汽車主動安全預警系統警告觸發方式研究＊

劉月杰 金立生 鄭 義 李英杰

（1.一汽轎車股份有限公司；2.吉林大學）

1 前言

據有關資料表明，若能在潛在交通事故發生前1 s有效給駕駛人員發出警報，則可避免90%以上的交通事故；如果在事故前2 s駕駛人員能夠采取相應措施，幾乎所有的交通事故都能避免[1]。

汽車主動安全預警系統可有效降低交通事故的發生。該系統主要通過不同方式的警告提醒駕駛人員，從而避免事故的發生。警告觸發的效果以駕駛人員反應時間的長短為主要評價指標,其次是對警告信息的正確理解和對危險工況操作的正確性。不同的感覺器官對警告觸發方式的響應時間是不同的，通常情況下聽覺和觸覺的響應時間較短，視覺次之[2]。許多研究結果表明[3，4]，不同的警告觸發方式對駕駛人員操作行為的影響差異很大，駕駛人員對不同的警告觸發方式的接受能力也不同。因此，警告觸發方式的選擇直接影響預警效果的好壞。國外發達國家如美國、日本等對于警告觸發的相關研究越來越重視[5]，已有汽車應用了主動安全預警系統，部分取得了一定效果；國內在汽車主動安全預警系統方面大部分僅側重于研究危險狀態的檢測，而對警告觸發方式相關研究較少。

本文從視覺、聽覺和觸覺等方面對警告觸發方式進行探索性研究，并借助典型的汽車主動安全預警系統——車道偏離預警系統進行試驗驗證分析，從而確定出更適合中國駕駛人員的警告觸發方式。

2 主觀判斷

本文通過駕駛模擬器來實現模擬駕駛環境及車道偏離工況。在VC++的環境下開發程序，通過并口控制，實現視覺、聽覺、觸覺及不同組合的警告觸發，同時實現數據的采集與記錄。

為了更準確地模擬主動安全預警系統，在試驗過程中使駕駛人員通過轉向盤控制車輛行駛，在其不知情情況下通過計算機施加一定的偏航角，以具體實現模擬車道偏離工況。在施加偏航角的同時，由計算機對駕駛人員發出視覺、聽覺、觸覺和組合警告并開始計時，當駕駛人員意識到警告信號開始回正轉向盤或者踩下制動踏板時，采集轉向盤的數據并停止計時，由此便記錄了由發出警告信息到駕駛人員采取相應措施的響應時間。

基于以上模擬環境，對駕駛人員分別進行視覺、聽覺和觸覺的預警試驗，通過駕駛人員的主觀判斷篩選出適合作為警告觸發方式的可行性方案。

2.1 聽覺警告

聽覺警告最基本條件:在嘈雜的駕駛環境中駕駛人員能夠清晰辨別出警告信息，警告信息應該具有較強的警告提示作用[6]。以計算機合成的5種同一音調而不同主頻的聲音作為警告信息，其頻率分布在 1000～5000 Hz，間隔為 1000 Hz，其聲響為滴滴聲，每種頻率下聲響時間間隔包括0.1 s/次、0.2 s/次、0.3 s/次、0.4 s/次。聽覺預警裝置如圖1所示。

根據3步驟對聲音進行篩選:

a.篩選出在預警過程中能清晰辨別出聽覺警告信息的聲音；

b.在上步篩選出的聲音中再選出駕駛人員對聽覺警告信息沒有感到厭煩的聲音；

c.在上步篩選出的聲音中再選出聽到警告信息能意識到有危險狀況發生的聲音。

駕駛人員對5種主頻的聲音幾乎都能清楚辨別出，但是聲音的主頻太高或太低都會使駕駛人員感到厭煩。駕駛人員在駕駛過程中不僅能清晰聽到警告聲音，而且聽到聲音后能意識到有狀況或有危險發生的聲音警告方式為3000 Hz 0.1 s/次、4000 Hz 0.2 s/次。

2.2 視覺警告

視覺警告具有傳輸遠、面積小、圖樣多、引人注目等特點，但視覺信息容易加重駕駛人員視覺負擔。視覺警告的設計包括顏色設計、形狀設計以及布置設計等[7]。本文通過調研分析，并結合中國人的習慣，選取紅、黃、綠作為警告燈的顏色，利用發光二極管制作直徑為5.5 cm的圓形發光燈。駕駛人員對燈光的不同顏色、不同位置、不同頻率的變化進行主觀判斷，預警裝置如圖2所示，具體方案見表1。

表1 視覺警告設計方案

根據4步驟對聲音進行篩選:

a.篩選出在預警過程中最能引起駕駛人員注意的燈光顏色；

b.從上步篩選出的燈光中再選出最能引起駕駛人員注意的燈光位置；

c.從第1步篩選出的燈光中再選出最能引起駕駛人員注意的燈光頻率；

d.從第3步篩選出的燈光中再選出能使駕駛人員意識到有情況發生或有危險狀況發生的燈光。

其中最能引起駕駛人員注意的燈光顏色為黃色和紅色，且以駕駛人員視野的下方和左下方位置為警告位置接受的人數最多。最能引起駕駛人員注意的燈光頻率為黃燈0.1 s/次、黃燈0.2 s/次、紅燈0.1 s/次、紅燈0.2 s/次、紅燈0.3 s/次。但是能使駕駛人員意識到有情況或者有危險狀況發生的燈光頻率為黃燈 0.1 s/次、黃燈0.2 s/次、紅燈 0.1 s/次、紅燈0.2 s/次。

2.3 觸覺警告

觸覺警告一般是通過振動來實現的，如振動轉向盤、振動座椅、振動安全帶等。駕駛人員不同身體部位對同一振動頻率及相同部位對不同振動頻率的接受能力是不同的。不同身體部位受振的靈敏度也不同，振動靈敏度閾值也各不相同，靈敏度最高的是手，最差的是臀肌[8]。本文選擇振動轉向盤作為觸覺警告觸發方式。觸覺預警裝置如圖3所示。結合調研分析，確定觸覺警告試驗設計方案如表2所列。

表2 觸覺警告設計方案

根據2步驟對振動進行篩選:

a.篩選出在預警過程中沒有影響到駕駛的振動；

b.在上步篩選出的振動中再選出能使駕駛人員意識到有情況或者有危險狀況發生的振動。

在確保駕駛人員感覺到振動后沒有影響到駕駛，且能意識到有狀況或者有危險發生的振動警告方式為較輕轉向盤振動和適中轉向盤振動[9]。

3 預警試驗

本文重點研究的是預警系統的觸發方式，故在樣本對象的選擇上，需排除因駕駛人員自身因素對試驗結果造成的影響和誤差。選取200人作為試驗對象，他們都有駕照，且身體健康，駕駛經驗較豐富，無不良駕駛記錄，年齡平均分布在25～40周歲，其中男性125名、女性75名。

將模擬試驗和數據采集系統移植在自主開發的乘用車駕駛行為研究平臺上，在正常駕駛情況下進行連續駕駛2小時的模擬試驗駕駛。

目前，由于駕駛人員無意識條件下車輛偏離正常行駛車道導致的交通事故較多，而車道偏離預警系統技術可有效減少或避免此類事故發生。因此，本文在模擬的駕駛環境中真實模擬車道偏離工況，使車道偏離預警系統發生作用，并分別對駕駛人員進行無警告、單一警告和組合警告的預警試驗。在不同的警告觸發條件下，對駕駛人員的操作正確人數、平均響應時間和方差綜合考慮，統計分析出適合駕駛人員的警告觸發方式。

3.1 無警告試驗

當駕駛人員在模擬的駕駛環境中駕駛一段時間后使其適應駕駛過程，在其不知情情況下模擬車道偏離工況，記錄操作正確的人數及其響應時間。其結果為操作正確的人數是127人，平均響應時間為0.95s，方差為 0.014。

3.2 單一警告試驗

當駕駛人員在模擬駕駛環境中駕駛一段時間后使其適應駕駛過程，在其不知情的情況下模擬車道偏離工況，并同時對駕駛人員分別進行視覺、聽覺和觸覺的單一警告。

從3方面對試驗進行統計分析:

a.操作過程中是根據經驗還是根據警告信息做出的選擇；

b.模擬過程中操作正確的人數；

c.模擬過程中駕駛人員響應時間。

在統計數據中選擇出依據警告信息且操作正確的人數，并計算其響應時間和方差。聽覺、視覺、觸覺警告試驗統計結果分別見表3～表5。

表3 聽覺警告試驗統計

表4 視覺警告試驗統計

表5 觸覺警告試驗統計

由表3～表5可知，聽覺警告中，以4000 Hz、0.2 s/次警告方式要優于3000 Hz、0.1 s/次的警告方式；視覺警告中，在駕駛人員視野下方進行預警要優于左下方，且在視野下方預警時駕駛人員對視覺警告的差異不大，只是以紅燈0.1 s/次的警告方式略優；觸覺警告中，兩種振動級別的觸覺警告區別不大。

綜上所述，在單一警告試驗中，駕駛人員在聽覺警告下的操作正確人數、平均響應時間和方差都要優于視覺警告和觸覺警告。因此，單一警告時在車道偏離預警中聽覺警告更適合。

3.3 組合警告試驗

由單一警告試驗可知，聽覺警告中以方案4000 Hz、0.2 s/次的聲音為最優方案；視覺警告中以方案紅燈0.1 s/次，且在駕駛人員視野的下方警告為最優方案（考慮到車道偏離工況特殊性，位置設計需進一步深入分析）；觸覺警告以方案適中級別的轉向盤振動為最優方案。在組合警告中選用3種不同警告方式組合作為警告方式[10]。當駕駛人員在模擬駕駛環境中駕駛一段時間后，使其適應駕駛過程，在其不知情情況下模擬車道偏離工況，并同時對駕駛人員分別進行視覺與聽覺、聽覺與觸覺、視覺與觸覺警告及視覺、聽覺和觸覺的組合警告。

從4個方面對試驗進行統計分析:

a.操作過程中是根據經驗還是根據警告信息做出的選擇；

b.如根據警告信息做出的選擇，是根據單一警告還是組合警告；

c.模擬過程中操作正確的人數；

d.模擬過程中駕駛人員響應時間。

在統計數據中，選擇出依據組合警告信息且操作正確的人數，并計算出其響應時間和方差。統計結果見表6。

表6 組合警告試驗統計

組合警告試驗中，在聽覺和觸覺組合警告下，雖然駕駛人員的平均響應時間最短，但是操作正確的人數只有110人，比無警告條件下還少，說明此種警告方式已經影響到駕駛人員的正常駕駛。因此，聽覺和觸覺組合警告并不適合作為主動安全預警系統的警告觸發方式。三者組合的警告中并沒有達到預期的警告效果，反而加大了駕駛人員的駕駛負載。聽覺和視覺組合警告與觸覺和視覺組合相比，兩種警告方式下駕駛人員響應時間的方差沒有明顯差異，但前者組合條件下的駕駛人員平均響應時間短，且操作正確的人數多。因此，在預警系統組合警告中，聽覺和視覺的組合警告為最優的警告觸發方式。

綜上所述，警告效果的好壞是以駕駛人員反應時間的長短作為主要評價指標的；其次，是對危險工況操作的正確性和對警告信息的正確理解。聽覺和視覺組合警告與單獨的聽覺警告相比，雖然兩種警告方式下操作正確的人數沒有明顯差異，但駕駛人員的平均響應時間前者短。所以，在主動安全預警系統警告觸發中，聽覺和視覺組合警告方式略優于聽覺警告方式。

本文也以某型號微型車為試驗車做實車道路試驗，對不同的警告觸發效果進行測試。由實車試驗所得數據可驗證模擬過程所得結論的正確性。由于條件限制，實車試驗的效果還不夠理想，需要做更深入的研究和驗證，但是所得結論仍可為開發相關檢測警示系統提供理論與技術支持。

4 結束語

確定了汽車主動安全預警系統基于聽覺、視覺和觸覺為主的警告觸發研究策略。通過駕駛人員主觀判斷篩選出適合作為警告觸發方式的方案，并在模擬駕駛環境中借助開發的車道偏離預警系統分析比較了單一或組合的警告觸發方式對駕駛人員操作行為的影響。對不同警告觸發方式下駕駛人員操作的正確人數、平均響應時間和方差三者進行了統計分析，結果表明，聽覺和視覺的組合警告更適合作為中國駕駛人員的警告觸發方式。

1 公安部交通管理局.道路交通事故統計年報.無錫:公安部交通管理科學研究所，2009.

2 丁玉蘭.人機工程學.上海:上海交通大學出版社，2004.131～141.

3 Keisuke Suzukia， Hakan Jansson.An Analysis of Driver’s Steering Behaviour during Auditory or Hap Tic Warnings for the Designing of Lane Departure Warning System.JSAE Review， 2003，24（4）:381～516.

4 Scott J.J.， Gray R.A Comparison of Tactile， Visual， and Auditory Warnings for Rear-end Collision Prevention in Simulated Driving.Human Factors， 2008，50（2）:264～275.

5 Liu Y.C.Comparative Study of the Effects of Auditory，Visual and Multimodality Displays on Drivers'Performance in Advanced Traveller Information Systems.Ergonomics，2001，l44（4）:425～442.

6 Cheng D.L.，Yi C.J.，Yao H.Y.， etal.Sound Signal Analysis of CVR Based on CVDS，WT&CZT algorithm， Proceedings of the 2nd International Conference on Dynamics.Vibration and Control，2007，129～134.

7 周一鳴，毛恩榮.車輛人機工程學.北京:北京理工大學出版社，1999.53～56.

8 Brown，S.B.Effects of Haptic and Auditory Warning on Driver Intersection Behavior and Perception.2005， Unpub?lished Master，Virginia Polytechnic and State University Blacksburg，Virginia.

9 王榮本，余天洪，郭烈，等.基于機器視覺的車道偏離警告系統研究綜述.汽車工程，2005，27（4）:463～466.

10 董因平.高速汽車車道偏離預警系統的算法研究:[學位論文].吉林:吉林大學，2004.