駕駛員在真實交通危險工況中的制動反應(yīng)時間

李 霖，朱西產(chǎn)，馬志雄

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)

前言

當(dāng)前汽車安全技術(shù)的研究重心正在由被動安全向主動安全轉(zhuǎn)移。先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driver assistance systems, ADAS)是現(xiàn)在汽車主動安全技術(shù)研究的熱點。目前很多關(guān)于ADAS的研究及產(chǎn)品都屬于縱向輔助系統(tǒng)，比如前碰撞預(yù)警系統(tǒng)(forward collision warning system, FCW)、自動緊急制動系統(tǒng)(autonomous emergency braking system, AEB)等。這類系統(tǒng)只考慮汽車縱向運(yùn)動方向上的危險，在開發(fā)時必須考慮駕駛員的制動行為特征。以FCW為例，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出警告的時間必須足夠早，以留給駕駛員充足的反應(yīng)時間實施制動避免碰撞，但如果系統(tǒng)發(fā)出警告的時間過早，則會導(dǎo)致誤報，干擾駕駛員正常行駛，使用戶接受度降低。因此，駕駛員制動行為包括制動反應(yīng)時間和制動輸入特征是開發(fā)FCW的兩個基本要素[1]。

目前已有不少關(guān)于駕駛員制動反應(yīng)時間的研究[2-6]，但由于測試信號和測試環(huán)境等的不同，得出的研究結(jié)果差異很大。同時，在開發(fā)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)時，算法中所涉及的駕駛員反應(yīng)時間應(yīng)與真實交通環(huán)境中駕駛員的制動反應(yīng)時間一致。但是，目前關(guān)于真實交通環(huán)境中的駕駛員制動反應(yīng)時間的研究較少，大部分研究都是在特定的測試環(huán)境中，比如場地測試和駕駛模擬器測試，測試條件相對簡單，考慮因素有限，駕駛員對實驗環(huán)境中出現(xiàn)的危險有心理預(yù)期。這些測試環(huán)境與真實的駕駛環(huán)境有較大差異，因而研究成果不能直接應(yīng)用于ADAS的開發(fā)。另外，不同國家和地區(qū)的駕駛員駕駛習(xí)慣不同，制動反應(yīng)時間也會有差異，因此為開發(fā)適合我國特殊交通狀況的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)，必須研究我國駕駛員在真實交通環(huán)境中的制動反應(yīng)時間。

本文中首先通過車輛行駛記錄儀(video drive recorder, VDR)對上海市嘉定區(qū)的真實交通工況進(jìn)行了采集，然后通過篩選和分類，得到典型的危險工況類型，最后對這些典型危險工況中駕駛員制動反應(yīng)時間進(jìn)行了提取和分析。

1 真實交通工況采集

出租車具有運(yùn)營時間長，運(yùn)行道路覆蓋范圍廣等特點，因此特別適用于快速獲取真實的交通工況數(shù)據(jù)。本文中通過在數(shù)輛出租車、警車和私家車上安裝車輛行駛記錄儀(VDR)對上海市嘉定區(qū)的真實駕駛場景進(jìn)行了采集(圖1)。VDR內(nèi)置一個攝像頭來記錄車輛前方視野的道路交通影像和其他有關(guān)信息，如車輛速度、縱向加速度、側(cè)向加速度等記錄。本文中所用的VDR在縱向或側(cè)向加速度絕對值大于0.4g時觸發(fā)，只記錄觸發(fā)前15s和觸發(fā)后5s的數(shù)據(jù)。

2 危險工況的獲取和分類

通過VDR采集總共獲得了約4 000例觸發(fā)工況，經(jīng)過仔細(xì)查看觸發(fā)工況的視頻錄像，去掉沒有任何碰撞危險的工況，最終得到了8例事故工況和1 200例危險工況。再通過主觀評價對這1 200例危險工況按照危險程度進(jìn)行分級，危險等級主要分為4級：0-危險預(yù)兆，1-輕微危險，2-一般危險，3-緊急危險。這里選取危險度為2級和3級的危險工況作為分析目標(biāo)，共計430例。將這430例危險工況按照NHTSA提出的37類預(yù)碰撞場景分類方法[7]進(jìn)行分類，從分類結(jié)果(圖2)可以看出，最典型的6類危險工況共有303例，占所有430例危險工況的70%左右，這6類工況根據(jù)數(shù)量的多少按Ⅰ-Ⅵ排列，具體含義如圖3所示。本文中利用這6類典型的危險工況來分析駕駛員的制動反應(yīng)時間。

3 駕駛員制動反應(yīng)時間提取

在這6類總共303例危險工況中，所有駕駛員都通過制動操作來避免碰撞，本文中通過對駕駛員的制動行為進(jìn)行分析提取駕駛員制動反應(yīng)時間。駕駛員制動反應(yīng)時間定義為從出現(xiàn)碰撞危險到駕駛員開始制動操作所經(jīng)歷的時間。一般包括駕駛員識別危險并決定制動所需的大腦信息處理時間和駕駛員的腳離開加速踏板到接觸制動踏板所需的運(yùn)動時間。在有些研究中，制動器的響應(yīng)時間也包含在內(nèi)。

首先須確定碰撞危險出現(xiàn)的時刻，如何確定危險出現(xiàn)時刻是目前所有基于自然行駛工況的駕駛員制動反應(yīng)時間研究所面臨的難題。在這6類危險工況中，工況類型Ⅱ(前車減速)的危險出現(xiàn)時刻相對容易確定，定義為前車制動燈亮的時刻。其他5類工況中危險出現(xiàn)時刻定義為前方車輛開始導(dǎo)致碰撞危險的運(yùn)動時刻。比如在工況類型Ⅰ中，危險出現(xiàn)時刻定義為本車側(cè)前方自行車(摩托車)突然拐入本車行駛車道，或者本車前方被遮擋的自行車(摩托車)突然從遮擋物后竄出的時刻；工況類型Ⅲ中，危險出現(xiàn)時刻定義為本車在路口轉(zhuǎn)向時車輛前方被遮擋的自行車(摩托車)從遮擋物后竄出，或者車輛前方的自行車(摩托車)突然改變運(yùn)動狀態(tài)(改變后的運(yùn)動狀態(tài)導(dǎo)致了危險的發(fā)生)的時刻；工況類型Ⅳ和Ⅵ中，危險開始時刻定義為車輛側(cè)前方車輛開始向本車道轉(zhuǎn)向或偏移的時刻；工況類型Ⅴ中，危險出現(xiàn)時刻定義為車輛前方行人開始橫穿公路，或者被遮擋行人從遮擋物后竄出的時刻。如果無法直接判斷危險開始時刻，則通過研究人員和擁有豐富駕駛經(jīng)驗的駕駛員共同進(jìn)行主觀評價確定，舍去無法直接判斷危險開始時刻且主觀評價結(jié)果差異很大的工況。

然后，通過車輛速度曲線(圖4)確定駕駛員制動開始的時刻。對車輛速度曲線進(jìn)行分段直線擬合，其中C-D段車輛速度急劇減小，因此可視為駕駛員的緊急制動過程，C點可視作駕駛員緊急制動起始時刻。實際上由于制動器響應(yīng)帶來的延遲，駕駛員開始制動的時刻應(yīng)該比C點更早，但為分析方便，本文中也將制動器響應(yīng)延遲時間視作駕駛員制動反應(yīng)時間的一部分。

在駕駛員制動反應(yīng)時間的提取過程中發(fā)現(xiàn)，有些工況下駕駛員的制動反應(yīng)時間非常長。這主要有兩個原因：一是在本文中定義的危險出現(xiàn)時刻時，一些駕駛員注意力不集中，未能及時識別到危險的出現(xiàn)；二是一些駕駛員雖然已經(jīng)注意到危險，但認(rèn)為不必立刻進(jìn)行制動。這些工況中得出的數(shù)據(jù)不能作為駕駛員制動反應(yīng)時間，因為這些數(shù)據(jù)的引入會導(dǎo)致最終結(jié)果方差過大，平均值偏高。從已有的文獻(xiàn)可看出，幾乎所有研究得出的駕駛員制動反應(yīng)時間都小于2s，而本文中得出的結(jié)果也絕大部分在2s以下，因此只選駕駛員制動反應(yīng)時間在2s以下的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果分析

最終得出的6種危險工況下駕駛員制動反應(yīng)時間如圖5所示，平均值分布在1.02～1.36s之間。從駕駛員制動反應(yīng)時間的統(tǒng)計學(xué)參數(shù)(表1)可以看出，駕駛環(huán)境對駕駛員的制動反應(yīng)時間有很大的影響，不同類型的危險工況下駕駛員制動反應(yīng)時間有明顯的差異。因此，無法得到一個適用于不同交通環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)制動反應(yīng)時間，這點與文獻(xiàn)[2]中的研究成果一致。

工況類型平均值標(biāo)準(zhǔn)差中位數(shù)75百分位值90百分位值Ⅰ102034101215Ⅱ136034137162178Ⅲ1070291031314Ⅳ115039101517Ⅴ106034111315Ⅵ114041111517

相比于由其他車輛導(dǎo)致的碰撞危險(工況Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ)，當(dāng)危險是由行人或騎車人等易受傷害的道路使用者導(dǎo)致時(工況Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ)，駕駛員制動反應(yīng)時間更短，這說明駕駛員對易受傷害的道路使用者更為警覺，在有危險出現(xiàn)時制動反應(yīng)更快。

當(dāng)碰撞危險都是由車輛引起時，相對于工況類型Ⅱ，在工況類型Ⅳ和Ⅵ中，碰撞危險更為明顯。在工況類型Ⅱ中，在前車突然制動前碰撞危險都是潛在的，駕駛員并未對危險的出現(xiàn)有心理預(yù)期，因此當(dāng)危險出現(xiàn)時，駕駛員通常需要更多的時間來判斷交通環(huán)境并做出反應(yīng)。

因為目前主流的縱向駕駛輔助系統(tǒng)，如FCW、AEB等，主要目的是避免追尾碰撞事故或減小追尾事故的嚴(yán)重程度，所以工況類型Ⅱ(前車減速)最受關(guān)注。下面對工況Ⅱ下的駕駛員制動反應(yīng)時間做進(jìn)一步分析。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中的研究成果，駕駛員反應(yīng)時間近似服從對數(shù)正態(tài)分布，本文中也對前車減速工況下駕駛員的制動反應(yīng)時間做了對數(shù)正態(tài)分布擬合，結(jié)果如圖6所示，擬合的效果較好，相關(guān)系數(shù)R=0.87。對數(shù)正態(tài)分布的擬合均值μ=1.387s，與算術(shù)均值1.36s接近。

駕駛員制動反應(yīng)時間與速度的關(guān)系一直是研究的重點。但是，之前的研究并未達(dá)成共識。例如，文獻(xiàn)[10]中論述當(dāng)車速從40km/h升高到64km/h時，駕駛員對黃燈的制動反應(yīng)時間縮短了0.5s。但是文獻(xiàn)[11]中研究卻發(fā)現(xiàn)速度對駕駛員反應(yīng)時間沒有影響。本文中對前車減速工況下駕駛員制動反應(yīng)時間與車速的關(guān)系做了分析，結(jié)果表明駕駛員制動反應(yīng)時間有隨車速升高而降低的趨勢(圖7)，兩者之間的相關(guān)系數(shù)為-0.24，相關(guān)性并不很強(qiáng)，但具有一定的指示性，說明車速確實對駕駛員制動反應(yīng)時間有一定影響。

本文研究發(fā)現(xiàn)，在前車減速工況下，當(dāng)危險發(fā)生在路口時，駕駛員的平均制動反應(yīng)時間比在非路口時長(圖8)。在路口時的平均制動反應(yīng)時間為1.367s，而在非路口時的平均制動反應(yīng)時間為1.356s。這個結(jié)論與一些已有的研究結(jié)果相悖，因為一些研究人員認(rèn)為，當(dāng)車輛行駛在路口時，駕駛員通常對危險出現(xiàn)有一定的心理預(yù)期，因此當(dāng)出現(xiàn)危險時制動得更快。例如文獻(xiàn)[12]中通過駕駛員模擬器實驗發(fā)現(xiàn)，無論有沒有自動前碰撞預(yù)警系統(tǒng)，在路口時駕駛員的反應(yīng)時間總比在直路時短。本文中通過對危險工況視頻進(jìn)行細(xì)致分析發(fā)現(xiàn)，在路口時交通環(huán)境相比于在非路口行駛時更為復(fù)雜，駕駛員必須花更多的注意力關(guān)注從側(cè)面來的車輛或者其他道路使用者，加重了駕駛員的認(rèn)知負(fù)荷。因此，當(dāng)在路口遭遇前車突然減速時，駕駛員通常需要花費更多的反應(yīng)時間進(jìn)行制動。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的研究成果，碰撞危險緊急程度越高，駕駛員制動越快，制動反應(yīng)時間越短。在實際應(yīng)用中，TTC(time-to-collision)經(jīng)常用來表征危險程度，TTC是指同一路徑上的兩輛車保持當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)不變到發(fā)生碰撞所需要的時間，即兩車相對距離除以兩車相對速度。文獻(xiàn)[14]中研究了駕駛員制動反應(yīng)時間與TTC之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TTC越大，無論是平均制動反應(yīng)時間還是制動反應(yīng)時間的標(biāo)準(zhǔn)差都越大。但是，在前車減速工況中，前車開始制動時的TTC值分布范圍很大。這是因為在跟車情況下，相對速度可能很小，因而TTC可能非常大甚至為負(fù)。從這個結(jié)果可以看出，TTC并不總能夠正確反映危險緊急程度。本文中嘗試采用THW(time headway)來表征危險緊急程度。THW定義為兩車相對距離除以后車速度。從駕駛員制動反應(yīng)時間與前車制動開始時的THW的關(guān)系(圖9)可以看出，當(dāng)THW減小時，駕駛員制動反應(yīng)時間有減小的趨勢，相關(guān)系數(shù)為0.158，相關(guān)性較弱。

由于駕駛員制動反應(yīng)時間與THW的相關(guān)較弱，可見THW也不能很準(zhǔn)確反映危險的緊急程度。因此嘗試采用文獻(xiàn)[15]中提出的危險感知參數(shù)RP(Risk Perception)來表征危險。危險感知參數(shù)定義為

這個參數(shù)可以同時考慮TTC和THW的影響。計算在前車開始減速時的危險感知參數(shù)，如果在前車開始減速時的TTC>15s或為負(fù)值，則設(shè)定TTC=15s。從駕駛員制動反應(yīng)時間與危險感知參數(shù)的關(guān)系(圖10)可以看出，當(dāng)危險感知參數(shù)變大時，駕駛員制動反應(yīng)時間有減小的趨勢，兩者相關(guān)系數(shù)為-0.247，其相關(guān)性比反應(yīng)時間與THW之間的相關(guān)性更強(qiáng)。

因此可見，當(dāng)危險緊急程度上升時，駕駛員制動反應(yīng)時間有減小的趨勢，這點與之前的研究結(jié)論一致。在前車減速工況中，危險感知參數(shù)比THW和TTC更適合用來表征危險緊急程度。

5 結(jié)論

首先通過行駛記錄儀(VDR)對上海市嘉定區(qū)的真實交通工況進(jìn)行了采集，然后對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分類，得到了6種典型的危險工況。接著對這6種危險工況下，特別是前車減速工況下的駕駛員制動反應(yīng)時間做了提取和分析。結(jié)果表明，駕駛員反應(yīng)時間受駕駛環(huán)境影響很大，不同類型的危險工況下駕駛員制動反應(yīng)時間明顯不同。在前車減速工況中，駕駛員的制動反應(yīng)時間近似于對數(shù)正態(tài)分布，當(dāng)車速增大、危險等級增加或危險發(fā)生在非路口時，駕駛員制動反應(yīng)時間更短。

對駕駛員制動反應(yīng)時間的研究成果可用于在開發(fā)先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)時調(diào)整控制參數(shù)，評價控制策略性能，也可用于設(shè)計先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)的性能測試方法。由于本文中的所有數(shù)據(jù)都來源于我國真實的交通工況，因此特別適用于開發(fā)和評價兼容我國特殊工況的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)。

本文中用于分析駕駛員制動反應(yīng)時間的樣本量還相對較少，分析的范圍也主要局限在出租車和警車，未來計劃采集更多、覆蓋范圍更廣的數(shù)據(jù)對駕駛員制動反應(yīng)時間進(jìn)行深入研究。

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