基于危險感知機理的狀態適應式碰撞預警策略研究*

李家文，曹建東,成 波

(1.浙江工業大學機械工程學院,杭州 310014； 2.交通運輸部科學研究院，北京 100029；3.清華大學汽車工程系,汽車安全與節能國家重點實驗室,北京 100084)

2016069

基于危險感知機理的狀態適應式碰撞預警策略研究*

李家文1，曹建東2,成 波3

(1.浙江工業大學機械工程學院,杭州 310014； 2.交通運輸部科學研究院，北京 100029；3.清華大學汽車工程系,汽車安全與節能國家重點實驗室,北京 100084)

從危險感知機理的角度出發，對適應駕駛員疲勞狀態的碰撞預警系統進行研究，分析在預警時機和預警方式上所應遵循的設計原則?；谛盘枡z測理論的研究結果表明，駕駛員在判別危險時，隨著疲勞程度的加深，駕駛員在態度上變得越來越保守，而進入非常疲勞狀態后，其危險判別的能力也明顯下降。因此碰撞預警在設計策略上應根據危險感知與疲勞程度的量化關系將預警時機進行適當提前，而在預警方式上則應盡量采用組合式的預警信號，著重提高可理解性。

駕駛員疲勞狀態；碰撞預警；信號檢測理論；感知機理；預警策略

前言

設計符合駕駛員危險感知特性的預警時機與預警方式是目前碰撞預警系統常用的方法[1-2]。但當駕駛員處于疲勞狀態時，其反應和信息處理等方面能力都將產生明顯的變化[3]，車輛碰撞預警系統的設計必須考慮駕駛員這種感知特性的變化，使預警時機與預警方式能夠符合不同狀態的駕駛員對危險狀態的感知結果，以保證預警系統的實際效果[4]。因此對駕駛員在不同狀態下對碰撞危險感知機理的把握對于預警系統的設計具有非常重要的作用，值得深入研究。

本文中利用駕駛模擬儀，模擬不同的駕駛危險環境，針對駕駛員在不同狀態下的危險判斷表現，引入信號檢測理論用于研究疲勞狀態對于其判斷結果的影響機理，并據此分析碰撞預警系統在預警時機以及預警方式上的設計策略，為碰撞預警系統的設計提供新的方法與理論支持。

1 研究方法

1.1 信號檢測論在駕駛員危險感知研究中的應用

信號檢測理論最初用于通信領域，在被引入到心理學研究之后用于研究外界刺激與內部感知表征之間的關系[5-6]，其主要指標是反應偏向與敏感性，其中反應偏向解釋了個體區分外界刺激(包含信號和噪聲)的態度，而敏感性則可以說明個體區分刺激的能力。對于實際的駕駛過程來說，前方車輛(或障礙物)就是外界的刺激，可以用諸如THW(time headway)、TTC(time to collision)等代表碰撞危險的參數來表示。在不同的狀態下駕駛員皆須對前方的交通狀況做出“安全”與“危險”的判斷，反映在實際操作中就是諸如制動、換道等避免危險的行為，通過統計大量駕駛員的這些判別操作行為，獲得一個面向駕駛員不同狀態，反映其判別前方環境條件是否安全的概率分布和一個平均意義上的判別閾值。由此即可對駕駛員在不同狀態下對環境是否危險的反應偏向與區分危險與安全的敏感性進行研究。通過比較清醒與疲勞狀態下駕駛員反應偏向和敏感性的變化情況來分析駕駛員的疲勞狀態對其危險感知特性的影響，從而為車輛碰撞預警系統的設計策略提供理論依據。

1.2 實驗設計

基于清華大學的大型駕駛模擬器開展了相關研究，如圖1所示。實驗中，被試駕駛員分別以60和90km/h的速度駕駛一輛汽車(簡稱自車)在一條全長50km的雙向6車道高速公路上行駛，前方有以40km/h速度行駛的車輛(簡稱前車)。為更好地比較和分析不同狀態的駕駛員在縱向駕駛過程中對安全和危險的判斷情況，實驗設計了兩種危險級別，一種是被試駕駛員感覺如果繼續行駛，前車對自車產生威脅；另一種是被試駕駛員如果繼續行駛，則兩車可能發生碰撞。為獲得這兩種結果，做了如下實驗設計：第一種情況要求被試駕駛員不能降低車速，在感覺到前車對自身保持車速產生影響時，超越前車；第二種情況要求被試駕駛員不能偏離車道，在感覺到碰撞危險時以主動制動的方式來避免碰撞。通過對駕駛員超車和制動時機的分布情況來把握駕駛員在不同狀態下對這兩種危險的判斷變化情況。

圖1 駕駛模擬實驗平臺

在本實驗中，須確保被試駕駛員是在清醒狀態下完成實驗。設定開始以60km/h的速度行駛，并逐漸接近前車。超車或制動之后，模擬儀通過對場景的控制，在一段時間后重復相應工況，每種工況重復3遍。在該過程結束后，被試駕駛員的車速被調整到90km/h，然后在該車速下重復上述兩種工況。

在完成以上實驗過程后繼續駕駛，調整被試駕駛員的車速到40km/h，與前車維持200m的距離不變，以利用單調駕駛環境促使駕駛員進入不同程度的疲勞狀態。采用對駕駛員面部表情評分的方法來實時獲取駕駛員的實際疲勞狀態。實驗過程中，利用安裝于駕駛員前方的攝像頭實時采集駕駛員面部視頻圖像，由兩名經過訓練的研究人員按照表1所示的評分標準獨立給出各自的評分，評價時將駕駛員的狀態分為“清醒”、“疲勞”、“非常疲勞”3級，取兩人評分的平均值作為最終結果。

表1 疲勞狀態評價指標

當兩名有經驗的實驗研究人員判斷被試駕駛員進入疲勞或者非常疲勞的狀態之后，重復上述所有測試。

本實驗共測試了20名被試駕駛員(男性17名，女性3名，平均年齡26.3歲，標準差3.6歲，平均駕齡2年)。

2 實驗與結果分析

2.1 實驗設定

實驗得到了被試駕駛員在不同狀態下超車和制動時的具體時刻。由于超車工況自車車速不變，因此用THW來表示駕駛員的超車行為差異。而制動工況涉及相對速度的變化，因此用TTC來表示駕駛員的制動行為差異。

首先將上述兩種實驗工況下所得到的實驗結果進行預處理，以確定不同狀態的駕駛員對不同危險的判斷閾值，以及不同的THW和TTC對應的安全和危險的概率。在閾值的設定上，采取將所有被試駕駛員在同一狀態下超車時的THW或制動時的TTC的平均值作為駕駛員對于相應工況是否危險的判斷標準。在安全和危險的分布統計中，首先將THW和TTC分成若干個區間，其中THW分成[0,1)、[1,2)、[2,3)、[3,4)、[4,5)、[5,6)、[6,7)和[7,8]8個區間；TTC分成[0,1)、[1,2)、[2,3)、[3,4)、[4,5)、[5,6)、[6,7)、[7,8)和[8,9] 9個區間。將被試駕駛員超車時的THW、制動時的TTC定義為危險狀態，將其歸入某一個區間，同時做如下假設：對于某被試駕駛員來說，在其危險狀態所在THW和TTC區間之后的各個區間代表是相對安全的。例如駕駛員在THW=3.2時進行了超車行為，該區間屬于[3,4)區間，則對于該被試駕駛員來說，THW=[4,5)這個區間是安全的。基于該假設，本研究計算了所有被試駕駛員在不同狀態下，對于環境安全與危險的概率分布結果。

2.2 實驗結果

2.2.1 超車工況

圖2為在超車工況下不同狀態的被試駕駛員在90km/h車速下對環境危險的判斷結果。由圖2看出，隨著被試駕駛員疲勞程度的逐漸加深，安全和危險概率曲線占據的THW區間越來越多，兩條曲線的離散程度也越來越低。根據信號檢測理論計算圖2中各種情況的敏感性和反應偏向，結果如圖3所示?？梢钥闯?，隨著駕駛員疲勞程度的加深，駕駛員對安全和危險工況判斷的敏感性下降，同時駕駛員的反應偏向則越來越大。當駕駛員以60km/h的車速行駛時，得到的結果也基本類似。

圖2 超車工況中不同狀態駕駛員的危險判斷情況

圖3 超車工況中不同狀態的敏感性和反應偏向(90km/h)

2.2.2 制動工況

圖4為制動工況下不同狀態的被試駕駛員在60km/h車速下對危險和安全的判斷結果。由圖4可以看出，隨著駕駛狀態的變化，被試駕駛員在制動工況時對危險的判斷變化趨勢和超車工況基本一致，這點也體現在制動工況時不同狀態下的敏感性和反應偏向的結果上，如圖5所示。說明雖然駕駛員所面臨的危險級別不同，但是隨著疲勞程度的加深，其對前向碰撞危險判別的敏感性皆呈下降趨勢，而其反應偏向則趨于上升。分析被試駕駛員以90km/h的車速進行的制動工況的數據，也得到類似的結果。

圖4 制動工況中不同狀態駕駛員的危險判斷情況(60km/h)

圖5 制動工況不同狀態時的敏感性和反應偏向(60km/h)

2.3 狀態變化對駕駛員危險感知的影響機理

上述實驗與計算結果解釋了不同疲勞狀態對駕駛員具體操作的影響，即隨著駕駛員疲勞程度的加深，駕駛員的敏感性逐漸降低，造成其對交通工況維持注意的能力下降，由此使駕駛員錯過了原本期望的超車或制動時刻，導致超車時的THW值或制動時的TTC值變小。同時由于反應偏向逐漸增加，即變得保守，造成駕駛員在清醒狀態時的超車或制動時刻之前就感到危險，因此提前進行超車或制動行為，這使超車時的THW值和制動時的TTC值變大。相對而言，疲勞程度對敏感性的影響更加突出，通過計算不同條件下駕駛員正確判斷安全工況的概率可以看到，在疲勞狀態下，敏感性下降的程度在10%左右，而在非常疲勞狀態時，敏感性下降的程度達到25%左右，如圖6所示。這說明在疲勞狀態時，駕駛員對環境是否危險的判斷能力并沒有明顯下降，只是區分安全和危險的態度趨于保守。而在非常疲勞狀態時，駕駛員在對判斷安全和危險的態度變得更加保守的同時，其區分安全和危險的能力也明顯下降，導致其無法快速確定自身所處的環境特征。

圖6 敏感性結果在不同狀態下的變化差異

綜上所述，駕駛員危險感知特性變化的綜合作用使其實際超車和制動行為的分散性增加，一致性降低。掌握這種內在機理的變化特點就可以為前向碰撞預警系統提供適應駕駛員狀態變化的設計策略。

3 適應狀態的碰撞預警系統設計策略

預警策略主要涉及預警時機與預警方式的設計，其中預警時機應符合駕駛員的危險判別結果，因此更側重考慮駕駛員的反應偏向結果。而預警方式則須保證駕駛員對于危險狀態的理解與注意，因此更側重于提高駕駛員的敏感性。因此結合本文中的研究結果，從兩方面來歸納前向碰撞預警系統的設計策略。

3.1 預警時機的適應式設計

在預警時機上，應適應駕駛員危險感知態度的保守趨勢，將預警時機根據不同的疲勞狀態適當提前，從而使預警的觸發時刻能符合駕駛員對當時實際危險的感知結果。具體預警時機的提前量設計一方面要量化駕駛員的危險感知結果與預警時機之間的具體關系；另一方面要計算不同疲勞狀態對其危險感知特性的影響程度。因此可將駕駛員的狀態特征與實際的預警時機通過客觀的感知結果聯系起來，從而使預警適應駕駛員的反應偏向。

之前筆者通過Stevens冪定律量化了駕駛員在清醒狀態時的危險感知與客觀報警時機之間的關系，并結合C均值聚類方法計算了不同疲勞狀態對駕駛員危險感知的影響程度，由此設計了適應不同疲勞狀態的預警時機，取得了較好的效果[7]。

3.2 預警方式的適應式設計

預警方式的設計評價原則主要包含察覺性、理解性與接受性等3個方面[5]。從上述感知機理分析可以看到，由于疲勞狀態時駕駛員區分安全與危險的能力下降不多，還能維持對環境危險的注意和判斷能力，因此諸如視覺、聽覺等常規的預警方式依然具有一定的預警效果。但在進入非常疲勞狀態之后，駕駛員敏感性明顯下降，導致其區分安全和危險的能力下降，致使其無法快速認知自身所處的行駛環境的危險狀況。而常規的預警方式中，普通的聽覺與視覺信號都能夠指明當前的危險狀況，但聽覺信息需要花費時間去理解，視覺則無法第一時間傳遞信息，觸覺方式雖然可以快速引起駕駛員的察覺，但它無法讓駕駛員快速理解當前危險狀況，因此這些方式對于處于非常疲勞的駕駛員來說效果很差，文獻[8]中對于不同預警方式的研究也證明了上述結論。

針對狀態的影響，適應式預警方式的設計原則是：保證察覺性與接受性，同時重點提高理解性，突顯危險狀況(或目標)，從而讓駕駛員能快速把握當前的危險狀況，彌補其敏感性顯著下降之后的危險辨別能力。

結合常規預警方式的缺陷分析，很難提高聽覺和觸覺方式在快速突顯目標事件上的作用，而視覺方式具備快速指引駕駛員注意的能力[9]，常規視覺預警信號由于置于駕駛室內部，和駕駛員觀察道路信息之間存在視覺資源的干涉現象，因此對其察覺性和接受性的評價都較低，若將視覺預警信號和駕駛員需要注意的危險情況重合顯示，則可引導駕駛員對危險情況的注意，達到突顯危險情況的目的。

因此基于平視顯示(head-up display, HUD)原理進行視覺預警方式的設計，其效果如圖7所示，采用箭頭的方式指出了可能發生碰撞危險的前方車輛，采用遞進閃爍的梯形條紋來表示兩車之間相對距離的變化結果，其中當剛觸發縱向危險預警時采用2Hz的閃爍頻率，在TTC=2.5時采用4Hz閃爍頻率，同時在梯形條紋附近顯示兩車之間的具體相對距離結果。

圖7 基于HUD的適應式視覺預警方式設計

另外，考慮到視覺方案的察覺性較低，增加了能快速吸引駕駛員注意的觸覺方式和語音預警作為視覺方案的補充，最終形成的適應式復合預警方案如表2所示。

表2 適用于不同疲勞狀態的復合式環境預警方案

基于文獻[8]中的方法測試了上述預警方案，并與歐洲AWAKE項目的疲勞預警方案(安全帶卡扣振動、嗶嗶聲、中后視鏡處的紅色閃爍LED，3者復合預警)做了對比，圖8為比較結果。可以看出，當駕駛員處于非常疲勞的狀態時，駕駛員對預警設計方案的理解性都得到顯著提高，同時也使可用度得到了明顯提升。在察覺性上，比較駕駛員在兩種預警方案下的制動反應時間，結果如圖9所示。由圖9可以看出，所設計的預警方案在制動時間上快了約0.1～0.2s，這說明根據所設計的方案能夠幫助非常疲勞狀態的駕駛員快速把握當前駕駛環境中的危險狀況，在第一時間做出相應的操作。

圖8 本文方案與AWAKE方案的效果比較

圖9 本文方案與AWAKE方案制動反應時間比較

4 結論

利用信號檢測理論，基于駕駛模擬儀研究分析了駕駛員在不同疲勞狀態下，對于交通環境的危險感知判別機理。研究結果表明，隨著疲勞程度的加深，駕駛員對于環境是否危險的反應偏向與敏感性都發生了明顯變化，其區分環境安全與危險的態度變得越來越保守，而在進入非常疲勞狀態后，其危險判別能力明顯下降?；谏鲜鰴C理研究的結果，提出了適應駕駛員不同狀態的碰撞預警系統的設計策略：一方面，需要量化分析駕駛員危險感知的保守變化程度來設計提前報警的具體時機；另一方面，在預警方式上應盡量采用組合式的預警信號，著重保證報警信息的可理解性，所設計的基于HUD的復合式預警方案，取得了較好的預警效果。

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A Research on Collision Warning Strategy Adapted to Driver’sState Based on Hazard Perception Mechanism

Li Jiawen1, Cao Jiandong2& Cheng Bo3

1.DepartmentofVehicleEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310014;2.ChinaAcademyofTransportationSciences,Beijing100029;3.DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084

From the angle of driver’s hazard perception mechanism, the collision warning system adapted to driver’s drowsiness state is studied and the design principles for warning timing and ways of warning are analyzed. The results of study based on signal detection theory show that when driver makes judgment on hazard, with the deepening of drowsiness extent, driver’s attitude becomes more and more conservative, and when entering into deep drowsy state, driver’s hazard judgment ability also significantly lowers. Therefore, in devising collision warning, the warning timing should reasonably advances according to the quantitative relationship between hazard perception and drowsiness extent, and for the way of warning, the combinations of different warning signals should be adopted, putting emphasis on comprehensibility.

driver drowsiness; collision warning; signal detection theory; perception mechanism; warning strategy

*國家自然科學基金(51405438)資助。

原稿收到日期為2014年12月5日，修改稿收到日期為2015年2月4日。