基于驾驶模拟技术的车路协同生态驾驶预警系统节能减排效果分析

摘要：本研究旨在测试车路协同条件下生态驾驶的节能减排潜力。研究基于驾驶模拟技术搭建以生态车道（Ecolane）为路端、生态驾驶人机交互系统（EcoHMI）为车端的车路协同生态驾驶预警系统（Ecolane-HMI-CVIS）。招募40名驾驶人开展驾驶模拟实验和主观问卷调查，探究Ecolane-HMI-CVIS对机动车能耗排放的影响。与实验对照组相比，Ecolane-HMI-CVIS降低能耗1.03%，CO2、CO、HC、NOX排放分别降低1.01%，10.72%，1.52%和9.83%；驾驶人主观认同且客观行为遵循Ecolane-HMI-CVIS预警信息时，车辆能耗排放最低。研究结果表明，车路协同生态驾驶预警系统能够促使驾驶人采用生态驾驶行为，从而降低车辆能耗排放；同时，驾驶人主观认知对预警系统的节能减排效果有明显影响，驾驶人感知有用性的影响最为显著。1车路协同生态驾驶预警系统搭建1.1平台框架本研究旨在基于驾驶模拟技术设计生态车道与车路协同人机交互终端相结合的车路协同生态驾驶预警系统。预警系统由驾驶模拟器、协同处理中心、人机交互终端（HumanMachineInteraction，HMI）3个部分组成。图1车路协同生态驾驶模拟平台示意图1.2生态车道设计与驾驶模拟场景搭建研究选用京礼高速公路为基础实验场景搭建生态车道，利用3Dmax绘图软件进行道路基础场景开发，并在驾驶模拟器中进行场景再现。如图2所示，道路为双向四车道高速公路，全长46km，横断面宽度26m，限速120km/h。本次实验设计的生态车道为专用车道，车道长度为3.5km，限速90km/h。生态车道铺有绿色路面，绘制“生态车道”标识，并在车道起点和终点的路边设置相应的交通标志。图2实验场景设计1.3车路协同生态驾驶预警终端设计与研发依据上述实验场景，设计研发融合生态驾驶理念的车路协同人机交互系统（EcoHMI）。EcoHMI选用华为M3平板电脑作为交互媒介，基于Android6.0系统进行开发。图3ECOHMI界面设计2驾驶模拟实验测试2.1场景设计在实验场景中共设置了七个虚拟区域，控制区（Zone1和Zone7，各200m）、预警前区域（Zone2，500m）、生态车道路（Zone3—Zone6，共3500m）。Zone1为验证实验组和对照组在受到EcolaneHMI-CVIS影响之前的车辆运行状态是否一致；Zone2为正常驾驶到生态车道预警的渐变段；Zone4设置了跟驰慢速车辆事件（慢速车辆为70km/h），当跟驰事件结束后，慢速车辆将加速离开。实验路段的交通流条件均设置为自由流，车辆不允许随意变道和超车。当车辆触发预警点时，预警信息通过HMI传递给驾驶人。图4预警点设计表1预警信息表2.2实验流程实验共分为三个步骤：①驾驶前问卷、实验指导和驾驶练习；②两组驾驶模拟实验（Control组和Ecolane-HMI-CVIS组顺序随机）；③实验后问卷。表2被试对Ecolane-HMI-CVIS主观感受问卷调查题目2.3实验样本量研究共招募40名被试，要求被试拥有C2及以上等级驾照，且无严重生理、心理疾病。为测试实验场景合理性，选取3名被试参与预实验，最终共有37名被试参与正式实验。所有被试均签署实验知情书面同意书。表3被试基本属性信息统计表本研究中使用的样本量测量方法参见公式（1）,在本研究中，Z为1.25，𝜎为0.4，E为10%，计算所需的样本量为25个。此外，通过梳理近5年驾驶模拟相关文献，驾驶模拟实验所邀请的被试数量多在20～35之间，因此，本实验参与被试数量满足最小样本量的要求。3数据分析结果3.1主观调查结果总体上，驾驶人对系统具有较高的认可度。其中，驾驶人对使用系统的态度平均分为4.11分，呈现积极状态；但其标准差为1.1，分数离散程度最大，说明少部分驾驶人对预警系统为消极态度。在感知有用性方面，平均分为3.80分，标准差为0.942，说明驾驶人认为预警系统有用。在感知易用性方面，平均分约为4分，标准差为0.825，表明多数驾驶人认为预警系统比较容易操作和使用。在分心感知方面，平均分为2.36分，标准差为1.04，说明驾驶人认为系统在行车过程中确实会产生一定的干扰，使得驾驶人存在分心行为，但干扰影响较轻。图5被试对Ecolane-HMI-CVIS主观评价结果3.2生态特性分析本研究选取车辆油耗（FC）以及HC、CO、CO2等排放物反映Ecolane-HMI-CVIS对能耗排放的影响。研究选取车辆比功率（VehicleSpecificPower，VSP）来计算车辆排放值，根据碳平衡法，获得车辆的能耗情况。基于以上测算方法，可获得车辆能耗排放值，由公式得出的基准排放率。表4实验路段及各关键区域能耗统计结果表5实验路段及各关键区域排放统计结果总体上Ecolane-HMI-CVIS对生态驾驶行为具有正向影响作用，能够有效地改善驾驶人的行为从而降低能耗排放。3.3主客观一致性分析为分析主客观一致性对Ecolane-HMI-CVIS效用的影响，本研究首先将所有被试设定为ALL组；然后将态度、感知有用性、感知易用性方面平均得分大于4分，且分心感知方面得分小于2分的被试认定为在主观方面对Ecolane-HMI-CVIS积极接受，即主观积极组（subjectivepositive，SP）；再从SP组进一步筛选在整个实验路段中Ecolane-HMI-CVIS组能耗排放低于Control组的被试，定义为主客观一致组（Subjectiveandobjectiveconsistency，SOC）。图6主客观一致性分析结果可以发现：（1）被试所占比例ALL组大于SP组大于SOC组，其中SOC组的被试人数最少；（2）在Ecolane-HMI-CVIS的干预下，降低能耗效果ALL组低于SP组低于SOC组，其中SOC中Ec