整车驾驶模拟器人为因素研究

【摘要】人为因素研究对发短信或使用GPS等应用程序时，分心驾驶员的大脑，造成车辆事故越来越多。每年大约有4000人因分心驾驶而丧生，另有约39万人受伤。据估计，在美国所有的汽车事故中，有四分之一是由于开车时发信息引起的。分心行为已经成为驾驶中十分常见的不当驾驶行为之一，对交通安全有着极大的危害，但缺乏量化分析和系统性研究。目前，国内的研究还几乎处于空白状态，通过仿真研究分析驾驶员在不同分心状态下的各种驾驶特征，量化驾驶员分心时的注意力分配情况，综合评估分心行为对交通安全的影响，为分心行为的矫正提供依据。从交通安全的角度，通过整车驾驶模拟实验，量化了分心行为对驾驶员注意力的干扰程度，以此为改善交通安全、减少交通事故提供理论依据。

【关键词】人为因素；驾驶模拟；交通事故

1研究过程

分心行为会直接影响驾驶员的驾驶表现，从而对交通安全以及交通效率产生影响。基于对交通安全的考虑以及实际观测的困难，难以直接获取驾驶员在分心时的驾驶特征、车辆特征等参数，所以我们一般通过驾驶模拟实验，来得到不同分心行为时驾驶员的驾驶参数，量化分心行为对驾驶表现的影响。

1.1驾驶模拟实验平台

研究使用的驾驶模拟器为RTI的RDS-1000驾驶模拟平台，其实际车辆设备占地面积最小，包括带控制功能的真实方向盘、负载转向、真实的加速、制动踏板以及完全可定制的虚拟仪表盘。RDS-1000采用四分之一驾驶室设计，标准150度视野，可扩展至210度。该实验平台主要由控制系统、显示系统、驾驶舱系统、数据采集系统等组成。图1驾驶模拟实验平台Realtime驾驶模拟器是一个综合的驾驶模拟平台，可应用于研究、培训和汽车相关产品的开发。该平台采用模块化和可扩展的系统设计，具有很高的保真度。RTI始于1997年，总部位于汽车城底特律市，具有20余年的车辆动力学仿真及车辆模拟器开发与制造经验，主要应用于一下几个领域的研究：人因工程研究、人机交互研究、人交通安全研究、人机共驾研究、车辆动力学仿真实验和3D图像渲染技术研究。

1.2RTI驾驶模拟平台应用领域

SimObserverPro是RTI历经多年研发的数据采集及行为分析系统，可以从多个数据源采集数据，对数据进行同步处理后，可以在一个界面内进行显示。同时，这个界面也可以同步显示记录的数据，以及由这些数据生成的曲线、图表等，参见图2。图2SimObserverProSimObserverPro支持采集的数据包括视频、音频、眼动数据、生理数据、脑电数据等。同时，也可以采集真实车辆或驾驶模拟器的各种数据，包括车速、加速度、踏板开度、档位、方向盘转角、车道号、车道偏移、跟车距离等。另外，SimObserverPro也可以支持对在试验过程中发生的事件进行标记，并建立索引。在进行数据后处理时，可以通过索引快速定位到事件发生的时刻。当进行事件定位时，视频画面、记录的数据、生成的曲线等也会自动同步到该时刻，以方便对进行事件分析处理。SimObserverPro包括以下功能：支持采集多路摄像头视频数据（HD版本采用h.264编码，UHD版本采用NVENCh.265编码）；支持采集音频数据；支持采集眼动仪、生理仪、脑电仪等数据；同步捕获视频和各种数据流；可在视频画面上实时显示多种参数数据，显示的格式可自定义；具有事件标记功能；可为标记的事件建立索引，以快速定位事件；支持视频和数据流同步回放；支持对采集的数据进行分析、处理以及图形化显示；支持对采集的视频和数据进行标记，以帮助识别事件发生的过程；支持通过脚本进行数据处理和图形化数据显示；数据采集频率可定制；支持导出采集的数据到excel；支持远程命令控制。

2实验举例

实验选用低车流密度的高速公路场景，通过RTI的SimcreatorDX软件自带的场景库编辑创建，参见图3和图4。道路为双向四车道标准高速公路，限速为120km/h，车道宽度为3.75m，路面平整度良好。天气为晴天，车流密度较小，以减小外界因素对驾驶员干扰，被试者尽量按照平时习惯驾驶车辆，总共有两名被测人员参与。数据采集频率为60Hz，输出的车辆行为参数如表1所示。实验使用三个摄像头捕获驾驶员的脸部特征、注视方向、操纵车辆动作等信息。如果需要分析驾驶员面部的细节特征及驾驶员的心理特性，可以外接第三方设备例如：眼动仪、生理分析仪和脑电分析仪等。通过RTI的驾驶模拟实验平台，分别获取了两种情景下的车辆运动参数，包括自由驾驶和使用手机打字驾驶，使用手机打字驾驶是一种具有代表性的常见分心行为。车辆运动参数包括纵向速度、纵向加速度、横向速度、横向加速度、方向盘转角，全面的反映了车辆行驶时的状态。

3数据分析

分心行为对驾驶员驾驶表现的影响包括两个方面：一是对驾驶员自身的影响，主要是增加了驾驶员的驾驶负荷，分散了其驾驶注意力；二是对车辆行为产生影响，包括由于驾驶员驾驶操作的改变而引起的车辆速度、加速度、行驶稳定性等微观参数的变化。

3.1车辆运动基本参数

通过驾驶模拟实验平台，分别获取了两种种情景下的车辆运动参数，包括自由驾驶和使用手机打字驾驶。车辆运动参数包括纵向速度、纵向加速度、横向速度、横向加速度和方向盘转角，全面的反映了车辆行驶时的状态。根据以上原始数据，可以计算每一名被试者驾驶时的纵向速度均值、纵向速度标准差、纵向加速度标准差、横向速度均值、横向速度标准差、横向加速度标准差、方向盘转角标准差等变量，来衡量驾驶的速度、稳定性、安全性等。每一名被试者的数据具有一定的个性和随机性，因此本研究使用两名被试者所得变量值的平均值作为分析对象。以自由驾驶情景下，纵向速度标准差的计算为例，首先分别计算每一名被试者在两种情景下实验得到的纵向速度标准差，然后再对这两个数据值取平均值。车辆行驶的纵向速度（即行驶速度）是最直接反映车辆运动状态的参数，与驾驶效率和驾驶安全息息相关。图5给出了两种驾驶情景下，车辆行驶的纵向速度均值和标准差，随着分心行为对驾驶员的影响程度逐渐增大，驾驶员开车时的平均速度逐渐降低，而速度标准差则逐渐增加。使用手机打字对于驾驶员有较大影响。使用手机打字时，驾驶员的驾驶速度比自由驾驶时降低了约6.1%，而速度标准差则增加了17.2%，分心行为对驾驶速度存在着一定的影响。车辆横向速度的变化，既反映了车辆换道的行为，也反映了驾驶时车辆横向的振动，即驾驶时相对于车道中心线的偏离。图6是两种情景下的横向速度的标准差，当驾驶员处于分心状态时，车辆的横向稳定性变差，会增加横向速度的标准差。车辆纵向加速度的均值接近于0，这是因为车辆行驶时既有加速也有减速，加速度则既有正值也有负值，其平均值大约为0。因此有意义的是加速度的标准差，反映了驾驶员在操控车辆时的稳定性，纵向加速度标准差越大，车辆的行驶稳定性越差。图7给出了两种情景下的纵向加速度标准差，结果显示，使用手机打字，驾驶稳定性明显的降低了。对比自由驾驶，使用手机打字时的加速度标准差增加了66.7%。图7车辆纵向速度标准差方向盘转角直接反映了驾驶员对车辆的控制，由于方向盘的转动有两个方向，即顺时针和逆时针，因此其转角值也有正有负，转角的均值大约为0。因此，图8给出了方向盘转角标准差，它主要反映了驾驶时的横向稳定性。方向盘转角与车辆的横向加速度之间具有直接的相关性，因此它们的变化趋势也是一致的。使用手机打字时方向盘转角标准差显著增加，说明使用手机打字时驾驶会变得更加不稳定。比起自由驾驶，使用手机打字时的方向盘转角标准差增加了33.3%。

3.2行驶稳定性和驾驶特征对比

车辆运动稳定性和驾驶员对车辆的操控能力直接相关，而分心行为会增加驾驶员的操控难度，使得驾驶稳定性受到影响，也间接的影响驾驶安全。车辆运动稳定性包括纵向稳定性和横向稳定性两个方面，即车辆沿道路方向的稳定性和沿与道路垂直方向的稳定性。纵向稳定性主要由纵向速度标准差、纵向加速度标准差反映，而横向稳定性则主要由方向盘转角标准差反映，车辆运动基本参数部分已经对这些参数进行了初步的统计分析，下面将对一些微观现象进行分析研究。以某一名被试者驾驶时的数据为代表进行分析，对比两种情景下驾驶员的驾驶表现，分析分心行为对驾驶微观特征的影响。通过我们的数据记录和分析软件（SimObserver和DataDistillery),记录实验过程的视频和模拟器运行数据(记录的数据可以保存成.xls格式，用于数据分析比较)。使用数据分析软件，分别绘制出两名实验人员的车辆性能。第一名实验人员正常驾驶的车辆性能曲线见图9。第一名实验人员使用手机打字驾驶的车辆性能曲线见图10。第二名实验人员正常驾驶的车辆性能曲线见图11。

4结语

通过整车驾驶模拟器的仿真模拟试验，研究人为因素的分心行为对整车安全事故的影响。①在实验条件相同的前提下，开车使用手机打字会影响车辆的正常行驶，极易产生交通事故。由于使用手机分心，还要保证车辆沿着预定的车道行驶，驾驶者会不知觉的降低车速，保证基本安全，因此，使用手机开车时的平均车速小于正常驾驶。②实验条件相同时，使用手机驾驶车辆，驾驶员对方向盘的修正会更频繁，且幅度更大，以保证车辆按预定车道行驶不偏航，或者说使用手机驾驶比正常驾驶更容易跑方向。③驾驶员由于使用手机分心，纵向车辆加速度值波动较大，会频繁的增减车速。④驾驶员由于使用手机分心，频繁大幅度修正方向盘，必然导致车辆横向速度和加速度值波动较大，幅值更高，车辆横向稳定性变差，如果遇到紧急情况车辆更容易发生事故。

作者：邹萍 崔久刚 潘飞 杨虹虹 丁文超 单位：中国重汽集团济南卡车公司 中国重汽集团汽车研究总院3.北京九州华海科技有限公司