驾驶行为表现评估各种驾驶干预因素的安全效果而且不会对驾驶人造成伤害。因此近 些年来高度仿真驾驶模拟器已被广泛应用于交通工程学驾驶行为心理学领域并在人机工程、 环境工程等领域展现了良好的应用前景。 数据库的 文献统计结果显示驾驶模拟器相关研究在驾驶领域中的文献比例从年至年的持续上升到见图。驾驶行为干预因素由驾驶行为模型的发展和演变可以 看出由

5、 早期的机械式建模到后来引入驾驶人因素 国内 外学者在理论层面上对驾驶行 为模型的研究已经越来越深入。然而相比之下应用层面上的驾驶行为研究则更多的集中于分析 干预因素对驾驶行为和驾驶安全所产生的影响 。尤其是伴随着高度 仿真驾驶模拟器技术的改进和完善利用驾驶模 拟实验研究驾驶行为极大地推动了该领域的发 展。驾驶模拟器可以利用计算 机编程实现场景输入进而加入干预因素然后检测驾驶人的驾驶操 作行为研究不同情况下驾驶人的驾驶操作变 化 和注意力变化。图给出了造成驾驶人注意力分 散的主要干扰因素。图干预因素分类 车载设备干预因素对于车载设备干预因素往往将其与驾驶模驾驶行为模型研究国内外针对驾驶行为的研

6、究一般都是基于驾驶行为模型展开。有关驾驶行为模型的研究最早可追溯到世纪年代提出的车辆行驶区域分析理论而当时研究者们提出的行为模型分析 多为机械式很少考虑驾驶人的个人主观因素。 从年代开始驾驶人因素例如情绪状态冒 险性行为等逐渐得到关注并被纳入到驾驶行为模型考量中。到了年代层次控制结构的提出极大地推动了驾驶行为领域的发展有研究者将 驾驶行为分为个层次任务层规划层和操作 层。随着认知科学的兴起和发展研究者开始 将认知心理应用于驾驶行为分析将低层次车辆 基本控制高层次认知处理和决策整合到驾驶行拟器结合用来进行智能交通安全技术的开发和研究目前利用驾驶模拟平台评估新技术对驾驶 行 为安全的影响已经成为国

7、际研究热点。欧洲的智能安全技术开发项目利用驾驶模拟器对其各项技术功能进行驾驶行为模拟实验研究评估各项安全技术的功能及效果并根 据实验结果提出对车载传感器 的技术要求。在利 用驾驶模拟器研究智能交叉口 安全技术对驾驶人行为影响研究方面实验结果表明向驾驶人提供冲突车流时距信息对改善老龄 驾驶人和年轻驾驶人行为效果明显车内红灯预警信号可以增加驾驶人在黄灯转换时的停车频率降低转换前的 驾驶速度声音预警信息有助于减少反应时间基于驾驶模拟实验的层级式驾驶行为安全模型研究综述闫学东 李晓梦和交通事故率其效果与驾驶人的每周驾驶频率相关基于驾驶模拟实验的层级式驾驶行为安全模型研究综述闫学东 李晓梦和交通事故率其

8、效果与驾驶人的每周驾驶频率相关。在利用驾驶模拟器研究车内导航技术干预效果方面发现导航信息也可能成为驾驶任务中的超负荷信息例如显示屏与驾驶人视线距离设置不当时会对驾驶行为产生负面影响。 此外在防撞预警技术实验研究方面发现预警信 息使得驾驶人对前方车辆紧急制动的反应变快， 从而降低了追尾事故的可能性弯 道预警技术 可有效降低偏离车道事故和换道侧撞事故发生频率。扰因素对驾驶人驾驶行为的影 响。在低风险等级中驾驶人在直线路段的行驶速度会随着手机 对 话难度的增加而降低。在中风险等级中通过交 叉口时驾驶人因为使用手机通话导致认知能力 降低因而遭遇黄灯时会作出错误的走停决策在 跟车阶段驾驶人使用手机通话时

9、完成跟车行 为 的比例降低并且加速和减速反应时间增大对前 车速度的敏感性降低车头间距增大。在高风险 等级中驾驶人的避撞反应时间随手机通话难 度 的增大而增大手机通话使得驾驶人追尾事故 率 明显增加。非车载设备干预因素对于非车载设备干预因素目前国内外研究 者已利用驾驶模拟实验进行了驾驶人年龄性别饮 酒驾 驶疲劳药 物疾 病等驾驶人因素对驾驶行为的影响分析了广告标志手机天气等 非驾驶人因素对驾驶行为的影响并试图将驾驶模拟器开发成为评判驾驶人的操作技能和评估道路安全性的应用性实验工具。图基于驾驶模拟实验的层级式驾驶行为安全模型 基于驾驶模拟实验的层级式驾驶行为安全模型尽管以往的驾驶行为模型和驾驶模拟

10、实验研究在基础理论层面和应用层面取得了大量的成果然而由于缺乏理论模型与实验应用之间的整合这些基于驾驶模拟实验的驾驶行为安全研究多侧重于分析某种干预因素对某项或几项驾驶行为指标的单一影响难以在干预因素对驾驶人的事故风险的影响方面得出系统性结论。因此有 必要建立系统的驾驶行为分析模型通过设计高 仿真度驾驶模拟实验更深入全面地研究干预因素与驾驶行为安全的关系为交通安全管理科学提供以科学实验为基础的决策依据。据此笔者提出基于驾驶模拟实验的层级式 驾驶行为安全模型用以研究干预因素对驾驶行为安全的系统性影响见图。该模型根据驾驶环境的复杂度及驾驶人可能涉及交通事故的可能性将驾驶行为按低中高个风险层级分类分

11、别为基本车辆控制行为在复杂交通环境中的动态决策行为以及在紧急交通状况中的避撞行为。 当某驾驶干预因素介入驾驶过程时各个风险等 级的驾驶行为均可能发生变化进而对驾驶人的交通事故风险产生不同程度的影响。利用该模型隋毅研究了手机通话这一干低风险驾驶行为低风险层级对应某种干预因素下驾驶人在简单道路和交通环境中的驾驶行 为。这种道路环境 一般由直路上坡下坡直角弯道及交叉口等简单道路线形元素组成不需要加入过多的周边车辆对驾驶人进行干扰。干预因素可以是不同天气 状况不同视距条件不同驾驶人状态如手机通 话疲劳饮酒等等。低风险层级主要评估驾驶人的基本车辆控制能力如车速控制制动转向、 车道保持等基本的车辆控制变量

12、见表。表基本车辆控制的变量 车辆速度车辆加减速度 转向盘转向车道控制瞬时速度最大速度 最小速度 平均速度 速度方差瞬时加减速度 瞬时转向角度最大加减速度 最大转向角度 最小加减速度 最小转向角度 平均加减速度 平均转向角度 加减速度方差 角速度方差车辆瞬时位置车辆最大偏移 车辆最小偏移 车辆平均偏移 车辆越道频率 车辆换道频率速度趋势曲线 加减速频率 转向频率基于该层级式驾驶行为安全模型赵佳等人研究了不同雾天等级无 雾轻雾浓雾下驾驶 人在直路上下坡道及直角弯道上的驾驶行为属 于低风险层级。研究发现雾的浓度增大使得驾驶人在上坡路段的车速显著降 低在弯道行驶时， 由于受雾天视距的限制驾驶人容易以较

13、高车 速 进入弯道并且车辆的横向偏移随之增大造成了交通信息与安全年 期 第卷 总期较高的弯道驶出比例。人都采取了减速避撞措施在与行人相撞正面交通信息与安全年 期 第卷 总期较高的弯道驶出比例。人都采取了减速避撞措施在与行人相撞正面碰撞和侧面挤撞中有超过的驾驶人采取转向措施在直角碰撞和侧面挤撞中还有一定比例 的 驾驶人采取加速避撞。中风险驾驶行为中风险层级评估驾驶人在驾驶过程中的动态决策制定行为。该层级对应着一定程度的风险场景如在高密度高速度车流中跟车高密度车流 下超车陌生路网中路线选择山区复杂路段中行驶信号灯变黄红时驾驶人走停行为不良视距 条件下行驶等场景。该类场景下驾驶人需要不断地依靠动态的

14、交通环境和道路状况实时的做出 认知判断决策反应进而执行动作。中风险层级的风险程度介于低风险和高风险之间包含的场景种类较多目前该层级的研究多是加入某种干预因素后考察其对中风险驾驶行为的影响。以跟车行为为例等运 用 驾驶模拟器研究能见度对跟车行为的影响通过 模拟雾天环境并控制可见度研究不同车速下的跟车行为等研究了驾驶经验对跟车行为的影响在驾驶模拟实验中新手司机比熟练司机有着更长的反应时间和感知时间等研究了年龄与跟车行为的关系在驾驶模拟实验中老年人在认知上比年轻人慢在跟车时保 持更远的跟车距离。表事故避撞行为分布 避撞行为制动 加速 转向 制动绕行 加速绕行 无避撞 合计发生频次 分布率 表不同碰撞

15、类型驾驶人避撞措施分布比例 驾驶人采取不同避撞措施的比碰撞类型减速加速转向未采取措施与行人相撞追尾碰撞 正面碰撞 直角碰撞 侧面挤撞结束语利用驾驶模拟器研究者们已经在驾驶行为 领域取得了许多重要成果研究范围涉及到影响驾驶行为的各种干预因素。然而过去的研究成 果多侧重于分析驾驶人某单一 行为或某类行为的变化如速度控制反应时间等对于干预因素对 驾驶行为造成的影响缺乏整体性分析。事实上， 当某干涉条件介入人车路驾驶系统时例如新 型安全技术新型交通设施行驶期间使用手机、 药物影响酒精影响等等可能会在不同驾驶场景中对多种驾驶行为产生不同 程度的积极或消极的影响。因此笔者提出了基于驾驶模拟实验 的 层级式

16、驾驶行为安全模 型将驾驶行为分为低、 中高个风险等级。在今后的驾驶行为研究中， 当考虑某项干预因素对驾驶行为的影响时 可以 参照该模型设计低中高种风险等级的驾驶模 拟场景以便能够对该因素影响下的驾驶行为 进 行全面系统的分析。高风险驾驶行为高风险层级中驾驶人需要对紧急交通状况做出响应这些紧急状况主要是指一些潜在的碰撞风险如追尾侧撞挤撞正撞等。驾驶人在交通 事故发生前需要不断监视周围车辆及环境的状态并在有限的时间内调整速度和车辆位置以避免事故的发生。这一层级包含的风险最大复杂 性也最高它可以评估驾驶人的综合认知能力以及生理心理和驾驶行为上的协调性。以往的高风险驾驶行为研究表明驾驶人在遇到紧急状况

17、需要避撞时通常会采取种方式 对车辆进行控制通过转向盘使车辆横向运动从而达到避撞目的通过油门或刹车控制车辆的纵向运动避免与障碍物相撞转向与油门刹 车的同时配合使用。根据以上种方式可将驾驶人的避撞行为具体分为制动加速转向制动绕 行和加速绕行等几类。根据起档案事故的研究驾驶人肇事前的避撞行为种类分布见表。 李晓梦等人利用驾驶模拟器研究了驾驶人在不同碰撞事故中的驾驶行为表现研究结果显示针对不同的碰撞类型驾驶人倾向于采取的避撞行为不同见表。在种碰撞类型中大部分驾驶参考文献茅顺仙曾维鑫我国交通事故频发的原因和对策城市车辆 基于驾驶模拟实验的层级式驾驶行为安全模型研究综述闫学东 李晓梦 基于驾驶模拟实验的层级式驾驶行为安全模型研究综述闫学东 李晓梦 王晶刘小明李德慧驾驶模拟器现状及应用研究交通标准化 ，？ 王彬基于驾驶模拟实验的跟车行为及其模型研究北京北京交通大学 邹智军杨东援微观交通仿真中的车道变换模型中国公路学报 ， ： ， ， 刘雁飞吴朝晖驾驶 认知行为建模浙江大学学报工学版 彭 挺张诚裴玉龙酒精摄入