駕駛人車內次任務疊加實驗研究

關闖，趙媛劼，谷亞蒙，劉毅坤

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

隨著車載多媒體系統的快速發展，駕駛人執行車內次任務的情況明顯增加，而駕駛過程中執行車內次任務會對駕駛行為會產生不同程度的影響，進而對道路車輛、行人造成安全隱患，因此開展車內次任務對駕駛人駕駛行為的研究顯得非常必要。

Rakauskas等[1]利用駕駛模擬器研究了不同的手機通話難度級別對駕駛人駕駛行為的影響，結果表明無論通話難度大小都會增加駕駛負擔。Steven等[2]以駕駛過程中超速、碰撞、錯過停車標志等的次數為試驗指標，研究了手機通話對駕駛人駕駛行為的影響。瑞典道路與運輸研究所、新西蘭Roland Matthews等研究了機動車駕駛人在不同的交通環境下，駕駛人手持手機通話、免提通話以及不進行通話3種狀態的駕駛行為的表現進行了分析[3-5]。王搶等[6]在虛擬環境下研究了視覺以及聽覺次任務對駕駛員視覺特性的影響和差異性，統計視覺搜索面積、瞳孔面積和次任務完成時間等指標，得出視覺次任務對駕駛人的影響更為明顯的結論。

本文針對駕駛過程中視覺、認知以及視覺和認知疊加次任務對駕駛人的影響展開研究，在駕駛模擬器上應用換道測試（LCT）為主任務，并且設計了相應的認知、視覺和疊加次任務，最后統計部分車輛運行狀態數據進行駕駛績效分析。

1 實驗環境和設計

1.1 LCT標準實驗環境

LCT（換道測試）是一個依托于PC機的駕駛模擬器，其包括了ISO制定的標準實驗環境和操作流程。實驗過程中要求駕駛人保持60km/h的車速勻速行駛，測試的場景路段會隨機出現3種換道標志，要求駕駛人在看清換道標志后盡快完成相應的換道動作，同時PC機記錄車輛的實時運行狀態數據[7]。通過LCT可以定量地表現由于執行車內次任務而引起的駕駛人駕駛性能的退化程度。

1.2 實驗設計

本次實驗為組內實驗，選取來自不同年齡、性別、職業以及駕齡的10名駕駛人，其中，5名男性，5名女性，平均年齡28歲，平均駕齡2.1年，并要求駕駛人視力或者矯正視力達到相關要求[8]。實驗在單屏駕駛模擬器上進行（模擬器包含座椅、方向盤、變速器、踏板等相關設備），同時使用手機作為虛擬車載信息服務設備。

在駕駛人熟悉駕駛模擬器后進行LCT基本換道測試，車輛行駛路徑偏差不高于1.2，每名駕駛人進行4組實驗，完成每組實驗后駕駛人休息2分鐘后進行下組實驗，其中：

1）主任務為LCT駕駛任務。

2）視覺次任務為觀看手機給出的PPT，駕駛人在提示音期間將視線由道路前方轉向手機PPT界面。

3）認知次任務為記憶并復述手機以音頻給出的四位隨機自然數。

4）疊加次任務為記憶并復述由手機以PPT給出的四位隨機自然數。

為避免學習效應，實驗中視聽數據均為隨機抽取，執行次任務的總時長控制在4s。

表1 實驗組及任務設計

2 車輛運行狀態數據

2.1 典型車輛軌跡變化

圖1 次任務換道偏差

LCT換道測試中會產生隨時間變換的車輛軌跡信息和方向盤轉角數據，圖1為車輛由左側車道換入中央車道時車輛橫向位置隨時間變化數據，不同次任務下車輛位置信息有明顯差異。駕駛人在僅執行LCT基本換道任務時，駕駛人的車道保持能力優秀，車輛的中心橫向偏移小于4m；駕駛人在執行認知次任務時，車輛的中心橫向偏移雖有增加，但還是保持在4m左右，同時駕駛人的車道保持能力出現一定的下滑；而駕駛人執行視覺次任務和疊加次任務時，車輛的橫向偏移均接近或達到5m。

2.2 典型方向盤轉角變化

駕駛人僅執行LCT主任務時，方向盤保持平穩，車輛的最大轉向角為5°；在執行認知次任務下方向盤出現一定的波動，最大轉向角超過7°，駕駛人的方向保持能力出現下滑，而在執行視覺次任務和疊加次任務時方向轉向角均達到10°左右，駕駛過程中表現為車輛一次性換道成功率低，需要進一步調整車輛姿態位置，并且疊加次任務下車輛的方向盤轉角波動相較視覺次任務下更加明顯。

圖2 次任務方向盤轉角

3 單一指標特性分析

3.1 平均路徑偏差

平均路徑偏差MD是實際換道路徑與理想換道路徑之間的包絡面積除以行駛距離的結果[9]。

式中：Xd,i為車輛橫向偏移量；Xp,i為車輛實際運行時的車輛橫向位置；同樣Xr,i是車輛理論運行路徑的橫向距離；式（1）中s為分析的數據單元個數；Yi+1，YI-1分別為i+1和i-1時車輛的縱向位置，i是車輛運行時不同的時間點。

駕駛人執行各組次任務下的平均路徑偏差如圖3所示，認知任務組與基本任務組相差不大，認知任務組平均路徑偏差的均值要略大于基本任務組；而視覺任務組和疊加任務組的平均路徑的偏差要明顯大于基本任務組和認知任務組，疊加任務組的均值小于視覺任務組。數據證明了執行次任務使駕駛人駕駛績效降低的結論，同時也表明，疊加此任務下駕駛績效下降的最為嚴重，視覺次任務次之，認知次任務雖有下降但是變化不大。

圖3 平均路徑偏差

圖4 正確換道比例

3.2 正確換道比例

駕駛人執行不同類型次任務時的正確換道比例有一定的差異，基本任務組的正確換道比例為97.25%；認知任務組的正確換道比例為89.87%；視覺任務組的正確換道比例為85.18%；疊加任務組的正確換道比例為75.97%。由此可見基本任務組的正確換道比例最高，認知任務組次之，疊加任務組的正確換道比例最低。

3.3 車道偏移次數

駕駛人實際駕駛路徑超出LCT理論范圍內的次數稱之為車道偏移次數。統計駕駛人執行不同次任務下的車道偏移次數，結果表明：LCT基本任務組車道偏移次數平均值為0.25次，認知任務組為0.33次，視覺任務組為1.33次，疊加任務組為2次。視覺任務組和疊加任務組明顯高于基本任務組和認知任務組。

4 結語

本文運用LCT標準實驗環境提供的車輛軌跡信息和平均轉向角以及新增的平均路經偏差、正確換道比例和車道偏移次數為實驗指標。就四種不同類型次任務下駕駛人駕駛績效的變化進行了定量評價，實驗表明：視覺疊加次任務對駕駛人駕駛行為影響最大，駕駛性能退化最為明顯，視覺次任務次之，認知次任務最小。