基于驾驶员行为特性的驾驶技能评价指标研究

摘 要：汽车行驶的过程是人、车、路三者之间相互影响的过程，是由驾驶员操纵有关机械装置来实现的。本文从研究驾驶员行为特性入手，提出以车辆控制能力和感知能力作为驾驶员技能评判的指标，建立驾驶员技能评判模型，为数字化驾驶训练提供理论基础。

关键词：驾驶员行为特性；感知能力；判断能力；操控能力

中图分类号：U471.3文献标文献标志码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2011.02.011

The Research for Driver Skill Evaluation Index Based on Characteristics of Driving

Jing Qiang，Luo Jian，Gao Yongqiang，Zhang Lei，Zheng Xiaoxi

(Department of Technological Support Engineering，Academic of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China)

Abstract： Driving a motor vehicle is the process that the driver adapts to the vehicle and roads by manipulating the relevant mechanical and electrical agencies. According to the research of driver behavior characteristics，the vehicle control capability and perceptual abilities are utilized as the evaluation indexes. Combining the two-stage and multi-stage evaluation approaches，a driver skill evaluation model is established，which provides the theoretic basic for digital driving practice.

Key words：driver behavior characteristics； perceptual abilities；capability of judgment；vehicle control capability

驾驶员对信息的处理是在一定时间下进行并完成的。根据人行为的S-O-R(刺激―中间变量―动作)经典模式拓展[1]，将驾驶机动车过程中驾驶员对信息的处理过程分为感知、判断和操作3个阶段，其简化模型如图1所示。

驾驶特性是驾驶员在信息处理过程中所表现出来的自身特性。依据驾驶过程的不同阶段将驾驶员驾驶特性分为感知特性、判断特性及操作特性3类。影响驾驶特性的驾驶员自身因素包括生理和心理两个方面，按延续时间的长短又分为短时和持续因素两种情况，所以研究驾驶员的驾驶特性主要是研究驾驶员自身的感知、判断及操作特性。

在对驾驶员行为特性研究过程中，根据不同的假设，分析了各种驾驶员模型，希望能够准确反映驾驶员的行为特性，进而建立符合实际的完整的驾驶员―车辆―环境系统模型，为驾驶员职业化、道路建设与改进、汽车安全性设计、道路交通事故防范等基础工作提供评价标准。

1 评价指标的选择和分析

从人―机―环系统角度讲，评价驾驶员驾驶技能的好坏不仅要考虑动作的完成质量及熟练程度，还应综合考虑信息刺激的多源性及复杂环境中驾驶任务集聚的协同反应机理。

1.1 评价指标的确定

在驾驶技能训练中，需首先掌握好“六大基本功”，即油门与离合器控制、换挡、转向、制动、对正方向和判断距离[2]。通过结合专家经验与驾驶员行驶特性建立评判模型，如图2所示。

1.2 评价指标的分析

1.2.1 感知能力

感知能力主要是车辆在运行过程中，驾驶员对车辆的几何尺寸、运行状态的一种感觉掌控能力。驾驶员的控制行为实际上就是信息感知、判断决策和操纵动作所组成的一个不断往复进行的信息加工、传递和处理过程，感知作用于判断决策后影响到动作。

（1）空间感知能力，即对车辆尺寸、周边空间间距的感知能力。在汽车驾驶中，由于受视景的约束，对道路的观察受限，只能通过下死界判定法、卡长法或者死界升高法等粗略估算前方距离。左右侧车宽与杆距离的估计也都是凭借经验得来，都属于对空间的感知。通过在预定线路范围内行驶、撞杆等方法来进行评价。

（2）速度感知能力，即在车辆运行期间对车速的估测。由于驾驶员相对车辆是静止的，感知车辆行驶速度依靠视景外景物的变化，所以对车辆运行速度的感知就转化为对景物变化的感知[3]。使用速度知觉测定仪来评价驾驶员对速度的感知能力。

（3）环境感知能力，即通过车体姿态等对路面条件的感知能力，车辆行驶过程中通过震动等对车况的感知能力(这里忽略声音的影响),主要是感觉加速度和车辆冲击度的变化。本文中车辆冲击度车的定义为:车。参考文献[4]中提到，大脑前庭器官中，耳石感觉线加速度，半规管感觉角加速度。外部传递进来的加速度要经过人耳中的前庭器官传递给大脑，感知环境的变化。

耳石传递模型为：

式中：、、、分别为前庭器官的特征参数，取值于参考文献[4]。

1.2.2 判断能力

驾驶员的判断特性因人而异。驾驶经验与驾驶水平的差异、感知速度的差异、疲劳、酒后驾驶及驾驶适应性等问题都会影响驾驶员的判断特性。在影响驾驶员判断特性的所有心理品质中，最重要的是驾驶员对道路情况变化的反应及注意能力。

（1）反应能力

驾驶员的反应能力对行车安全有着较大的影响，选择反应时间是影响行车安全的重要心理指标。驾驶员对外界环境刺激的反应时间越长，反应能力就越差，越容易发生危险。反应时间长、认知和反应时间稳定性差、动作反应比认知反应快的驾驶员容易发生事故，存在着较大的事故倾向性。反应时间长的驾驶员易发生车速判断误差及行车间距判断误差。根据各基本动作元素之间的操作时间间隔来进行评价。

(2)注意水平

驾驶员的注意水平也影响其判断特性，注意具有指向性、集中性及分配性等特征。车辆在行驶的过程中，驾驶员心理活动有选择地指向和集中于一定的道路交通信息，经过大脑的识别、判断、抉择，然后采取正确的驾驶操作，保障行车安全。注意能力是影响行车安全的重要心理因素。注意的集中性直接影响驾驶员的反应判断能力，而处于疲劳状态的驾驶员注意分配能力较差。这项指标可通过注意分配试验仪来测试。

1.2.3 操控能力

驾驶员通过控制车辆操纵机构来实现期望车速、方向等。操纵能力主要是指车辆在运行过程中，驾驶员在各种情况下对车辆的控制能力，包括通过障碍物、限制路、坡道驾驶，加减速控制等。驾驶员操纵汽车不当，容易造成动作差错。如由于受训不够、动作不规范造成的动作不到位或动作错误；由于安全意识较差、违反操作规程引起的动作盲目或随意；由于经验不足、疲劳造成的动作不协调等都会造成驾驶员操作失误。此外，驾驶员对车辆的操纵能力也直接反应了其驾驶技能的优劣，包括操作动作的完成质量与熟练程度两个方面。各评价指标定义如下：

（1）完整性主要考察在驾驶过程中，是否按照驾驶规则操作，先后顺序是否正确，有没有漏掉或者多余的动作；在动作识别中，根据识别结果正确的组合中动作数识 与标准动作库中动作组合动作数标作比较，即。

（2）准确性考察变速时机是否准确，行驶轨迹是否与预瞄轨迹吻合。

变速时机在判断车辆加速（）、减速（ ）后，选择合适排挡。一般情况下，按顺序换挡规则如下：

当加速行驶时，；减速行驶时，。式中：为确定换入的排挡序号；为当前排挡序号。

若考虑行驶车速与动力和阻力状态，按最佳排挡模型：

则换入的最佳排挡序号即为。

式中：、、分别为车辆所选择的挡最小行驶速度、最大行驶速度、最大动力值；、分别为车辆当前行驶速度和给定地面阻力系数及转向半径条件下的阻力值。

根据行驶轨迹与预瞄轨迹吻合的原理[5]，汽车转向机构的每个转向角对应着前方可行行车区域的一个点，故预测出的预期轨迹点可由下式计算：

在预瞄曲线转向时，保证车辆在路面的某个规定的范围内，在安全性指标和轻便性指标都满足的情况下，特征值取预瞄点与规定范围内左侧边界距离IDS1和右侧边界距离IDS2(越大越好)，以及前方规定范围内左侧边界和右侧边界曲率变化与预瞄点预期轨迹点所对应的航向角夹角IDS3和IDS4(越小越好),对应的隶属度分别如下( IDS1和IDS2，IDS3同IDS4)：

式中：、为评价指标的特征值；、为评价指标的隶属度；,,,,为特征值的上下界。

（3）平顺性。由于传动件动力传输过程中如果变速会有冲击产生，这就要求驾驶员在运行期间操作动作必须平顺，尽量减小冲击力，要求对车辆操作部件的操作动作要柔和，尤其是离合器的操作，可采用单位时间内操作部件变化的百分比 来衡量，即：

（4）工效性就是在规定时间内完成规定的动作个数，且保证每个科目在规定时间内完成。分两种情况：①在规定的时间内完成规定的该类动作的个数为规，正确完成的个数是规，

作为时效性指标之一；②在规定的时间内完成规定科目，实际中完成科目训练所需时间越短，时效性越高，将作为另一项指标。

（5）连贯性考察基本动作之间是否满足最长间隔的要求，通常时间间隔越小，说明驾驶员动作越熟练，故要求，， 和分别是同一类动作中实际操作第、个动作的时刻。

（6）动作的协调性。考察驾驶过程中各基本动作之间的配合是否协调，主要是油门和离合器的配合。

离合器结合特性表明：离合器结合过程包括空行程、离合器部分结合、离合器完全结合3部分。其中第2部分是离合器主、从动盘滑磨及传递转矩逐渐增长区，因此这部分行程中离合器抬起速度应放慢，避免产生较大冲击；而第1、第3部分为了减少摩擦功，应该迅速完成。因此在考察驾驶动作的协调性上需选取离合器冲击度、主离合器滑摩功、起车时间、换挡时间和发动机波动量作为评价的指标。公式分别如下：

式中：为车轮半径；为变速器输入轴角速度； 为主减速器传动比；为挡位传动比；为离合器主、从动片从开始接触到摩擦转矩克服阻力矩所用的时间；为离合器主动盘转速和从动盘转速达到相等时即离合器锁定时的时间；为起车时离合器完全结合时间；为分离离合器的时间； 为摘旧挡时间；为选挡时间；为同步、挂新挡时间；为再结合离合器的时间；为目标挡位传动比；为换挡前挡位传动比；为换挡前发动机转速；为发动机目标转速。

它们的隶属度都属于偏小好型，故选用降半 分布[6]。

2 驾驶技能评价指标模型

2.1 模糊数学模型的建立

由于本文评判对象的有关因素很多，故采取多级模糊数学评判。其评判模型如下：

设评语集：={好，较好，中等，较差，差}；

评判因素集合：={感知能力，判断能力，操控能力}；

二级评价指标集合：={空间感知能力，速度感知能力，环境感知能力}，={反应能力，注意品质}，={完成质量，熟练程度}；

三级评价指标集合：={完整性，准确性，工效性，平顺性}，={连贯性，协调性}。

又令，，，，，为，，，，，的模糊转换矩阵；

为对应的权重量；，，，，，为评价结果对评语集合的隶属度。因此，建立驾驶技能模糊综合评判模型为

最后经过（1）～（4）式计算就可以得到驾驶员驾驶技能的模糊综合评判结果。

2.2 基于层次分析法权重系数的确定

在权重系数的确定中，常用方法有专家估测法、统计分析法和层次分析法等。由于前两者的主观性与随意性太强，结合前两者的优点，本文主要运用层次分析法来确定评价指标的权重系数。

经过专家对模型中各层次元素的相关重要性两两比较，并采用指数标度法对元素间的相对重要程度赋值，可建立比较判断矩阵，然后经过计算判断矩阵的特征向量确定权重系数的相对重要度，最后通过计算综合重要度，得到驾驶技能评价的综合权重值，见表2。

3 结论

本文采用系统理论中的“分解-综合”方法[7]，结合驾驶员行驶行为特性，建立了一种具有树形结构的车辆驾驶训练多级评判指标，建立了驾驶员技能评判模型，从而使对这类复杂问题的分析与研究可行性加强，为设计汽车驾驶训练评判系统打下了理论基础。

参考文献(References):

LIU A，SAVLUCCI D.Modeilng and Predciiton of Human Drvier Behavoir[C]//The 9th Inlt. Conference On Human-Compuetr Inetraciton.New Orelans，LA，Aug 2001.

明波，荆强，王玉栋，等.坦克驾驶[M].北京：装甲兵工程学院，2003：32-36.

Ming Bo，Jing Qiang，Wang Yudong，et al.Tank Driving[M].Beijing:Armored Force Engineering Institute，2003：32-36.（in Chinese）

杨建国，肖永剑，王兆安.交通微观仿真中的驾驶员视觉感知模型[J].系统仿真学报，2005，17(10)：2437-2441.

Yang Jianguo，Xiao Yongjian，Wang Zhaoan.Traffic Micro-simulation Model of Driver Visual Perception[J].System Simulation，2005，17(10)：2437-2441. （in Chinese）

胡子正.驾驶员运动感觉及其评价[J].汽车工程，1996(4)：223-229.

Hu Zizheng. Automobile Driver's Motion Sensation and Its Evaluation[J]. Automotive Engineering，1996(4)：223-229. （in Chinese）

高振海，管欣，郭孔辉，等.驾驶员确定汽车预期轨迹的模糊决策模型[J].吉林工业大学学报，2000，30(1)：7-10.

Gao Zhenhai，Guan Xin，Guo Konghui，et al. Driver Fuzzy Decision Model of Vehicle Preview Course [J]. Journal of Jilin University of Technology，2000，30(1):7-10. （in Chinese）

陈水利，李敬功，王向公.模糊集理论及其应用[M].北京：科学出版社，2005：187-207.

Chen Shuili，Li Jinggong，Wang Xianggong. Fuzzy Set Theory and Its Application[M]. Beijing：Science Press，2005：187-207.（in Chinese）

汪应洛.系统工程(第2版)[M].北京：高等教育出版社，1998：170-176.

Wang Yingluo. Systems Engineering (Second Edition)[M].Beijing：Higher Education Press，1998：170-176.（in Chinese）